8266+DS3231时钟之显示TM1638的使用【四】上

今天继续8266+DS3231时钟项目的显示部分功能的详解。这个时钟系列的前的三篇分别是：
《8266+DS3231时钟之开发个时钟遇到的N个坑【一】》
《8266+ds3231时钟之arduino官网发布的DS3231库的分析【二】》
《8266+DS3231时钟之DS3231具体实现及代码【三】》
有兴趣的可以去看看，如果觉得对你有帮助，请点个赞。

一、概述

时钟采用TM1638芯片去驱动数码管和按键。由于同时要驱动十个数码管和8个按键，这里采用TM1638这个强大的数码管驱动芯片。功能上，十个数码管分别显示月、日、时、分共8个数码管，温度占用2个数码管。其中月、日、时、分的显示采用共阴管，而温度显示采用共阳管。这里大家可以先看看成品电路的效果，具体如下图：

由于板子是半成品，还没有做外壳，所以这里先用红字标上管的显示内容，以期能理解。至于为什么有共阴也有共阳的数码管，这里主要是因为TM1638的显示能力是8位10段。由于8个数码管我们实际只用到了7段（a、b、c、d、e、f、g）就够显示了，所以每个管还剩3段的显示能力，也就是3段*8位。这样我在设计时把这3段的显示能力中，一段分配给了秒的显示（如上图），二段8位用于温度的显示。这里看不明白不要紧，具体在下面理解完芯片的引脚能力会，就自然明白了。

二、TM1638的数据手册介绍

以下内容是摘自TM1638的数据手册，放在这里是为了方便阅读，当然也可以自已去度娘下载。要用好TM1638必须清楚数据手册里讲的内容，否则在后面的驱动程序的部分是没法看明白的。由于原文的例子中有些有错误，我在摘录时已修改，因此有原文的人在阅读原文时要注意。

TM1638是带键盘扫描接口的LED（发光二极管显示器）驱动控制专用电路，内部集
成有MCU 数字接口、数据锁存器、LED 高压驱动、键盘扫描等电路。

1、 特性说明

• 采用功率CMOS 工艺
• 显示模式 10 段×8 位
• 键扫描（8×3bit）
• 辉度调节电路（占空比8 级可调）
• 串行接口（CLK，STB，DIO）
• 振荡方式：RC 振荡（450KHz+5%）
• 内置上电复位电路
• 采用SOP28封装

2、管脚定义

注意：DIO口输出数据时为N管开漏输出，在读键的时候需要外接1K-10K的上拉电阻。推荐10K的
上拉电阻。DIO在时钟的下降沿控制N管的动作，此时读数时不稳定，你可以参考图（6），在时钟的上升沿读数才时稳定。

3、显示寄存器地址和显示模式

显示寄存器地址和显示模式：
该寄存器存储通过串行接口从外部器件传送到TM1638 的数据，地址从00H-0FH共16字节单元，
分别与芯片SGE和GRID管脚所接的LED灯对应，分配如下图：
（写LED显示数据的时候，按照从显示地址从低位到高位，从数据字节的低位到高位操作。）

（这里表格产生了向左的错位，我用箭头标出了错位的对应界限，看时请注意）
写LED显示数据的时候，按照从低位地址到高位地址，从字节的低位到高位操作；在运用中
没有使用到的SEG输出口，在对应的BIT地址位写0。
这里，我用一个具体的例子来说明，就比较好明白上表的使用方法了。
数码管的段的定义如下：

如果此时要显示0这个数，那么对应的需要点亮的段为A、B、C、D、E、F这六个段

4、键扫描和键扫数据寄存器

键扫矩阵为8×3bit，如图（3）所示：

键扫数据储存地址如下所示，先发读键命令后，开始读取按键数据BYTE1—BYTE4字节，
读数据从低位开始输出；芯片K和KS引脚对应的按键按下时，相对应的字节内的 BIT位为1。

注意：
1、TM1638最多可以读4个字节，不允许多读。
2、读数据字节只能按顺序从BYTE1-BYTE4读取，不可跨字节读。例如：硬件上的K2与KS8
对应按键按下时，此时想要读到此按键数据，必须需要读到第4个字节的第5BIT位，才可读出数据；当K1与KS8，K2与KS8，K3与KS8三个按键同时按下时，此时BYTE4所读数据的B4，B5，B6位均为1
3、组合键只能是同一个KS，不同的K引脚才能做组合键；同一个K与不同的KS引脚不可以
做成组合键使用。

5、指令说明

指令用来设置显示模式和LED 驱动器的状态。
在STB下降沿后由DIO输入的第一个字节作为一条指令。经过译码，取最高B7、B6两位比特位以区别不同的指令。

如果在指令或数据传输时STB被置为高电平，串行通讯被初始化，并且正在传送的指令或数据
无效（之前传送的指令或数据保持有效）。

数据命令设置

该指令用来设置数据写和读，B1和B0位不允许设置01或11。

总结上表，实际用到的命令码如下：

地址命令设设置

该指令用来设置显示寄存器的地址。 如果地址设为10H 或更高，数据被忽略，直到有效地址被设定。
上电时，地址默认设为00H。
总结：上表由于B7位和B6位设定为1，因此实际就决定了基地址为1100 0000即C0H。B0-B3则定义了偏移地址。在实际地址命令设置时应当是基地址+偏移地址。

显示控制

【注意】B3位在设置亮度时应置1.

6、串行数据传输格式

读取和接收1个BIT都在时钟的上升沿操作。

6.1 数据接收（写数据）

注意：字节写入时，是按B0-B7的低位到高位的顺序。

6.2 数据读取（读数据）

▲注意：读取数据时，从串行时钟CLK 的第8 个上升沿开始设置指令到CLK 下降沿读数据之间需要
一个等待时间Twait(最小1μS)。
注意：字节读入时，是按B0-B7的低位到高位的顺序。

7、显示和按键：

（1） 显示：

1、驱动共阴数码管：

图7给出共阴数码管的连接示意图，如果让该数码管显示“0”，那你需要在GRID1为低电平
的时候让SEG1，SEG2，SEG3，SEG4，SEG5，SEG6为高电平，SEG7为低电平，
查看图（2）显示地址表格，只需在00H地址单元里面写数据3FH就可以让数码管显示“0”。
2、驱动共阳数码管

图8给出共阳数码管的连接示意图，如果让该数码管显示“0”，那你需要在GRID1，GRID2，
GRID3，GRID4，GRID5，GRID6为低电平的时候让SEG1为高电平，在GRID7为低电平的时候让SEG1为低电平。要向地址单元00H，02H，04H，06H，08H，0AH里面分别写数据01H，其余的地址单元全部写数据00H。

注意：SEG1-10为P管开漏输出，GRID1-8为N管开漏输出，在使用时候，SEG1-10只能接LED的阳极，GRID只能接LED的阴极，不可反接。

（2）键盘扫描：

你可以按照图（9）用示波器观察观察SEG1/KS1和SEG2/KS2的输出波形，SEGN/KSN
输出的波形见图（10）。

IC在键盘扫描的时候SEGN/KSN的波形：

Tdisp和IC工作的振荡频率有关，TM1638经过多次完善，振荡频率不完全一致。500US
仅仅提供参考，以实际测量为准。
一般情况下使用图（11），可以满足按键设计的要求。

当S1被按下的时候，在第1个字节的B2读到“1”。如果多个按键被按下，将会读到多个“1”，
当S2，S3被按下的时候，可以在第1个字节的B1，B6读到“1”。
▲注意：复合键使用注意事项：
SEG1/KS1-SEG10/KS10是显示和按键扫描复用的。以图（12）为例子，显示需要D1亮，D2灭，需要让SEG1为“0”，SEG2为“1”状态，如果S1，S2同时被按下，相当于SEG1，SEG2被短路，这时D1，D2都被点亮。

解决方案：
1、在硬件上，可以将需要同时按下的键设置在不同的K线上面如图（13）所示，

2、在SEG1—SEG N上面串联电阻如图（14）所示，电阻的阻值应选在510欧姆，太大会造成
按键的失效，太小可能不能解决显示干扰的问题。

3、或者串联二极管如图（15）所示。

8、应用时串行数据的传输：

1 地址增加模式

使用地址自动加1模式，设置地址实际上是设置传送的数据流存放的起始地址。起始地址命令
字发送完毕，“STB”不需要置高紧跟着传数据，最多14BYTE，数据传送完毕才将“STB”置高。

2 固定地址模式

使用固定地址模式，设置地址其实际上是设置需要传送的1BYTE数据存放的地址。地址发送完
毕，“STB”不需要置高，紧跟着传1BYTE数据，数据传送完毕才将“STB”置高。然后重新设置第2
个数据需要存放的地址，最多14BYTE数据传送完毕，“STB”置高。

3 读按键时序

4 程序设计流程图

采用地址自动加1的程序设计流程图：

采用固定地址的程序设计流程图：

9、应用电路

1 TM1638驱动共阳数码屏硬件电路，如图（16）：

2 TM1638驱动共阴数码屏硬件电路，如图（17）：

▲注意： 1、VDD、GND之间滤波电容在PCB板布线应尽量靠近TM1629芯片放置，加强滤波效果。
2、连接在DIO、CLK、STB通讯口上三个100P电容可以降低对通讯口的干扰。
3、因蓝光数码管的导通压降压约为3V，因此TM1629供电应选用5V。

三、具体时钟显示和按键电路设计思路

1、数码管的选择

月份和日期的显示分别是采用了两个2位共阴数码管。管脚的定义如下：

时分秒的显示采用的是一个4位共阴数码管。管脚定义如下：

由于时分秒显示采用的是4位管，4位用于时分的显示，秒的闪烁是两个LED灯，在图中是第3脚连接的D5、D6。

温度显示采用的是一个2位共阳数码管。管脚定义如下：

具体原理图：

LED_2_green1 和 LED_2_green2 是对应月日的显示
LED_2_node对应的是温度显示
LED_clock_4是时分秒的显示

接线对应表：

以上所有涉及硬件的部分已完成，要想完成正常的显示，接下来就是软件部分。考虑到篇幅问题，将在下一篇详细分析TM1638的驱动代码，以及驱动的具体应用。