基于ARDUINO的多功能智能LED點陣屏

孫建振 王振 姬廣超 董雨鑫 梁棟茂 鄒勱豪

摘要：多功能迷你LED燈屏幕它的設計方案主要是以 ARDUINO 為主控單元，基于GPIO的輸入輸出功能，用LED點陣實現(xiàn)動態(tài)顯示、秒表以及貪吃蛇小游戲。硬件電路包括控制單元ARDUINO UNO單片機 LED點陣屏幕以及74HC595位移緩存器。軟件控制部分用C/C++語言編寫，并進行了簡單的PCB設計，在單片機的控制下顯示各種各樣的內容。用戶可以通過簡單的通訊對顯示內容進行設計，方便人們的學習與使用。

關鍵詞 ：ARDUINO開發(fā)板;LED燈;游戲;PCB;C語言

中圖分類號：TP3? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）23-0220-02

1 引言

5G將要到來，物聯(lián)網(wǎng)的應用越來越廣泛，許許多多的物聯(lián)網(wǎng)產品走進了人們的生活。基于LED的電子產品就是非常典型的例子。從交通燈到電視顯示屏等現(xiàn)代電子產品都與LED密切相關，所以學習、設計或了解LED產品都是非常有必要的事情。單片機是一種具有CPU的集成控制芯片，作為控制器被廣泛使用。本文將LED與ARDUINO單片機聯(lián)系在一起，基于ARDUINO單片機做了一系列有趣的LED開發(fā)。

2 迷你LED智能屏幕系統(tǒng)總體介紹

迷你LED智能點陣屏幕是基于ARDUINO開發(fā)板開發(fā)的。圍繞ARDUINO最小應用系統(tǒng)開發(fā)了數(shù)值顯示、時鐘、LED貪吃蛇等功能。功能核心是由ARDUINO主控芯片發(fā)送數(shù)據(jù)到74HC595位移緩存器，從而控制LED燈實現(xiàn)各種顯示功能。

2.1 電路設計

2.1.1 ARDUINO介紹

ARDUINO NANO是ARDUINO USB接口的微型版本，最大的不同是沒有電源插座以及USB接口是Mini-B型插座。ARDUINO NANO是尺寸非常小的而且可以直接插在面包板上使用。其處理器核心是ATMEGA328（NANO3.0），同時具有14路數(shù)字輸入/輸出口（其中6路可作為PWM輸出），8路模擬輸入，一個16MHz晶體振蕩器，一個MINI-B USB口，一個ICSPHEADER和一個復位按鈕。ARDUINO 編程環(huán)境可以跨平臺，而且該軟件可以在Windows Macintosh Osx Linux等操作系統(tǒng)上運行。ARDUINO的產品性價比高，可以自行設計，也可以購買很多完善的產品。

2.1.2 屏幕部分

74HC595位移緩存器是一個8位串行輸入、并行輸出的位移緩存器，并行輸出為三態(tài)輸出。在SCK 的上升沿，串行數(shù)據(jù)由SDL輸入到內部的8位位移緩存器，并由Q7'輸出，而并行輸出則是在LCK的上升沿將在8位位移緩存器的數(shù)據(jù)存入到8位并行輸出緩存器。當串行數(shù)據(jù)輸入端OE的控制信號為低時輸出使能，并行輸出端的輸出值等于并行輸出緩存器所存儲的值。器件圖如圖1所示。

引腳功能如下：

Q0～Q7：并行數(shù)據(jù)輸出端; GND：接地引腳; Q7S：串行數(shù)據(jù)輸出（多個芯片聯(lián)用時使用）;MR： 復位引腳，當引腳接低電平時芯片內部數(shù)據(jù)存儲寄存器數(shù)據(jù)清零復位，如不使用一般接高電平;SHCP：移位寄存器的時鐘輸入，當接收到上升沿時移位寄存器內部數(shù)據(jù)整體后移;STCP：數(shù)據(jù)存儲寄存器時鐘輸入，當檢測到上升沿時使能數(shù)據(jù)存儲寄存器，將芯片接收到的數(shù)據(jù)輸出到Q0～Q7，Q7S引腳。可以將其理解為鎖存信號，當數(shù)據(jù)發(fā)送給芯片完成后對該引腳發(fā)送上升沿;OE： 輸出使能引腳，為高電平時芯片輸出引腳為高組態(tài)，當為低電平時芯片輸出引腳為高（低）電平。該引腳可用于同時控制并行輸出引腳的電平，如控制LED閃爍等。當不使用該功能時通常接低電平;DS：串行數(shù)據(jù)輸入端;VCC：電源引腳。

智能小屏幕的顯示，將由其中的單片機向3個74HC595位移緩存器（橫向2個，縱向1個）寫入數(shù)據(jù)從而控制8*16個LED，進行亮滅操作進而實現(xiàn)多種功能。

2.1.3 硬件電路圖設計

智能小屏幕的電路圖是用Altium Designer軟件繪制的，他的系統(tǒng)電路原理圖如下。

圖中數(shù)據(jù)輸入輸出口分配：將A0數(shù)據(jù)口與橫向的其中一個74HC595位移緩存器的DS口連接，并將此移位緩存器的Q7S口與另一個橫向74HC595位移緩存器DS口連接（第一個緩存器溢出的數(shù)據(jù)會被第二個器件吸收）。同樣的將數(shù)據(jù)口A3與縱向移位緩存器連接。使用74HC595位移緩存器解決了接口不夠用的問題。

硬件設計采用上下兩層方便拆卸硬件構成設計如圖3。

3 軟件部分

軟件的設計由ARDUINO LED 軟件采用C++/C語言編寫，系統(tǒng)的流程圖如下。

數(shù)據(jù)信息經(jīng)過ARDUINO 的操控線寫入緩存器當中，通過不斷地改變顯示信息從而改變顯示狀態(tài)，實現(xiàn)各種各樣的效果。

軟件設計流程如下：

1） 首先編寫一個寫入顯示函數(shù)，主要能夠實現(xiàn)將一個狀態(tài)的顯示狀況寫到屏幕上;

2） 顯示功能的實現(xiàn)是先取字模，然后將字模數(shù)據(jù)寫入到顯示函數(shù)記錄數(shù)據(jù)狀態(tài)的數(shù)組里。這樣重置調用顯示函數(shù)即可根據(jù)新的數(shù)據(jù)在顯示屏上顯示相應的字母;

3） 秒表功能運用了ARDUINO單片機的定時器中斷的功能。每秒進行一個中斷，觸發(fā)中斷時中斷服務函數(shù)中對時間參數(shù)進行累加，將相應的時間參數(shù)寫入到字模數(shù)組里，再用顯示函數(shù)進行顯示就能夠實現(xiàn)秒表功能了;

4） LED貪吃蛇小游戲同樣是將數(shù)據(jù)顯示到寫入到顯示數(shù)組，調用顯示函數(shù)顯示， 通過外部的上下左右操作，改變LED顯示的狀態(tài)實現(xiàn)小蛇移動吃豆的功能，就基本實現(xiàn)了貪吃蛇小游戲。

4 結語

本文以ARDUINO 開發(fā)板為核心，以74HC595位移緩存器以及若干LED燈為輔助器件，設計了一款迷你的多功能LED點陣屏幕，有趣小巧。用ARDUINO單片機開發(fā)項目比使用51單片機要簡單快捷，且很容易上手學習，但是要對單片機系統(tǒng)有一定的理解。根據(jù)LED屏控制電路，先測試程序將所有燈點亮，然后再使用各種邏輯的控制實現(xiàn)各種各樣的功能，通過調試，基于ARDUINO單片機的LED屏系統(tǒng)達到了設計要求，并具有可操作性強、靈巧、便于學習、趣味性強等特點。

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【通聯(lián)編輯：代影】