江协科技/江科大-51单片机入门教程——P[4-1] 静态数码管显示 P[4-2] 动态数码管显示

本节将介绍数码管的原理和操作方法，包括静态数码管显示和动态数据管显示

一、静态数码管显示

二、动态数码管显示

一、静态数码管显示

首先，看一下开发板上数码管的位置，它位于左上角，是八个 8 字形的显示器件。同时，138 译码器和右边的 74HC25 都属于数码管操作相关的部分。

在原理图上，数码管及左边的 138 译码器都用于控制数码管显示。

本章节要写的示例代码。

第一个代码是实现在八个数码管上任意位置显示任意数据，演示在第三个位置显示了数字 6。操作数码管时，下面的 595 八个灯和右边的点阵屏可能会乱闪，可将 GP595 跳线帽拔下插到其中一个引脚，断开连接，这样 595 和点阵屏就不会乱闪。
第二个代码的功能是在数码管的前三位显示三个数字 123，此代码实现的是数码管的动态显示，可在数码管任意位置显示任意数字且能多个显示，而第一个代码只能显示一个数字。

下面介绍数码管。我们使用的是 LED 数码管，其内部发光器件为 LED。数码管是一种简单廉价的显示器，在生活中较为常见，它由多个发光二极管分装在一起组成 8 字形器件。例如，显示温度的设备、刷卡机的显示器件以及红绿灯路口的计时显示都使用了数码管，尽管现在红绿灯数码管的一段可能由多个小 LED 组成，但本质操作与本节所学数码管操作相同。

接着看数码管里面的引脚定义。这里有一位数码管和四位一体数码管。

一位数码管由 8 个 LED 组成，其连接方式有两种。上面一种连接方式中，8 个 LED 的阴极都连接到一个端口，称为共阴极连接；下面一种连接方式中，它们的阳极都连在一个引脚，叫共阳极连接。

左下角定义了段的名称，最上面一段叫 a 段，右边顺时针依次为 b、c、d、e、f 段，中间一横叫 g 段，外加一个小数点叫 DP 段，这八个段正好与一个字节的 8 位一一对应，且 51 单片机也是 8 位单片机。

引脚序号定义为正视数码管时，左下角引脚为 1 号引脚，逆时针依次为 2 号、3 号等。

每个段对应的引脚位置不同，如 a 段的阳极连接到 3 号和 8 号引脚，阴极连接到 7 号引脚等。在设计电路时，要清楚各段对应的引脚。

要让数码管显示特定数字，以共阴极连接为例，若要显示数字 6，需点亮 a、c、d、e、f、g 段，熄灭其他段。首先将公共端3,8接地（接低电平），选中位选端，再将 a 段等要点亮的段的阳极接高电平，不点亮的段接低电平。这样，给单片机 Io 口输入相应的 8 位数据，再选中公共端，数码管就会显示数字 6，这个 8 位数据就是 LED 的段码（1011 1110）。

若为共阳极连接，显示 6 时公共端接 VCC（高电平），要点亮的段接低电平，不点亮的段接高电平，其段码（0100 0001）与共阴极连接的段码（1011 1110）相反。

开发板上使用的是四位一体数码管，左右各有一个，共 8 位。

它也有引脚序号，从左下角开始为 1 - 12 号引脚，同样有共阴极和共阳极两种连接方式。

与一位数码管相比，多位数码管多分出几个小单元，各单元的公共端单独引出，位选端全部连在一起。

若要在第三位显示数字 1，对于共阴极连接，将第三个公共端给 0，其余给 1，再将 b、c 段给 1，其他段给 0，第三位就会显示数字 1。

由于数码管共用引脚，同一时刻只能有一个数码管被点亮，即使多个被选中，显示的数据也相同，但这种连接方式可节省单片机的 I o口。

若要实现多位同时显示不同数字，需采用动态数码管显示，即利用人眼视觉暂留和数码管显示的余晖原理，快速依次显示不同数字，实现多个数字同时显示的效果。第一个示例代码是静态数码管显示，只能显示一位数字。

再看原理图部分。板子上除数码管外，还有 74LS138（开发板上接的是 74HC138）译码器和 74HC245 双向数据缓冲器。

74LS138 译码器可将 8 个端口用 3 个端口控制，其输入端为 A、B、C，输出端为 Y0 - Y7，芯片需接电源，左下角三个引脚为使能端，将 G1 接高电平，G2A、G2B 接低电平，芯片上电即可工作。

三个输入端（CBA，C为高位）输入的数据转化为十进制数，对应输出端的引脚为低电平有效。例如，输入 000 时，Y0 输出 0，其他为 1；输入 001 时，Y1 输出 0，其他为 1 等。要注意输出端与数码管的连接存在错位，如 Y0 接的是 LED1 等。通过给 A、B、C 输入数据，可选中某个数码管，再给其段码端数据，就能显示相应数字。

双向数据缓冲器 74HC245 用于数据缓冲，其内部线路 A0 到 B0 等是连接关系，还有控制引脚。OE 引脚为芯片使能端，低电平有效，直接接地。dir 引脚控制数据传输方向，开发板上跳线帽将其接高电平，使数据从左边 P0 口送到右边。加缓冲器是因为单片机高电平驱动能力有限，通过缓冲器可提高驱动能力，使数码管显示更亮。

此外，电路中还有电容和排阻。电容标注为 104（10 0000pF，100nF），其容量为 0.1 微法，用于稳定电源，起到电源滤波的作用。排阻是四个电阻一体的，电阻值为 100 欧姆，作用是限流，防止数码管电流过大，采用排阻比使用 8 个独立电阻更便捷。

使某一位数码管显示数据的步骤为：

第一步，通过控制 P2 口的三个引脚，使某一位输出 0 选中；

第二步，给 P0 口一个段码数据，经过缓冲后送到公共段码端，数码管即可显示相应数据。

在开始写代码之前，介绍 C 语言的两个重要知识点：数组和子函数。

数组是将相同类型的一系列数据统一编制到一个组别中，可通过数组名加索引快速操作大量数据。数组的定义方法有直接定义和定义并初始化两种，引用数组数据时要注意从 0 开始，避免数组越界，因为 C 语言编译器对数组越界不报错，但程序会出错。

子函数是将完成某一种功能的程序代码单独抽取出来形成一个模块，可在其他函数中随时调用，目的是实现代码复用和优化程序结构。子函数的定义包括返回值类型、函数名、形参列表和函数体。无返回值的子函数调用时直接写函数名加括号；有参数的子函数调用时要传递相应参数；有返回值的子函数在函数末尾需加 return 语句，调用时可将返回值赋给一个变量。

下面开始写本节的示例代码。

打开软件，新建工程，命名为 4 - 1 静态数码管显示，选择 at89c52 芯片，添加主函数并写出基本框架。

若要在第三位显示 6，先让 LED6 输出低电平，即让 Y5 输出低电平，将 6 转化为二进制 101，分别给 P2 的三个引脚赋值。

再给 P0 口段码数据，显示 6 的段码为：二进制为0111 1101（数据的高位对应标号的高位），十六进制为 7D，编译并下载代码，第三位就会显示 6。

若要在第四位显示 6，将 Y4 对应的二进制 100 赋值给 P2 的三个引脚即可。

为优化程序结构，将数码管某一位显示某一个数字的功能封装成子函数。

子函数名为 “Nixie（数码管显示）”，有两个参数，分别是位置（Location）和显示的数字（Number）。

在子函数内部，根据位置使用 switch case 语句判断并给 P2 的三个引脚赋值

同时使用数组存储数码管的段码，根据显示的数字从数组中取出相应段码赋给 P0 口。

通过调用该子函数，可在数码管的任意位置显示任意数字，而无需关注子函数内部的实现细节，从而达到优化程序结构的目的。

程序代码如下：

#include//数码管段码表unsigned char NixieTable[]={0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F};//0-9//数码管显示子函数void Nixie(unsigned char Location,Number){switch(Location) //位码输出{case 1:P2_4=1;P2_3=1;P2_2=1;break;case 2:P2_4=1;P2_3=1;P2_2=0;break;case 3:P2_4=1;P2_3=0;P2_2=1;break;case 4:P2_4=1;P2_3=0;P2_2=0;break;case 5:P2_4=0;P2_3=1;P2_2=1;break;case 6:P2_4=0;P2_3=1;P2_2=0;break;case 7:P2_4=0;P2_3=0;P2_2=1;break;case 8:P2_4=0;P2_3=0;P2_2=0;break;}P0=NixieTable[Number]; //段码输出}void main(){Nixie(2,3); //在数码管的第2位置显示3while(1){}}

二、动态数码管显示

接下来开始编写动态数码管显示的代码，其目的是实现数码管多位不同位置显示不同数字，显示不同数字后可用于显示数据，在调试程序时十分方便。有了一位数码管显示的基础，多位数码管动态显示便近在咫尺。

首先新建一个工程，创建名为 “4 - 2” 的文件夹，写入工程名，选择单片机类型，添加主函数。接着将上一节的代码复制过来。

上一个代码实现的是显示一位，而动态数码管显示需要不断扫描，这是一个循环过程，所以要将相关内容挪到 while（1）循环里，并复制几段。例如，让第一位显示 1，第二位显示 2，第三位显示 3。

为方便观察现象，先添加一个 1 毫秒的通用延时函数

可从之前工程复制过来并进行改造，调用该延时函数，让每显示一位数字后延时 200 毫秒，再复制相关内容以实现不同位显示不同数字。

编译代码时需勾选相关选项，切换到新代码后进行下载，此时会看到数码管一位一位地显示 123。

若将延时时间改短，如改为 20 毫秒，数码管闪烁会更快；若将延时代码注释掉，可利用注释和解除注释功能方便调试代码。

此时虽显示 123，但位置会错乱，如 3 显示在第一位，2 显示在第四位，这是数码管常见的 “消影” 问题。

数码管显示有位选和段选过程，由于单片机速度快，选中下一位的短时间内，上一位数据会串到下一位，导致显示数据串位。

为避免此问题，需在上一个段选之后先将段选清零，在代码中显示后先延时 1 毫秒让其稳定显示，再将 P0 赋值为 0X00，重新编译下载后，数码管显示的 123 就不会串位了。

程序代码如下：

#include//数码管段码表unsigned char NixieTable[]={0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F};//延时子函数void Delay(unsigned int xms){unsigned char i, j;while(xms--){i = 2;j = 239;do{while (--j);} while (--i);}}//数码管显示子函数void Nixie(unsigned char Location,Number){switch(Location) //位码输出{case 1:P2_4=1;P2_3=1;P2_2=1;break;case 2:P2_4=1;P2_3=1;P2_2=0;break;case 3:P2_4=1;P2_3=0;P2_2=1;break;case 4:P2_4=1;P2_3=0;P2_2=0;break;case 5:P2_4=0;P2_3=1;P2_2=1;break;case 6:P2_4=0;P2_3=1;P2_2=0;break;case 7:P2_4=0;P2_3=0;P2_2=1;break;case 8:P2_4=0;P2_3=0;P2_2=0;break;}P0=NixieTable[Number]; //段码输出Delay(1); //显示一段时间P0=0x00; //段码清0，消影}void main(){while(1){Nixie(1,1); //在数码管的第1位置显示1// Delay(20);Nixie(2,2); //在数码管的第2位置显示2// Delay(20);Nixie(3,3); //在数码管的第3位置显示3// Delay(20);}}

数码管动态显示的代码讲解至此，下面总结数码管的驱动方式。

有两种驱动方式，一种是单片机直接扫描，当前代码就属于这种方式。数码管常需显示多位数据，涉及动态扫描，即不断送数据、刷新。这种扫描方式硬件设备简单，只需单片机，无需复杂电路，但会消耗大量单片机 CPU 时间，一旦程序阻塞，数码管就会闪烁或熄灭。

另一种是使用专用驱动芯片，如 TM1640，其内部自带显存扫描电路，单片机只需通过两根通信线，按照规定的通信协议告诉它显示什么，它就会自行扫描数码管，不会出现闪烁问题，该芯片用两根线就能控制 16 个数码管显示任意数字。还有一种 74HC595 移位寄存器模块（右边），通过三根数据线和两根电源线可控制 8 个数码管，虽也需单片机扫描、耗费 CPU 时间，但能大幅节省单片机 I/O 口。若自行设计，更推荐使用 TM1640 驱动数码管，因其使用方便，且不会出现闪烁、不显示等问题。