基于51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)數(shù)碼管顯示

前言

前面我們已經(jīng)介紹了如何使用51單片機(jī)控制靜態(tài)數(shù)碼管顯示，在實(shí)際應(yīng)用中通常都需要顯示多位數(shù)值，如果采用靜態(tài)數(shù)碼管顯示就不夠好，因此就需要采用另外一種顯示方式，即數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示。開發(fā)板上板載2 個(gè)四位一體的共陰數(shù)碼管，接下來我們就來介紹下如何使用51 單片機(jī)控制動(dòng)態(tài)數(shù)碼管顯示。本教程所要實(shí)現(xiàn)的功能是：控制動(dòng)態(tài)數(shù)碼管從左至右顯示數(shù)字0-7。學(xué)習(xí)本節(jié)可以參考前面的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

一、數(shù)碼管介紹

1.多位數(shù)碼管簡介

多位數(shù)碼管，即兩個(gè)或兩個(gè)以上單個(gè)數(shù)碼管并列集中在一起形成一體的數(shù)碼管。當(dāng)多位一體時(shí)，它們內(nèi)部的公共端是獨(dú)立的，而負(fù)責(zé)顯示什么數(shù)字的段線（a-dp）全部是連接在一起的，獨(dú)立的公共端可以控制多位一體中的哪一位數(shù)碼管點(diǎn)亮，而連接在一起的段線可以控制這個(gè)能點(diǎn)亮數(shù)碼管亮什么數(shù)字，通常我們把公共端叫做“位選線”，連接在一起的段線叫做“段選線”，有了這兩個(gè)線后，通過單片機(jī)及外部驅(qū)動(dòng)電路就可以控制任意的數(shù)碼管顯示任意的數(shù)字了。

一般一位數(shù)碼管有10 個(gè)引腳， 二位數(shù)碼管也是10 個(gè)引腳， 四位數(shù)碼管是12 個(gè)引腳，關(guān)于具體的引腳及段、位標(biāo)號(hào)大家可以查詢相關(guān)資料，最簡單的辦法就是用數(shù)字萬用表測量，若沒有數(shù)字萬用表也可用5V 直流電源串接1k 電阻后測量，將測量結(jié)果記錄，通過統(tǒng)計(jì)便可繪制出引腳標(biāo)號(hào)。多位數(shù)碼管有許多是按一定要求設(shè)計(jì)的，引腳不完全按照一般規(guī)則設(shè)定，所以需要在使用時(shí)查找手冊(cè)，最直接的辦法就是按照數(shù)碼管上的標(biāo)示向生產(chǎn)商要求。

我們開發(fā)板上使用了2 個(gè)四位一體的共陰數(shù)碼管，這樣可在上面同時(shí)顯示8個(gè)數(shù)值。

2.數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示原理

多位數(shù)碼管依然可以靜態(tài)顯示，但是顯示時(shí)要么只顯示一位數(shù)碼管，要么多位同時(shí)顯示相同內(nèi)容。當(dāng)多位數(shù)碼管應(yīng)用于某一系統(tǒng)時(shí)，它們的“位選”是可獨(dú)立控制的，而“段選”是連接在一起的，我們可以通過位選信號(hào)控制哪幾個(gè)數(shù)碼管亮，而在同一時(shí)刻，位選選通的所有數(shù)碼管上顯示的數(shù)字始終都是一樣的，因?yàn)樗鼈兊亩芜x是連接在一起的，送入所有數(shù)碼管的段選信號(hào)都是相同的，所以它們顯示的數(shù)字必定一樣，數(shù)碼管的這種顯示方法叫做靜態(tài)顯示。

而動(dòng)態(tài)顯示，就是利用減少段選線，分開位選線，利用位選線不同時(shí)選擇通斷，改變段選數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)的。比如在第一次選中第一位數(shù)碼管時(shí)，給段選數(shù)據(jù)0，下一次位選中第二位數(shù)碼管時(shí)顯示1。為了在顯示1 的時(shí)候，0 不會(huì)消失（當(dāng)然實(shí)際上是消失了），必須在人肉眼觀察不到的時(shí)間里再次點(diǎn)亮第一次點(diǎn)亮的0。而這時(shí)就需要記住，人的肉眼正常情況下只能分辨變化超過24ms 間隔的運(yùn)動(dòng)。也就是說，在下一次點(diǎn)亮0 這個(gè)數(shù)字的時(shí)間差不得大于24ms。這時(shí)就會(huì)發(fā)現(xiàn)，數(shù)碼管點(diǎn)亮是在向右或者向左一位一位點(diǎn)亮，形成了動(dòng)態(tài)效果。如果把間隔時(shí)間改長就能直接展現(xiàn)這一現(xiàn)象。

數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示的應(yīng)用非常多，所以大家一要認(rèn)真學(xué)好數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)顯示方法。

二、74HC245 和74HC138 芯片介紹

通過前面內(nèi)容的介紹我們知道，要使單片機(jī)能控制開發(fā)板上2 位一體的共陰數(shù)碼管顯示，僅靠單片機(jī)IO 口來驅(qū)動(dòng)是不行的，這里就需要增加外部驅(qū)動(dòng)芯片，開發(fā)板上使用的是74HC245 芯片。2 個(gè)4 位一體的共陰數(shù)碼管的位選線有8 根，直接讓單片機(jī)IO 口控制是沒有任何問題的，但考慮到51 單片機(jī)IO 口資源的限制，通常我們會(huì)使用一種IO 擴(kuò)展芯片，比如74HC138、74HC164、74HC595 芯片等，只需要很少的單片機(jī)IO 口就可以擴(kuò)展出8 個(gè)控制口，通過級(jí)聯(lián)方式甚至可擴(kuò)展出更多的控制口（這個(gè)在后面LED 點(diǎn)陣實(shí)驗(yàn)章節(jié)中會(huì)有詳細(xì)介紹）。我們開發(fā)板上使用的是74HC138 譯碼器芯片，只需單片機(jī)3 個(gè)IO 口就可以實(shí)現(xiàn)8 個(gè)位選管腳的控制，節(jié)省了芯片的IO 資源。

下面就來看看這兩個(gè)芯片功能及使用方法：

1.74HC245介紹

74HC245 是一種三態(tài)輸出、八路信號(hào)收發(fā)器，主要應(yīng)用于大屏顯示，以及其它的消費(fèi)類電子產(chǎn)品中增加 驅(qū)動(dòng) 。

（1）主要特性

①采用CMOS 工藝

②寬電壓工作范圍：3.0V-5.0V

③雙向三態(tài)輸出

④八線雙向收發(fā)器

⑤封裝形式：SOP20、SOP20-2、TSSOP20、DIP20

（2）管腳功能定義

從上面的管腳功能定義說明及真值表可以知道該芯片使用方法很簡單，給OE使能管腳低電平，DIR 管腳為高電平傳輸方向是A->B 輸出，DIR 為低電平傳輸方向是B->A，至于輸出高電平還是輸出低電平取決于輸入端的狀態(tài)，如果輸入為低電平，輸出即為低；輸入為高電平，輸出即為高。如果OE 使能管腳為高電平，不論DIR 管腳是高還是低，輸出是高組態(tài)。

通常我們使用74HC245 芯片用作驅(qū)動(dòng)只會(huì)讓其在一個(gè)方向輸出，即DIR 管腳為高電平，傳輸方向是A->B。

2.74HC245介紹

74HC138D 是一種三通道輸入、八通道輸出譯碼器，主要應(yīng)用于消費(fèi)類電子產(chǎn)品。

（1）主要特性

①采用CMOS 工藝

②低功耗

③工作電壓：3.0V-5.0V

④封裝形式：SOP16

（2）管腳功能定義

從上面的管腳功能定義說明及真值表可以知道該芯片使用方法很簡單，給E1、E2 使能管腳低電平，E3 管腳為高電平，至于哪個(gè)管腳輸出有效電平（低電平），要看A0，A1，A2 輸入管腳的電平狀態(tài)。如果A0，A1，A2 都為低電平，則Y0 輸出有效電平（低電平），其他管腳均輸出高電平。如果A0 為高電平，A1，A2 都為低電平，則Y1 輸出有效電平（低電平），其他管腳均輸出高電平。其他幾種輸出大家可以對(duì)照真值表查看。如果E1、E2 使能管腳任意一個(gè)為高電平或者E3 為低電平，不論輸入是什么，輸出都為高電平。

這里給大家總結(jié)一個(gè)方法：A0、A1、A2 輸入就相當(dāng)于3 位2 進(jìn)制數(shù)，A0 是低位，A1 是次高位，A2 是高位。而Y0-Y7 具體哪一個(gè)輸出有效電平，就看輸入二進(jìn)制對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)值。比如輸入是101（A2，A1，A0），其對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)是5，所以Y5 輸出有效電平（低電平）。

三、硬件設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)使用到硬件資源如下：

（1）動(dòng)態(tài)數(shù)碼管模塊

（2）74HC138

開發(fā)板上的動(dòng)態(tài)數(shù)碼管模塊電路如下圖所示：

從上圖中可以看出，該電路是獨(dú)立的，動(dòng)態(tài)數(shù)碼管的控制管腳并未直接連接到51 單片機(jī)的IO 上，而是段選端連接到J6 端子上，位選端連接到J1 端子上。段選端通過74HC245 芯片驅(qū)動(dòng)這兩個(gè)共陰數(shù)碼管的a-dp 段。

如果要想51 單片機(jī)控制動(dòng)態(tài)數(shù)碼管，就必須將單片機(jī)管腳通過導(dǎo)線連接到J6 端子和J1 端子上。因此需使用一根8Pin 排線將單片機(jī)的管腳與J6 端子順序連接，使用一根8Pin 排線將38 譯碼器的輸出J10 端子與J1 端子順序連接，使用3 根杜邦線將單片機(jī)的管腳與J9 端子連接。由于動(dòng)態(tài)數(shù)碼管模塊電路是獨(dú)立的，所以使用任意單片機(jī)管腳都可以，為了與我們例程程序配套，這里使用P0口控制數(shù)碼管段選，使用P2.2、P2.3、P2.4 管腳控制74HC138 譯碼器輸入從而控制數(shù)碼管位選。

注意 ：要保證P0 口的P00 與A 段到P0 口的P07 與DP 段依次順序連接，單片機(jī)的P22、P23、P24 口與38 譯碼器的A、B、C 連接，38 譯碼器的輸出J10 端子的Y0-Y7 與位選端子J1 的W1-W8 連接，不能交叉，否則使用例程程序就會(huì)出錯(cuò)，默認(rèn)我們已經(jīng)使用8 個(gè)黃色短接片將38 譯碼器的輸出J10 與數(shù)碼管位選J1短接好。

四、軟件設(shè)計(jì)

本教程所要實(shí)現(xiàn)的功能是：控制動(dòng)態(tài)數(shù)碼管從左至右顯示數(shù)字0-7。

#include< reg52.h >
typedef unsigned int u16;
typedef unsigned char u8;
#define SMG_A_DP_PORT  P0//宏定義 定義段選
sbit LSA=P2^2;//定義位選
sbit LSB=P2^3;
sbit LSC=P2^4;


u8 gsmg_code[17]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,
0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71};//共陰極數(shù)碼管


void delay_10us(u16 time_us)
{
    while(time_us--);
}


void smg_display(void)
{
  u8 i=0;
  for(i=0;i< 8;i++)
  {
       switch(i)//位選
    {
      case 0: LSC=0;LSB=0;LSA=0;break;
      case 1: LSC=0;LSB=0;LSA=1;break;
      case 2: LSC=0;LSB=1;LSA=0;break;
      case 3: LSC=0;LSB=1;LSA=1;break;
      case 4: LSC=1;LSB=0;LSA=0;break;
      case 5: LSC=1;LSB=0;LSA=1;break;
      case 6: LSC=1;LSB=1;LSA=0;break;
      case 7: LSC=1;LSB=1;LSA=1;break;
    }
    SMG_A_DP_PORT=gsmg_code[i];//傳送段選數(shù)據(jù)
    delay_10us(100);//延時(shí)一段時(shí)間，等待顯示穩(wěn)定
    SMG_A_DP_PORT=0x00;//消音
  }
}


void main()
{

    while(1)
  {
     smg_display();
  }
}

其中對(duì)于依次輸出段選信號(hào)時(shí)的for循環(huán)可以改為如下片段：

void smg_display(void)
{
  u8 i=0;


  for(i=0;i< 8;i++)
  {
       switch(7-i)//位選
    {
      case 0: LSC=1;LSB=1;LSA=1;break;
      case 1: LSC=1;LSB=1;LSA=0;break;
      case 2: LSC=1;LSB=0;LSA=1;break;
      case 3: LSC=1;LSB=0;LSA=0;break;
      case 4: LSC=0;LSB=1;LSA=1;break;
      case 5: LSC=0;LSB=1;LSA=0;break;
      case 6: LSC=0;LSB=0;LSA=1;break;
      case 7: LSC=0;LSB=0;LSA=0;break;
    }
    SMG_A_DP_PORT=gsmg_code[i];//傳送段選數(shù)據(jù)
    delay_10us(100);//延時(shí)一段時(shí)間，等待顯示穩(wěn)定
    SMG_A_DP_PORT=0x00;//消音
  }
}

main.c 文件內(nèi)代碼非常少也很簡單，首先將51 單片機(jī)的頭文件包含進(jìn)來，然后定義38 譯碼器的控制引腳，并將共陰數(shù)碼管0-F 段碼數(shù)據(jù)使用數(shù)組定義好。主函數(shù)功能也很簡單，直接進(jìn)入while 循環(huán)，在循環(huán)體內(nèi)執(zhí)行smg_display()數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示函數(shù)。該函數(shù)是根據(jù)動(dòng)態(tài)數(shù)碼管顯示原理所編寫，即選中所要顯示的那位數(shù)碼管，然后發(fā)送在該位數(shù)碼管上所要顯示的段碼數(shù)據(jù)，延時(shí)一定時(shí)間后在將段選口清零即消隱（消除之前的顯示），如此循環(huán)8 次即可實(shí)現(xiàn)8 位數(shù)碼管顯示。在動(dòng)態(tài)顯示中，要注意延時(shí)時(shí)間，只要保證在人肉眼所能感覺時(shí)間之內(nèi)即可，讓我們看到所要顯示的內(nèi)容就像是同時(shí)顯示一樣。如果時(shí)間過長或者過短都可能會(huì)影響數(shù)碼管的顯示效果，大家可以在例程基礎(chǔ)上試著修改延時(shí)時(shí)間觀察效果。