玩转LED：从二进制计数器到点阵显示动画

### 玩转LED：从二进制计数器到点阵显示动画 #### 1. 二进制计数器与芯片级联 在电子电路中，当需要扩展输出引脚时，我们可以使用外部集成电路（IC），比如74HC595移位寄存器。以两个74HC595芯片级联为例，第二个595芯片的接线方式与第一个基本相同，时钟（Clock）和锁存（Latch）引脚连接到第一个595芯片的对应引脚。同时，将第一个芯片（IC 1）的第9引脚（数据输出引脚）连接到第二个芯片（IC 2）的第14引脚（数据输入引脚）。 数据从Arduino输入到第一个IC的第14引脚，然后通过IC 1的第9引脚将数据输出到IC 2的第14引脚，实现芯片的级联。当输入第9位及以上的数据时，IC 1中的数据会从其数据引脚移出，进入第二个IC的数据引脚。当Arduino通过数据线发送完所有16位数据后，最先发送的8位数据会从第一个芯片移出并进入第二个芯片，即第二个595芯片包含最先发送的8位数据，第一个595芯片包含第9到16位数据。这种方式几乎可以无限级联595芯片。 这里有一个小练习：使用项目18的相同电路和全部16个LED，重现《霹雳游侠》（Knight Rider）或赛昂（Cylon）的灯光效果，让LED在16个灯之间来回闪烁。 使用外部IC来扩展Arduino输出引脚有很多好处。虽然不使用外部IC也能完成这些项目，但移位寄存器让工作变得轻松许多。如果不使用移位寄存器，项目代码会变得更加复杂。专门设计用于接收串行数据并以并行方式输出的IC，非常适合以这种方式控制LED灯组。 在面对外部IC时，不要被吓倒。仔细、有条理地阅读数据手册，就能了解它们的工作原理。数据手册乍一看很复杂，但剔除无关数据后，就能明白芯片的工作方式。 #### 2. 二进制计数器相关概念总结 在这部分内容中，涉及到了多个重要的概念和技术： - **二进制数系统**：了解二进制数与十进制数之间的相互转换方法。 - **移位寄存器的使用**：掌握如何使用移位寄存器输入串行数据并输出并行数据。 - **外部IC的作用**：明白使用外部IC可以降低项目的复杂度。 - **函数调用参数传递**：学会在函数调用时传递参数。 - **布尔类型变量**：掌握布尔类型变量的使用。 - **位运算符**：理解位运算符的概念和使用方法，例如使用位运算符创建位掩码。 - **芯片级联**：学会如何级联两个或更多的移位寄存器。 #### 3. LED点阵显示基础 前面我们主要处理的是单个5mm的LED，而现在要介绍一种新的LED封装形式——点阵显示屏。最常见的点阵显示屏是8×8的矩阵，总共包含64个LED。此外，还有双色点阵显示屏（如红色和绿色），甚至RGB点阵显示屏，后者可以显示任何颜色，单个显示封装中总共包含192个LED。 接下来要进行的项目是在标准的单色8×8点阵显示屏上显示图像和文本。首先从一个简单的示例开始，在8×8显示屏上创建动画图像，然后再进行更复杂的显示项目。在这个过程中，我们将学习到一个非常重要的概念——多路复用（multiplexing）。 #### 4. 项目19：LED点阵显示基础动画 ##### 4.1 所需部件 要完成这个项目，需要以下部件： - 2个74HC595移位寄存器IC - 8个限流电阻 - 一个共阳极（C+）8×8点阵显示屏 - 显示屏的数据手册，用于了解引脚与行、列的连接关系 ##### 4.2 电路连接 在连接电路时，要仔细查看电路图。在电路完成之前，切勿将Arduino连接到USB电缆或电源，否则可能会损坏移位寄存器或点阵显示屏。这是一个复杂的接线过程，要小心操作，确保连接缓慢且有条理。 不同的点阵显示屏可能具有不同的引脚排列，因此必须阅读所购买显示屏的数据手册，以确保移位寄存器的正确输出引脚连接到点阵显示屏的正确引脚。为了方便操作，下面的表格列出了移位寄存器的引脚与点阵显示屏的连接关系： | 移位寄存器1 | 移位寄存器2 | 点阵显示屏 | | --- | --- | --- | | Pin 15 | | Row 1 | | Pin 1 | | Row 2 | | Pin 2 | | Row 3 | | Pin 3 | | Row 4 | | Pin 4 | | Row 5 | | Pin 5 | | Row 6 | | Pin 6 | | Row 7 | | Pin 7 | | Row 8 | | | Pin 15 | Column 1 | | | Pin 1 | Column 2 | | | Pin 2 | Column 3 | | | Pin 3 | Column 4 | | | Pin 4 | Column 5 | | | Pin 5 | Column 6 | | | Pin 6 | Column 7 | | | Pin 7 | Column 8 | 通过参考这个表格和点阵显示屏的原理图，就能确定移位寄存器的引脚与LED显示屏引脚的具体连接方式。 ##### 4.3 代码输入与库安装 在确认电路连接正确后，需要输入以下代码并上传到Arduino： ```cpp // Project 19 #include <TimerOne.h> int latchPin = 8; //Pin connected to Pin 12 of 74HC595 (Latch) int clockPin = 12; //Pin connected to Pin 11 of 74HC595 (Clock) int dataPin = 11; //Pin connected to Pin 14 of 74HC595 (Data) byte led[8]; // 8 element unsigned integer array to store the sprite void setup() { pinMode(latchPin, OUTPUT); // set the 3 digital pins to outputs pinMode(clockPin, OUTPUT); pinMode(dataPin, OUTPUT); led[0] = B11111111; // enter the binary representation of the image led[1] = B10000001; // into the array led[2] = B10111101; led[3] = B10100101; led[4] = B10100101; led[5] = B10111101; led[6] = B10000001; led[7] = B11111111; // set a timer of length 10000 microseconds (1/100th of a second) Timer1.initialize(10000); // attach the screenUpdate function to the interrupt timer Timer1.attachInterrupt(screenUpdate); } void loop() { for (int i=0; i<8; i++) { led[i]= ~led[i]; // invert each row of the binary image } delay(500); } void screenUpdate() { // function to display image byte row = B10000000; // row 1 for (byte k = 0; k < 9; k++) { digitalWrite(latchPin, LOW); // open latch ready to receive data shiftIt(~led[k] ); // shift out the LED array (inverted) shiftIt(row ); // shift out row binary number // Close the latch, sending the data in the registers out to the matrix digitalWrite(latchPin, HIGH); row = row << 1; // bitshift left } } void shiftIt(byte dataOut) { // Shift out 8 bits LSB first, on rising edge of clock boolean pinState; digitalWrite(dataPin, LOW); //clear shift register read for sending data for (int i=0; i<8; i++) { // for each bit in dataOut send o ```