【51单片机实验笔记】2. 数码管的基本控制

前言

本节内容我们学习如何控制数码管，先尝试点亮一个数码管，并实现倒计时效果。

硬件介绍

数码管的英文为Nixie Tube，又称辉光管或LED数码管。其基本单元由LED组成，单个数码管的概念图如左图所示，一般可以分为七段数码管和八段数码管两种。八段比七段多一个小数点，应用更为广泛。

除此之外，单个数码管只能显示一个数字（字母），功能受限。所以常常将多个数码管封装起来，如右图所示，常用的为4位数码管。

图1 八段数码管

图2 多位数码管

数码管的发光颜色由管中充的低压气体决定，一般为氖加上一些汞或氩，一般为橙色或绿色。

原理图分析

数码管的电路原理图如下：

按LED的连接方式可以分为共阴极数码管和共阳极数码管。

• 共阴极：将LED的阴极连在一起称为公共阴极（COM）
• 共阳极：将LED的阳极连在一起称为公共阳极（COM）

共阴极需要单片机IO给高电平，对应的段（LED）才能点亮，而单片机的IO引脚电流输出能力不足，往往需要借助驱动芯片（如74HC245芯片）才可以点亮数码管。而共阳极只需要单片机IO给低电平，故共阳极数码管应用更加广泛。

段选和位选

在数码管中有段选和位选两个概念，现阐释如下：

• 段选：针对单个数码管而言。选择要点亮数码管中 a、b、c、d、e、f、g、dp 哪些段。一般通给IO引脚赋值实现，如0x3f。
• 位选：针对多位数码管而言。选择点亮哪个数码管。即控制COM端的高低电平。

仔细观察数码管的段选顺序，按 a、b、c、d、e、f、g、h 逆时针排列，依次对应字节的低位至高位。因此，我们可以给出共阴极数码管的字形码编码表。(有些字母不易表示，缺省)

字形码	dp g f e d c b a	十六进制
0	0011 1111	0x3f
1	0000 0110	0x06
2	0101 1011	0x5b
3	0100 1111	0x4f
4	0110 0110	0x66
5	0110 1101	0x6d
6	0111 1101	0x7d
7	0000 0111	0x07
8	0111 1111	0x7f
9	0110 1111	0x6f
A	0111 0111	0x77
b	0111 1100	0x7c
c	0101 1000	0x58
d	0101 1110	0x5e
E	0111 1001	0x79
F	0111 0001	0x71
G	-	-
H	0111 0110	0x76
I	0011 0000	0x30
J	0000 1110	0x0e
K	-	-
L	0011 1000	0x38
M	-	-
n	0101 0100	0x54
o	0101 1100	0x5c
p	0111 0011	0x73
q	0110 0111	0x67
r	0101 0000	0x50
s	0110 1101	0x6d
t	-	-
U	0011 1110	0x3e
v	0001 1100	0x1c
w	-	-
x	-	-
y	0110 1110	0x6e
z	-	-

如果是共阳极，其编码表刚好是共阴极的按位取反（~）。其实可以看出，数码管对显示字母并不友好，一般用于显示数字，在电梯楼层显示，计算器显示中应用广泛。

从上述一些系列分析中我们可以感觉到，数码管相当于LED的堆叠，它对IO口资源的消耗是巨大的。如果要同时显示多个数字，除了采用芯片（如38译码器）来节约IO口，还可以采用不同的显示方式实现。数码管有两种驱动显示方式：静态显示和动态显示。

• 静态显示：即每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动。优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口过多，这显然是致命的。
• 动态显示：利用人眼暂留效应，分时轮流控制COM端（位选），每个数码管的点亮时间为1ms~2ms，因为频率很快，仿佛所有数码管都是同时点亮的，这即是动态的含义。优点的节省大量IO口，功耗低，缺点是亮度不及静态显示方式，但可以通过降低限流电阻的阻值来提高亮度。

驱动芯片

74HC138芯片

2个4位共阴极数码管和74HC138芯片（38译码器）原理图如下：

2个4位共阴极数码管

38译码器

将各数码管相同的段选连在一起，由 P0 统一控制，这样每个数码管显示的字符都是一样的。如何使不同数码管显示不同的字符？只需要给出位选信号指定不同的数码管点亮即可。

虽然位选端共有8个引脚，但实际上我们只需要每次点亮一个数码管，即只有8种情况，那么完全可以用3个引脚来控制这8种输出，这就是38译码器的实现机理。

观察38译码器原理图。其中，$G1$、$\overline{G2}$、$\overline{G3}$ 为使能端，其中G1高电平有效，G2、G3低电平有效（即上横线的含义）。38译码器的真值表为

A0	A1	A2	Y0	Y1	Y2	Y3	Y4	Y5	Y6	Y7
0	0	0	0	1	1	1	1	1	1	1
0	0	1	1	0	1	1	1	1	1	1
0	1	0	1	1	0	1	1	1	1	1
0	1	1	1	1	1	0	1	1	1	1
1	0	0	1	1	1	1	0	1	1	1
1	0	1	1	1	1	1	1	0	1	1
1	1	0	1	1	1	1	1	1	0	1
1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	0

因为是共阴极数码管，所以Y端口为低电平时该数码管被点亮。

74HC245芯片

主要用于提升单片机IO口的驱动电流。一般IO口的输出电流为20mA，这个电流大小仅仅点亮一颗LED是没有问题的，但对于驱动数码管、点阵等多负载模块就力不从心了。

74HC245芯片可以将输出电流提升至70-80mA左右，具有8路输入和8路输出，可输出低电平、高电平、高阻态三态。其中DIR引脚用于控制输入输出方向，高电平（A => B）、低电平（B => A）。$\overline{OE}$为使能引脚，低电平输出有效。

软件实现

点亮一只数码管

#include "reg52.h"

#define SMG_PORT P0

//重定义数据类型
typedef unsigned char u8;
typedef unsigned int u16;

//共阴极数码管字形码编码
u8 code smgduan[] = {0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66, //0 1 2 3 4
					 0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f, //5 6 7 8 9
					 0x77,0x7c,0x58,0x5e,0x79, //A b c d E
					 0x71,0x76,0x30,0x0e,0x38, //F H I J L
					 0x54,0x5c,0x73,0x67,0x50, //n o p q r
					 0x6d,0x3e,0x1c,0x6e};     //s U v y  

void main()
{
	//P0口控制数码管显示字符
	SMG_PORT = smgduan[14]; //E
	while(1);
}

定义共阴极数码管字形码编码，注意这里的定义中使用了code关键字，这是C51中拓展的存储器类型。在标准C中，变量的定义格式为

[存储类别] 数据类型 变量名 = 初值；

但在C51中，变量的完整定义格式为

[存储类别] 数据类型 [存储器类型] 变量名 = 初值；

存储类别	含义	特点	存储器类型	特点
auto	自动变量	默认，在调用时赋初值,未赋则初值不确定	code	变量放在ROM（程序存储器，64KB），不可更改
static	静态变量	希望局部变量的值在调用结束后保留，下次调用时沿用当前值，而非初值	data	变量放在可直接寻址片内RAM（数据存储器，低128B），访问速度快
extern	外部变量	在一个文件内扩展变量作用域	bdata	变量放在可位寻址片内RAM（数据存储器，20H~2FH，16B）
register	寄存器变量	一般变量存储在内存中，对于频繁调用的变量，为减少内存开销，提高运算速度，可以将变量存储在CPU的寄存器中	idata	变量放在间接寻址片内RAM（数据存储器，全256B）

倒计时效果

代码如下:

#include 
#define SMG_PORT P0

typedef unsigned char u8;
typedef unsigned int u16;


void delay(u16 t){
	while(t--);
}


void main(){
	//定义共阴数码管字形码编码
	u8 smg_array[] = {0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66, //0 1 2 3 4
					 0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f}; //5 6 7 8 9 

	while(1){
		int i;
		for(i=0;i<10;i++){
			SMG_PORT = smg_array[9-i];
			delay(50000);
		}
		delay(300000);
		
	}
}

效果图如下:

动态显示字符

下面，我们通过动态驱动显示的原理来显示字符I LOVE YOU

#include 
#define SMG_SELECT_PORT P2 //位选端口
#define SMG_PORT P0

typedef unsigned char u8;
typedef unsigned int u16;

void delay(u16 t){
	while(t--);
}

//共阴数码管码表(I LOVE YOU)
u8 code smg_array[] = {0x30,0x38,0x3f,0x3e,0x79,0x6e,0x3f,0x3e};

sbit A0 = SMG_SELECT_PORT^2;
sbit A1 = SMG_SELECT_PORT^3;
sbit A2 = SMG_SELECT_PORT^4;		
					 
//位选码，利用十进制取余
void Dec2Bin(u8 i){
	A0 = i % 2;
	i /= 2;
	A1 = i % 2;
	i /= 2;
	A2 = i % 2;
}


void main(){
	u8 i;
	while(1){
		for(i=0;i<8;i++){
			Dec2Bin(i);
			SMG_PORT = smg_array[7-i];
			delay(100); //1ms,实验测试5ms以上能察觉出闪烁
			SMG_PORT  = 0x00; //消除重影
		}
	}
}

硬件电路中，位选信号由P2.2、P2.3、P2.4控制，借助38译码器，控制8位COM端。

在程序中，我通过取余运算得到位选信号的取值，并依次赋值给各端口。当然，你也可以通过Switch语句，分别讨论8种取值情况。

比较重要的是，数码管的动态显示存在重影的问题。重影产生的本质是当位选信号发生改变时，上个数码管的段选信号在这一瞬间还未发生改变，但因为这个时间极短，因此只会留下淡淡的残影。如何消影呢，只要在下个数码管被点亮前，将段选信号清除即可（熄灭）。

最终效果图如下：

总结

数码管本质就是发光二极管的封装，所以有了LED基础之后，本节内容并不难理解。继续加油吧！