基于51单片机的LED点阵汉字显示系统设计_电路方案

1 基于51单片机的LED点阵汉字显示系统设计

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1.1 系统概述与设计目标

LED点阵屏因其亮度高、显示直观、成本低、耐用性强等特点，被广泛应用于公交站牌、商场字幕屏、车载信息屏、门头招牌以及各类仪器设备的人机界面。对于单片机课程设计而言，点阵显示系统能综合训练学生在硬件接口、时序控制、显示扫描、数据组织与动态效果实现等方面的能力，具有很强的代表性和实践价值。

本设计以51单片机为核心控制器，采用4块16×16 LED点阵模块构成横向拼接显示区域，实现汉字“毕业快乐”的静态显示与滚动显示两种模式。系统要求在静态显示模式下，4块点阵分别显示“毕”“业”“快”“乐”四个汉字，字形饱满、亮度均匀；在滚动显示模式下，采用逐列移位的方式实现从右向左的平滑滚动效果，呈现类似公交站LED字幕屏的动态展示体验。

为了达到“字形饱满、亮度均匀、滚动平滑”的要求，系统必须在电路与程序上重点解决以下关键问题：

点阵扫描方式选择：16×16点阵一般采用行列扫描，若拼接4块，需要更合理的扫描策略与数据组织方式。
驱动能力与接口扩展：直接用51单片机IO驱动大规模LED会出现IO不足、驱动电流不足的问题，需引入锁存器/移位寄存器/行列驱动器等模块。
显示刷新与亮度控制：扫描刷新频率要足够高，以避免闪烁；同时要保证各列/各行占空比一致，使亮度均匀。
字库与显示缓存设计：汉字点阵数据需要以合适的数据结构存储，静态显示要快速刷新，滚动显示要高效移位并拼接四字序列。
滚动算法实现：逐列滚动要求将整条字幕视为一个连续的“列流”，在每次滚动时更新显示缓存，实现平滑移动。

2 系统功能设计

2.1 功能需求分析

系统主要功能由静态显示与滚动显示两部分组成，同时为了呈现稳定字幕屏效果，还必须具备基础的显示驱动与刷新机制。

2.1.1 静态显示功能

在4块16×16点阵模块上同时显示4个汉字：
- 第1块显示“毕”
- 第2块显示“业”
- 第3块显示“快”
- 第4块显示“乐”
字形要求：
- 笔画完整，不缺笔断线
- 比例协调，尽量居中
显示效果要求：
- 亮度均匀，不出现某些行/列明显更亮或更暗
- 无肉眼可见闪烁

静态显示的本质是：显示内容不变化，但系统仍需持续高速扫描刷新点阵，否则LED会熄灭或闪烁。因此静态显示依赖于稳定的扫描程序与恒定的数据源。

2.1.2 滚动显示功能

滚动显示需要将“毕业快乐”作为一个连续字符串，在4块点阵构成的横向屏幕上从右向左平滑滚动。滚动方式采用“逐列移位”，意味着：

每次滚动步进为1列像素（而不是整字跳动），平滑度更高。
在滚动过程中，“毕”“业”“快”“乐”会从右侧逐列进入显示区域，左侧逐列移出。
要实现类似公交站LED屏的感觉，滚动速度必须可控，且刷新与滚动应分离：
- 刷新频率高：保证无闪烁
- 滚动更新频率低：保证运动速度合适

滚动显示的实现关键在于“显示缓存”与“源数据流”的组织：必须将整个字幕的点阵数据按列拼接，滚动时从源数据取出下一列补到右端，并将缓存整体左移。

2.2 设计指标与性能要求

为了保证显示效果，本系统可设定如下建议指标（作为设计说明内容的丰富补充）：

显示刷新频率：≥100Hz（整屏刷新），肉眼基本无闪烁。
行扫描方式：16行扫描，每行点亮时间一致。
滚动速度：每列移动间隔约20ms_{80ms可调，常见字幕屏约30ms}50ms较舒适。
字库分辨率：16×16汉字点阵，满足笔画表现力。
显示宽度：4×16=64列，显示高度16行。

3 系统电路设计

3.1 硬件总体结构

系统硬件采用模块化设计，主要由以下模块组成：

51单片机最小系统模块
LED点阵显示模块（4块16×16点阵）
列数据输出与锁存模块（移位寄存器/锁存器）
行选通驱动模块（译码器/行驱动晶体管阵列）
电流驱动与限流模块（确保亮度与保护IO）
电源模块（5V供电、去耦与滤波）
可选：模式切换按键模块（若需要静态/滚动切换，可扩展）

本题目未要求按键切换，但在课程设计中常见“默认滚动 + 静态展示”或用按键切换模式。即便不加入按键，系统仍可在程序中按时间自动切换显示模式，使演示效果更丰富。

3.2 51单片机最小系统模块

3.2.1 模块功能

51单片机负责：

输出点阵列数据（通过移位寄存器或并行锁存）
控制行扫描时序
完成显示刷新任务
管理显示缓存与字模数据
实现滚动算法（逐列移位与新列补入）

3.2.2 关键电路要点

时钟电路：通常使用12MHz或11.0592MHz晶振，保证定时器计数稳定。
复位电路：上电复位+按键复位，便于调试。
去耦电容：单片机VCC与GND附近放置0.1uF，抑制数字开关噪声。
IO规划：点阵驱动需要较多控制信号，必须利用扩展芯片减少占用：
- 串行输出：数据(DATA)、时钟(CLK)、锁存(LATCH)即可驱动大量列数据
- 行选择：可用译码器（如74HC138）减少行控制IO占用

3.3 LED点阵显示模块（4块16×16）

3.3.1 模块功能与组成

16×16 LED点阵模块由16行×16列LED组成，每个像素点由行与列交叉决定点亮。点阵通常有两种极性结构：

共阳行/共阴列
共阴行/共阳列

无论哪种结构，本质都是通过扫描点亮：

在某一时刻选通一行（或一列）
同时在列端输出该行需要点亮的像素数据
快速切换行/列，利用视觉暂留形成完整图像

4块16×16拼接后形成64×16显示区域：

宽度：64列（适合显示长字幕与滚动）
高度：16行（满足16×16汉字字模）

3.3.2 亮度均匀性与扫描占空比

采用行扫描时，每次只点亮1行，单个LED的占空比约为1/16，因此为了亮度足够：

驱动电流需适当提高（但不能超过LED与驱动器承受能力）
扫描频率需足够高，避免闪烁
每行点亮时间应尽量一致，避免亮度不均
数据输出与行切换应避免“鬼影”（行切换瞬间列数据未稳定导致误亮）

3.4 列数据输出与锁存模块

3.4.1 模块功能

由于显示宽度达到64列，若直接用单片机并口输出64位数据，IO资源远远不够，必须采用扩展驱动方案。常见方案为：

74HC595串行输入并行输出移位寄存器：
- 每片提供8位并行输出
- 64列需要8片级联
- 单片机只需3根线：DATA、CLK、LATCH
74HC573/74HC574锁存器 + 并口扩展：
- 并口输出需要更多IO，不如595省引脚

在字幕屏设计中，74HC595是最常用方案之一：成本低、连线清晰、级联方便，尤其适合多列输出。

3.4.2 数据锁存与显示稳定性

移位寄存器存在“移位过程输出变化”的问题，因此需要锁存：

先把64位新列数据通过串行方式移入8片595
在移位完成后统一翻转LATCH，将数据同时更新到输出端
再选通行，使该行显示稳定

这个过程能显著减少鬼影与闪烁，保证显示清晰。

3.5 行选通驱动模块

3.5.1 模块功能

行选通决定当前显示哪一行（共16行）。若直接用16个IO控制行，浪费资源且不利于扩展，因此常用：

74HC154（4-16译码器）：4根地址线选择16行之一，输出为低有效或高有效视器件而定。
74HC138（3-8译码器）+扩展：两片组合实现16行选择。
行驱动晶体管阵列（如ULN2803）：用于行电流放大，保护译码器与单片机。

3.5.2 驱动能力与电流放大

一行点亮时可能同时点亮多个LED，行端电流较大：

若16列中点亮8个，行电流约为8×单LED电流
再乘以4块拼接的行并行关系（取决于行是否共用）

因此行驱动常需三极管/MOSFET或ULN2803进行电流放大，保证可靠驱动且不损坏逻辑芯片。

3.6 电源与滤波模块

3.6.1 模块功能

系统通常工作在5V供电，LED点阵电流波动大，容易造成电源纹波与干扰，电源模块需要：

提供稳定5V（USB/适配器/稳压模块）
在点阵供电处增加电解电容（如470uF~1000uF）缓冲电流冲击
在各逻辑芯片附近增加0.1uF去耦电容
合理布线，保证地线回流路径短且粗

3.6.2 亮度与功耗考虑

字幕屏点阵同时点亮的LED越多，电流越大，供电能力必须满足最大亮度时的电流需求。若供电不足，会出现：

亮度明显变暗
单片机复位或显示乱码（电源跌落）
因此电源设计是保证稳定显示的重要基础。

4 程序设计

4.1 软件总体架构

程序设计的核心目标是实现“高速稳定刷新 + 低速平滑滚动”。建议将软件划分为以下模块：

系统初始化模块（时钟、IO、定时器）
点阵驱动模块（74HC595移位与锁存、行选择）
显示刷新模块（行扫描中断/轮询刷新）
字模数据模块（16×16汉字字库：毕、业、快、乐）
静态显示模块（将4字映射到显示缓存）
滚动显示模块（将整句按列拼接，逐列左移更新缓存）
定时管理模块（刷新定时与滚动定时分离）

为了获得最佳显示效果，推荐使用定时器中断进行刷新扫描：

定时器每隔固定时间（如1ms）刷新下一行
主循环负责滚动更新（如每30ms更新一次缓存）
这种方式能避免主循环阻塞导致刷新不均匀，从而保证亮度一致。

4.2 显示数据组织方式

4.2.1 字模存储格式

16×16汉字通常按“行”存储，每行16列需要16位，可用2个字节表示，因此一个16×16汉字占用：

16行 × 2字节/行 = 32字节

可定义字模数组：

code unsigned char font_bi[32];
code unsigned char font_ye[32];
code unsigned char font_kuai[32];
code unsigned char font_le[32];

每两个字节对应一行的16列点亮信息：

高字节表示第0~7列
低字节表示第8~15列（或相反，视电路列映射）

4.2.2 显示缓存设计

由于屏幕宽度为64列，高度16行，可以将显示缓存按“行缓冲”设计：

每行64列 = 64位 = 8字节
16行总缓存 = 16×8 = 128字节

定义：

unsigned char disp_buf[16][8];
其中 disp_buf[row][byte] 表示第row行的第byte个字节数据。刷新扫描时，只需取出当前行的8字节，依次送入8片74HC595即可。

这种结构对静态显示与滚动显示都非常友好：

静态：直接把四个字按行拷贝到缓存对应位置
滚动：对每一行的64位进行左移，并在右端补入新列位

4.3 系统初始化模块

4.3.1 初始化内容

IO口初始化：DATA、CLK、LATCH、行选择地址线、蜂鸣器/指示灯（如有）
LCD无（本系统无LCD）
定时器初始化：
- 定时器0用于行扫描刷新
- 定时器1或软件计时用于滚动节拍

4.3.2 初始化示例代码

#include <reg52.h>

sbit SR_DATA  = P2^0;
sbit SR_CLK   = P2^1;
sbit SR_LATCH = P2^2;

// 行选择地址线示例（若使用4-16译码器）
sbit ROW_A = P1^0;
sbit ROW_B = P1^1;
sbit ROW_C = P1^2;
sbit ROW_D = P1^3;

void Timer0_Init(void)
{
    TMOD &= 0xF0;
    TMOD |= 0x01;      // 定时器0方式1
    TH0 = (65536 - 1000) >> 8;  // 1ms@12MHz(示例)
    TL0 = (65536 - 1000) & 0xFF;
    ET0 = 1;
    EA  = 1;
    TR0 = 1;
}

void System_Init(void)
{
    SR_DATA  = 0;
    SR_CLK   = 0;
    SR_LATCH = 0;

    ROW_A = 0; ROW_B = 0; ROW_C = 0; ROW_D = 0;

    Timer0_Init();
}

4.4 点阵驱动模块（74HC595输出）

4.4.1 模块功能

将当前行的64列数据通过串行方式送入8片级联的74HC595，并锁存输出。

4.4.2 输出函数示例

void ShiftOut_Byte(unsigned char dat)
{
    unsigned char i;
    for(i = 0; i < 8; i++)
    {
        SR_CLK = 0;
        SR_DATA = (dat & 0x80) ? 1 : 0;
        dat <<= 1;
        SR_CLK = 1;
    }
}

void Latch_Data(void)
{
    SR_LATCH = 0;
    SR_LATCH = 1;
}

4.4.3 发送一行64列数据

注意发送顺序要与硬件级联方向一致：若最先移入的数据对应最末端595输出，则需要反序发送。以下为一种常见方式：从高字节到低字节依次发送。

extern unsigned char disp_buf[16][8];

void Output_RowData(unsigned char row)
{
    unsigned char i;
    for(i = 0; i < 8; i++)
    {
        ShiftOut_Byte(disp_buf[row][i]);
    }
    Latch_Data();
}

4.5 行扫描刷新模块

4.5.1 刷新原理

行扫描的关键步骤：

关闭上一行（避免鬼影）
输出当前行列数据（64列）
选通当前行
保持短暂时间
切换到下一行

为了显示稳定，行扫描通常放在定时器中断里执行，保证每行点亮时间一致。

4.5.2 行选择函数示例

void Select_Row(unsigned char row)
{
    ROW_A = (row & 0x01) ? 1 : 0;
    ROW_B = (row & 0x02) ? 1 : 0;
    ROW_C = (row & 0x04) ? 1 : 0;
    ROW_D = (row & 0x08) ? 1 : 0;
}

4.5.3 定时器中断刷新示例

unsigned char cur_row = 0;

void Timer0_ISR(void) interrupt 1
{
    TH0 = (65536 - 1000) >> 8;
    TL0 = (65536 - 1000) & 0xFF;

    // 输出当前行数据并选通
    Output_RowData(cur_row);
    Select_Row(cur_row);

    cur_row++;
    if(cur_row >= 16) cur_row = 0;
}

若需要避免鬼影，可在切换行前先关闭行选通（例如将译码器使能关闭），再更新列数据后再开启行，这取决于实际硬件是否提供行使能控制脚。

4.6 字模数据模块（“毕”“业”“快”“乐”）

4.6.1 字模来源与处理方式

16×16汉字字模通常来自：

字模软件（如PC端点阵取模工具）
现成16×16国标字库（部分课程会提供）

本系统只需4个汉字，因此采用“定制字模数组”最简单：

存储量小（4×32=128字节）
查找快、实现简单

4.6.2 字模数组示例结构（示例数据非真实字模）

code unsigned char font_bi[32] = {
    0x00,0x00,0x7F,0xFE, /* ... 共32字节 ... */ 0x00,0x00
};

code unsigned char font_ye[32] = {
    0x00,0x00,0x3F,0xFC, /* ... */ 0x00,0x00
};

code unsigned char font_kuai[32] = {
    0x00,0x00,0x1F,0xF8, /* ... */ 0x00,0x00
};

code unsigned char font_le[32] = {
    0x00,0x00,0x0F,0xF0, /* ... */ 0x00,0x00
};

实际使用时应替换为正确的取模数据。为了保证字形饱满，建议在取模时选择合适字体（如黑体）、合适的粗细，并居中对齐。

4.7 静态显示模块

4.7.1 模块功能

将“毕”“业”“快”“乐”四个字分别映射到显示缓存disp_buf中，使其在4块16×16点阵上同时显示。由于每块宽16列，总宽64列，因此四字在缓存中的列位置分别为：

“毕”：第0~15列
“业”：第16~31列
“快”：第32~47列
“乐”：第48~63列

按行拷贝：每行16列（2字节），四字拼接就是每行8字节，正好对应disp_buf[row][0..7]。

4.7.2 静态写缓存示例

extern unsigned char disp_buf[16][8];

void Load_StaticText(void)
{
    unsigned char row;
    for(row = 0; row < 16; row++)
    {
        // 每行在字模中占2字节
        disp_buf[row][0] = font_bi[row*2];
        disp_buf[row][1] = font_bi[row*2 + 1];

        disp_buf[row][2] = font_ye[row*2];
        disp_buf[row][3] = font_ye[row*2 + 1];

        disp_buf[row][4] = font_kuai[row*2];
        disp_buf[row][5] = font_kuai[row*2 + 1];

        disp_buf[row][6] = font_le[row*2];
        disp_buf[row][7] = font_le[row*2 + 1];
    }
}

这样加载后，刷新中断会自动按行扫描显示，形成静态“四字同屏”。

4.8 滚动显示模块（逐列左移）

4.8.1 滚动显示的核心思路

滚动显示最关键的是把整句“毕业快乐”看作一个连续的“列流”。由于每个字宽16列，四个字总宽为64列。若只滚动一次显示窗口，理论上可以直接将64列数据当作源，然后移动窗口显示；但为了实现“从右向左进入、滚动循环播放”的字幕屏效果，通常要在两端加入空白列作为间隔：

左右加入若干空白列（例如16列空白），使字与字之间不粘连、滚动更像字幕。

因此可构建一个更长的滚动源：

源宽度 = 空白间隔 + 64列字数据 + 空白间隔
也可以把4字循环拼接为无限流，采用取模方式不断取新列。

在实现上最简单可靠的方式是：

准备一个“列源数组”，每一列包含16行的点亮信息（即16位）。
每次滚动：
- 显示缓存整体左移1列
- 从列源取出下一列补到显示缓存最右侧
滚动索引到末尾后回到开头，实现循环滚动。

4.8.2 行缓冲左移实现方法

因为disp_buf按行存储，每行是8字节（64列），要整体左移一列，可以对每行执行“位级左移”：

逐字节移位并带进位（carry）
最右侧空出的最低位由“新列位”补入（或最高位补入，取决于你的列方向定义）

4.8.3 构建列源（按列组织）

静态字模是按行组织的，滚动更适合按列组织。可以在初始化时将四字字模转换成列源。列源中每列用16位表示该列16行点亮情况：

bit0表示第0行
bit15表示第15行
或反过来，需与行扫描极性一致。

为避免占用大量RAM，可将列源存放在代码区（code），但列源生成更复杂。课程设计中常用方法是直接手工准备按列的数据或在PC端生成。若要在单片机端生成，也可在初始化时将行字模转换成列源缓存在RAM（列数不多时可行）。

4.8.4 滚动左移与补列示例代码（核心算法）

以下示例假设：

每次滚动从列源取出“新列”的16位数据new_col
new_col的第row位表示该行最右侧新像素点的点亮状态
disp_buf[row][0]为最左侧字节，disp_buf[row][7]为最右侧字节
左移表示文字向左移动（从右往左滚动）

unsigned int Get_NextColumn(void); // 返回16位列数据（示例框架）
unsigned int scroll_index = 0;

void Scroll_Left_Once(void)
{
    unsigned char row, b;
    unsigned int new_col = Get_NextColumn(); // 16行的列数据

    for(row = 0; row < 16; row++)
    {
        unsigned char carry = 0, next_carry = 0;

        // 对一行的8字节进行位级左移
        for(b = 0; b < 8; b++)
        {
            next_carry = (disp_buf[row][b] & 0x80) ? 1 : 0; // 最高位将移出
            disp_buf[row][b] <<= 1;
            disp_buf[row][b] |= carry;
            carry = next_carry;
        }

        // 最右侧补入新列像素：放入最后一个字节的最低位
        // 若需要补入最高位，则应调整移位方向与补位位置
        if(new_col & (1 << row))
            disp_buf[row][7] |= 0x01;
        else
            disp_buf[row][7] &= 0xFE;
    }
}

该算法实现了整屏逐列左移，并在最右侧补入新列数据，实现平滑滚动的核心效果。

4.9 滚动列源读取模块

4.9.1 模块功能

提供函数 Get_NextColumn()，每次返回滚动序列中的下一列16位数据，并更新索引，实现循环滚动。

4.9.2 列源组织建议

可以定义一个列源数组：

code unsigned int col_stream[STREAM_LEN];
其中每个元素是16位列数据，STREAM_LEN为列数总长度。列源内容可包含：
前导空白列（全0）
“毕”“业”“快”“乐”逐列数据
尾随空白列（全0）
这样滚动时更像字幕屏，字与字之间有间隔。

4.9.3 读取函数示例

#define STREAM_LEN 96

code unsigned int col_stream[STREAM_LEN] = {
    // 这里应填入真实列数据：前若干0 + 文字列 + 若干0
    // 示例省略
};

unsigned int Get_NextColumn(void)
{
    unsigned int col = col_stream[scroll_index];
    scroll_index++;
    if(scroll_index >= STREAM_LEN) scroll_index = 0;
    return col;
}

在课程设计说明中，可以强调：列源数据可以通过上位机工具生成，避免在单片机端做复杂转换，从而提升可靠性与开发效率。

4.10 静态与滚动模式管理模块

4.10.1 模式切换策略

即使题目未要求按键切换，也可以在程序中设计时间切换：

上电先静态显示3秒
然后进入滚动显示循环
或加入按键：按一下切换静态/滚动。

4.10.2 简单模式控制示例

bit mode_scroll = 0;
unsigned int ms_cnt = 0;

void Main_Task(void)
{
    // 假设每次调用间隔为10ms
    ms_cnt += 10;

    if(ms_cnt < 3000)
    {
        if(mode_scroll != 0)
        {
            mode_scroll = 0;
            Load_StaticText();
        }
    }
    else
    {
        mode_scroll = 1;
    }

    if(mode_scroll)
    {
        static unsigned int scroll_tick = 0;
        scroll_tick += 10;
        if(scroll_tick >= 40) // 40ms滚动一步
        {
            scroll_tick = 0;
            Scroll_Left_Once();
        }
    }
}

4.11 主程序框架与任务调度

4.11.1 程序运行机制说明

定时器中断：负责行扫描刷新（高频，保证稳定）
主循环：负责模式管理、滚动更新（低频，控制速度）

这种“刷新与滚动分离”的结构非常适合LED点阵字幕屏：刷新越稳定，亮度越均匀；滚动越规律，运动越平滑。

4.11.2 主程序示例

void Delay_ms(unsigned int ms);

unsigned char disp_buf[16][8];

int main(void)
{
    System_Init();
    Load_StaticText();

    while(1)
    {
        Main_Task();
        Delay_ms(10);
    }
}

5 显示效果优化与工程实现要点

5.1 鬼影与闪烁问题的解决思路

若出现鬼影（不该亮的点短暂亮起），通常原因是：

行切换时列数据未稳定
锁存时序不合理
行驱动未关闭导致切换瞬间误亮

解决策略：

切换行前先关闭行使能
更新列数据并锁存后再开启行
保证移位与锁存的时序稳定
适当增加几个微秒延时让信号稳定

5.2 亮度均匀性优化

亮度不均常见原因：

刷新周期不稳定（主循环刷新导致某些行显示时间更长）
行驱动电流不足或某些行压降更大
电源纹波导致亮度随电流变化

优化策略：

用定时器中断固定周期刷新
行驱动使用晶体管/ULN2803增强驱动
增加电源滤波电容与合理走线

5.3 滚动平滑性与速度控制

滚动过快会看不清，过慢则缺乏字幕屏动感。建议：

滚动步进固定为1列
时间间隔推荐30ms~60ms
可通过按键或电位器（扩展）调整速度

5.4 字模质量与视觉效果

“字形饱满”高度依赖字模质量：

取模时选择黑体或等线体更适合点阵显示
字形应居中，四边留空合理
笔画不能过细，否则16×16分辨率下容易断笔
可以针对点阵特性做手工微调，使“毕”“业”“快”“乐”更美观

6 总结

基于51单片机的LED点阵汉字显示系统通过4块16×16点阵模块构建64×16显示区域，实现了“毕业快乐”的静态同屏显示与从右向左的逐列平滑滚动显示，具备字幕屏典型的视觉效果。系统在硬件上采用移位寄存器输出与行扫描驱动相结合的方案，有效解决了IO资源不足与驱动能力不足的问题，并通过锁存更新与定时器扫描保证显示稳定、亮度均匀。

在软件设计上，系统采用“高频刷新 + 低频滚动”的结构，将点阵扫描刷新交由定时器中断处理，从而保证每行点亮时间一致，避免闪烁与亮度不均；同时通过显示缓存与逐列移位算法实现平滑滚动，使文字在64列宽屏幕上连续移动，呈现类似公交站LED字幕屏的动态展示体验。通过合理的字模组织、缓存映射与滚动列源管理，系统不仅能够完成既定显示任务，还具备良好的扩展能力，可进一步实现更多汉字、更多特效（闪烁、反显、速度调节、多行滚动）与更大尺寸字幕屏的升级设计。

基于51单片机的LED点阵汉字显示系统设计