51单片机数码管显示原理与实现详解
51单片机数码管显示原理与实现详解
本文详细介绍了数码管的显示原理与实现方法，包括静态数码管和动态数码管的电路连接、工作原理及代码实现。文章内容系统全面，从基础概念到具体应用，层层递进，适合初学者学习和理解。
数码管的结构
数码管（Seven-Segment Display）是一种常见的显示设备，广泛应用于电子时钟、计算器、家电和其他数字设备中。数码管由七个独立的LED段组成，排列成一个类似数字“8”的形状。通过控制这些LED段的开关状态，可以显示0到9的数字及一些字母和符号。同时也称为LED数码管。
一个标准的七段数码管包括七个LED段，每个段用一个字母表示，从A到G。另外，有些数码管还包括一个小数点（DP），被称为八段数码管，用于显示小数或分隔不同的数字。
--A-- --A--
| | | |
F B F B
| | | |
--G-- --G--
| | | |
E C E C
| | | |
--D-- --D--
• DP
数码管的工作原理
数码管的每个段实际上是一个独立的LED，通过控制各个LED的通断状态，可以组合成不同的字符。数码管通常有两种连接方式：共阳极和共阴极。
- 共阳极数码管：所有的LED阳极（正极）连接在一起，通常接到电源正极。点亮某个段时，需将相应的段的阴极（负极）接地 GND。
- 共阴极数码管：所有的LED阴极（负极）连接在一起，通常接地。点亮某个段时，需将相应的段的阳极（正极）接电源正极。
静态数码管
静态显示的特点是每个数码管的段选必须接一个8位数据线来保持显示的字形码。当送入一次字形码后，显示字形可一直保持直到送入新字形码为止。
电路图
从资料中提供的电路图可知，此开发板静态数码管使用的是共阳极数码管，如果使用共阴数码管，为了不影响其他IO口的电流，要增加IO口的驱动电路，单片机主要是用来控制的，如果要驱动一些外部的设备，通常会使用专门的驱动电路，比如74HC245芯片，74HC573芯片。
开发板IO连接图
代码演示
控制静态数码管显示数字0，即让P0口端口输出数字0的段码0x3F（共阴，共阳极取反即可），其他数字可根据连接方式自行计算。
#include <REGX52.H>
#define SMG_STATIC P0
void main()
{
SMG_STATIC = ~0x3f;
while(1)
{
}
}
动态数码管
动态数码管显示，也称为动态扫描显示，是通过快速轮流点亮各个位数码管来实现的。利用人眼的视觉暂留效应，使人感觉所有数码管同时显示不同的数字。
实现步骤
- 段选和位选：将所有位数码管的段选线并联在一起，通过位选控制哪一位数码管有效。
- 轮流显示：轮流向各个位数码管送出字型码和相应的位选信号。由于切换速度很快，人眼无法分辨出切换过程，从而感觉所有数码管同时显示。
- 消影处理：在切换位选信号之前，先将段选信号清零，防止残影现象。
数码管驱动方式
- 单片机直接扫描：硬件设备简单，但会消耗大量的单片机CPU时间。
- 专用驱动芯片：内部自带显存、扫描电路，单片机只需告诉它显示什么即可。如：TM1640芯片、74HC595
电路图
由电路图可知，该开发板的动态数码管是由两个4位一体数码管组成的，一共八个数码管，它们的公共端单独引出来，位选段全部并联在一起，动态进行显示，采用的是共阴极。八个公共端同一个时刻，只有一个数码管可以点亮，因为位选段是并联在一起的，所以即使有多个公共端同一个时刻被点亮，数码管显示的数据也是相同的。可以利用人眼视觉暂留和余晖效应进行延时操作即可！
动态数码管要搭配74H138模块和74H245：
74H138：一种常用的 3 线到 8 线译码器芯片，主要用于地址解码、数据路由和逻辑控制。它可以将输入的三位二进制代码转换成八位的输出，常用于单片机系统中进行 I/O 扩展。即三个输入端操作8个输出端，具体操作方法可查看真值表。
输入端：A0、A1、A2 为三位二进制加权地址输入端口。
输出端：Y0 至 Y7 为八个输出端口。
使能端：E1 和 E2 为低有效，E3 为高有效。只有当 E1 和 E2 置低且 E3 置高时（默认），芯片才会工作
74H245：一种常用的双向总线缓冲器芯片，防止信号干扰。可以将高电平信号转换为低电平信号，或将低电平信号转换为高电平信号，确保不同电平逻辑设备之间的兼容性。它能够隔离不同总线之间的电平差异和噪声干扰，确保数据的可靠传输。
开发板IO连接图
74H138的A0（A）与P22相连；A1（B）与P23相连；A2（C）与P24相连（真值表）
真值表
L表示0（低电平），H表示1（高电平）
代码演示1
根据真值表操作第五个LED数码管，显示数字6，
Init_Port()函数用于操作操作真值表，为了方便对比，这里保留了静态数码管的代码。
#include <REGX52.H>
#define SMG_STATIC P0
void Init_Port()
{
P2_2 = 0;
P2_3 = 0;
P2_4 = 1;
}
void main()
{
Init_Port();//显示LED数码管5
SMG_STATIC = ~0x7d;
P1 = 0x7d;
while(1)
{
}
}
代码演示2
动态数码管延时循环显示数字6，如果需要循环显示数字1到数字8，定义数组即可。
#include <REGX52.H>
#define SMG_STATIC P0
void DelayXms(unsigned int xms) //@12.000MHz
{
unsigned char data i, j;
while(xms)
{
i = 2;
j = 239;
do
{
while (--j);
} while (--i);
xms--;
}
}
void Init_Port(unsigned char Location)
{
switch(Location)
{
case 1:
P2_2 = 0;P2_3 = 0;P2_4 = 0;
break;
case 2:
P2_2 = 1;P2_3 = 0;P2_4 = 0;
break;
case 3:
P2_2 = 0;P2_3 = 1;P2_4 = 0;
break;
case 4:
P2_2 = 1;P2_3 = 1;P2_4 = 0;
break;
case 5:
P2_2 = 0;P2_3 = 0;P2_4 = 1;
break;
case 6:
P2_2 = 1;P2_3 = 0;P2_4 = 1;
break;
case 7:
P2_2 = 0;P2_3 = 1;P2_4 = 1;
break;
case 8:
P2_2 = 1;P2_3 = 1;P2_4 = 1;
break;
}
}
void main()
{
unsigned char i;
SMG_STATIC = ~0x7d;
while(1)
{
for(i = 1; i <= 8;i++)
{
Init_Port(i);
P1 = 0x7d;
DelayXms(1000);
}
}
}
代码演示3
利用余晖效应，动态持续的显示数字1到8，P1 = 0x00; 这一行用于消影。消影的作用是防止数码管显示的残影现象。具体来说，当你在多位数码管上显示不同的数字时，如果不及时清除前一个数字的显示，可能会出现残影，即前一个数字的部分段码仍然亮着，影响当前数字的显示效果。通过在每次显示完一个数字后，将 P1 置为 0x00，可以确保所有段码都熄灭，从而避免残影现象，确保每次显示的数字都是清晰且正确的。
#include <REGX52.H>
#define SMG_STATIC P0
//共阴极数码管显示 0~F 的段码数据
unsigned char gsmg_code[17]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,
0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71};
void DelayXms(unsigned int xms) //@12.000MHz
{
unsigned char data i, j;
while(xms)
{
i = 2;
j = 239;
do
{
while (--j);
} while (--i);
xms--;
}
}
void Init_Port(unsigned char Location)
{
switch(Location)
{
case 1:
P2_2 = 0;P2_3 = 0;P2_4 = 0;
break;
case 2:
P2_2 = 1;P2_3 = 0;P2_4 = 0;
break;
case 3:
P2_2 = 0;P2_3 = 1;P2_4 = 0;
break;
case 4:
P2_2 = 1;P2_3 = 1;P2_4 = 0;
break;
case 5:
P2_2 = 0;P2_3 = 0;P2_4 = 1;
break;
case 6:
P2_2 = 1;P2_3 = 0;P2_4 = 1;
break;
case 7:
P2_2 = 0;P2_3 = 1;P2_4 = 1;
break;
case 8:
P2_2 = 1;P2_3 = 1;P2_4 = 1;
break;
}
}
void main()
{
unsigned char i;
SMG_STATIC = ~0x7d;
while(1)
{
for(i = 1; i <= 8;i++)
{
Init_Port(i);
P1 = gsmg_code[i];
DelayXms(1);
P1 = 0x00;//消影
}
}
}