【51单片机实验笔记】2. 数码管的基本控制-Toy模板网

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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。

本节涉及到的封装源文件可在《模块功能封装汇总》中找到。

本节完整工程文件已上传GitHub，仓库地址，欢迎下载交流！

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，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：
【51单片机实验笔记】2. 数码管的基本控制
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，单片机的灌电流大于拉电流，故共阳极数码管应用更加广泛。

注：由于每段都是由LED组成，故实际电路中应该串联限流电阻，一般接一个8P排阻。

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。一般通过给 IO 引脚赋值实现。
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。

从上述一系列分析中我们得到，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

我们需要清楚一点，单片机适合用于控制，它可以输入输出电平，但电流是很小的。或许单片机驱动单独一个LED是足够的，但当LED数量多起来时，它便无能为力了，更别提驱动大功率的灯泡或是电机了。

这些功率比较大的外设往往需要外接电源，通过驱动芯片来提供电流和能量，单片机提供信号指令。

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， $G 1$ 、 $\overline{G2}$ 、 $\overline{G3}$ 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

【51单片机实验笔记】2. 数码管的基本控制
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 "REGX52.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；

存储类别	含义	特点
auto	自动变量	默认类型。（生存期）属于动态局部变量，调用时临时分配内存，函数调用结束即释放。（初值分配）在调用时赋初值，未赋初值则初值不确定。（作用域）仅在函数体内可调用。
static	静态变量	（生存期）属于静态局部（全局）变量，调用结束后保留当前值。（初值分配）只在编译时赋初值，默认赋`0`或`'\0'`。（作用域）静态局部变量仅在函数体内可调用，静态全局变量在本文件中可调用。
extern	外部变量	外部声明，数据类型可省略。扩展变量作用域，实现跨文件调用。
register	寄存器变量	将变量存储在CPU的寄存器中，减小内存开销。

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；

存储器类型	特点
code	变量放在ROM（程序存储器，64KB），不可更改
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
xdata	变量放在间接寻址片外RAM（数据存储器，全64KB）
bdata	变量放在可位寻址片内RAM（数据存储器，20H~2FH，16B）
idata	变量放在间接寻址片内RAM（数据存储器，全256B）
pdata	变量放在间接寻址片外RAM（数据存储器，低128B）

单片机的ROM一般比RAM大很多（STC89C52单片机ROM为8KB，RAM为256个字节），所以一些硬编码数据（比如字形库数据）可以放在ROM区，以节省片内RAM资源。

倒计时效果

代码如下:

#include <REGX52.H>
#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(60000);
	}
}

效果图如下:
【51单片机实验笔记】2. 数码管的基本控制

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 <REGX52.H>
#define SMG_SELECT_PORT P2 //位选端口
#define SMG_PORT P0

typedef unsigned char u8;
typedef unsigned int u16;

//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;		


void delay(u16 t){
	while(t--);
}			
		 
//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); //给38译码器赋值
			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
		}
	}
}