摘要：针对传统 LED 显示屏显示复杂界面时 MCU 的选择范围很窄的问题，提出一种 LED 矩阵链接方法。该方 法采用 ULN2003A[1]阴极电流放大电路和 KID65783AP[2]阳极电流放大电路，介绍行扫描、列扫描和全扫描 3 种扫描 方式，并给出主程序流程图、中断服务程序流程图及其程序清单。实践结果证明：该设计大大减小了所需要的单片 机输出端口数，降低了设计成本，并已在空调产品控制器多个产品的显示屏设计上大量运用。

 关键词：LED 控制；LED 矩阵连接；LED 显示屏 

0 引言 

     目前，家用电器普遍采用 LCD 液晶显示屏，由 于液晶本身不会发光，必须使用背光源照亮画面， 在某些场合其亮度不能达到用户需要。而且 LCD 的 控制较复杂，需要专用控制芯片，或者需要带 LCD 驱动的 MCU，控制成本相对较高。所以，在显示界 面比较简单的场合，常采用 LED 作为显示屏。

      LED 显示屏本身能发光，亮度自由调节，显示画面任意组合，还可根据需要做成各种颜色，具有 抗震能力强等特点。但如果显示界面过于复杂，会 导致对单片微型计算或者使单片机 MCU(single chip microcomputer)的选择范围变窄、芯片成本变 高，故笔者采用矩阵控制方案，提出 LED 矩阵链接 方法。 

1 矩阵控制方案

 1.1 电路连接方式

        图 1 所示的 LED 显示屏，如果按通常的控制方 式(如图 2 所示)，共需要 58 个 I/O 口，如采用图 3 所示的 8×8 矩阵连接方式，则只需要 16 个 I/O 口， 大大节省了 MCU 的管脚数目。如想进一步节省 MCU 的 I/O 口，可采用 74HC595[3]进行 I/O 口扩 展，甚至可采用多片 74HC595 以级联的方式扩展 I/O 口。1 片 74HC595 只需要 3 个 MCU 的 I/O 口， 便可得到 8 路输出，2 片 74HC595 级联，则可以得 到 15 路输出。 

1.2 控制方式 

      点亮 1 只 LED，需要在 LED 阳极加上高电平 信号，同时在其阴极加上低电平信号；要熄灭 LED， 要在阳极上加入低电平，或在阴极上加上高电平信 号。一般同时在 LED 阳极加低电平，而在其阴极加 上高电平信号，由于此时 LED 中没有电流流过，可 达到熄灭 LED 的目的。为了控制每只 LED 灯的亮/ 灭，可采用扫描控制方式控制其阳极、阴极的电平 信号，扫描控制方式一般采用以下 3 种：

      1) 行扫描方式。 

      行扫描方式，逐行输出高电平，需要点亮的 LED 所在的列输出低电平，其他列输出高电平。对 于图 3 所示电路，如只需要 E3、T14 亮，则扫描到 第 3 行时，pin11 输出高电平(其他行全部输出低电 平)，而 pin5、pin8 则同时输出低电平，同时，pin1～ pin4、pin6～pin7 均输出高电平。可见，流过 pin11 的电流为 2 只 LED 的电流，当第 3 行全部 LED 均 点亮时，则流过行扫描线 p11 的电流为所有点亮的 LED 电流总和，而列扫描线中流过的电流，在其点 亮的列为 1 只 LED 中流过的电流。如果在行扫描线 I/O 口输出电流能力一定的条件下，当某行同时有 多只 LED 点亮时，会造成每只 LED 中流过的电流 减小，引起显示屏亮度不均匀。解决问题的方法如 图 4 所示，在 MCU I/O 口与 LED 矩阵之间增加电 流放大电路，提高扫描线的电流驱动能力。此扫描 方式同全扫描方式相比，具有显示速度较快的特点。 

      2) 列扫描方式。

      列扫描方式，逐列输出低电平，需要点亮的 LED 所在的行，则输出高电平，否则输出低电平。 除扫描到的列以外，其他列均输出高电平。列扫描 方式与行扫描方式具有相同的优缺点。

       3) 全扫描方式。

       全扫描是指，对每只 LED 灯进行扫描，每一时 刻只能有 1 只 LED 被点亮。从第 1 行开始每次输出 一行为高电平，其他各行为低电平，同时从第 1 列 开始扫描每一列，当遇到所在列的 LED 灯需要点亮 时，该列输出低电平，其他列输出高电平。间隔一 定的时间后，再扫描到下一列，当所有列扫描完后， 再扫描到下一行，按同样的方式再扫描每一列。当 所有行扫描完后，再从第 1 行开始按同样的方式扫 描。这种扫描方式，使得每个 I/O 口中流过的电流， 不会超过 1 只 LED 中流过的电流，显示屏亮度均匀， 但扫描时间较长，需要消耗额外的 MCU 时间。

1.3 电路原理框图

       如图 4 所示，行扫描信号经电流放大电路 1 接 入到发光二极管的阳极，列扫描信号经电流放大电 路 2 后接入到发光二极管的阴极。本框图仅讨论 8 ×8 的矩阵连接方式，其他多维 m×n 的连接方式，在原理上是相同的。 

1.4 数据结构 

      针对图 4 所示电路，可以构建 8 个数据结构 (data0,data1,…,data7)，作为显示缓冲区，每个数据 的每一位对应一只 LED，当位为 1 时代表点亮该 LED，为 0 则熄灭此 LED。图 4 中，P0.0～P0.7 为 P0 口的 8 个输出端口，P1.0～P1.7 为 P1 口的 8 个 输出端口。P1 口用于控制 LED 矩阵的行，P0 口则 控制矩阵的列。每个 LED 是否点亮，应该按照设计 时所赋予的功能来定义。 

2 软件设计 

2.1 主程序软件流程图 

       如图 5 所示，主程序包括初始化，解码显示字 符等子程序。其中，初始化包括：对变量的初始化， 设定定时器，将中断服务程序的服务地址放入中断 地址表、开中断等操作；解码显示字符子程序则根 据定义的功能对显示字符解码，将解码结果放入 (data0,data1,…,dada7)所示的显示缓冲区中，供中 断服务程序使用。假设待显示的数字为 26，其他字 符均不显示，则解码程序如下(数据 dig_high 表示 高位待显示数据，dig_low 表示低位待显示数据)：

       void decode (void) { di(); //关中断 data0=data1=data2=data3=data4=data5=data6=da ta7=0; //……………. if(dig_high==2) data0|=3,data1|=0x3,data2|=0,data3|=3,data4|=3,data5| =0,data6=3; //……………. if(dig_low==6) data0|=0x0c,data1|=0,data2|=0x0c,data3|=0x0c,data4| =0x0c,data5|=0x0c,data6|=0x0c; //……………. ei(); //开中断 }  

2.2 中断服务流程图 

       如图 6 所示，采用列扫描方式，首先要确定输 出端口(P0,P1)的值。特别要注意，在程序入口处放 置“P0=~0, P1=0”语句，目的是关闭所有的显示字 符，以避免显示出现闪烁及杂乱显示。设计时，放 大电路 2 采用 ULN2003 芯片，其控制逻辑是：当 输入高电平时 ULN2003 输出为低电平，当输入为 低电平时 ULN2003 输出处于高阻态，所以 P0 口输 出全部反向。其中断服务程序如下：

         interrupt void display_led(void) { unsigned char p0a,p1a; P0=~0, P1=0; switch(col) { case 0: { p1a=data0; col=1; if(data0) p0a=~0x7f; else p0a=~0xff; break; } case 1: { p1a=data1; col=2; if(data1) p0a=~0xbf; else p0a=~0xff; break; } //case 2~case 6 程序结构基本相同 case 7: { p1a=data7; col=0; if(data7) p0a=~0xfe; else p0a=~0xff; break; } ｝ P0=p0a, P1=p1a; }