基于51单片机实现静态数码管显示

Baekhyn0506 2023-07-17 6392

控制/MCU

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描述

前言

前面我们已经介绍了如何控制51 单片机的IO 口输出高低电平，本教程我们通过另外一个实验来讲述51 单片机IO 口的输出。通过单片机的IO 口控制板载数码管显示。可以参考前面的实验章节内容。

一、数码管介绍

1.数码管简介

数码管是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管。数码管也称LED数码管，不同行业人士对数码管的称呼不一样，其实都是同样的产品。数码管按段数可分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元，也就是多一个小数点（DP），这个小数点可以更精确的表示数码管想要显示的内容；按能显示多少个（8）可分为1 位、2 位、3 位、4 位、5 位、6 位、7 位等数码管。按发光二极管单元连接方式可分为共阳极数码管和共阴极数码管。

共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管，共阳数码管在应用时应将公共极COM 接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮，当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。

共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管，共阴数码管在应用时应将公共极COM 接到地线GND 上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮，当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。

2.数码管显示原理

不管将几位数码管连在一起，数码管的显示原理都是一样的，都是靠点亮内部的发光二极管来发光，下面我们就来讲解一个数码管是如何亮起来的。数码管内部电路如下图所示：

静态数码管

从上图可看出，一位数码管的引脚是10 个，显示一个8 字需要7 个小段，另外还有一个小数点，所以其内部一共有8 个小的发光二极管，最后还有一个公共端，多数生产商为了封装统一，单位数码管都封装10 个引脚，其中第3 和第8 引脚是连接在一起的。而它们的公共端又可分为共阳极和共阴极，图中间为共阳极内部原理图，右图为共阴极内部原理图。

对共阴极数码来说，其8 个发光二极管的阴极在数码管内部全部连接在一起，所以称“共阴”，而它们的阳极是独立的，通常在设计电路时一般把阴极接地。当我们给数码管的任意一个阳极加一个高电平时，对应的这个发光二极管就点亮了。如果想要显示出一个8 字，并且把右下角的小数点也点亮的话，可以给8个阳极全部送高电平，如果想让它显示出一个0 字，那么我们可以除了给第“g,dp” 这两位送低电平外，其余引脚全部都送高电平，这样它就显示出0 字了。

如果使用共阴数码管，需要注意增加单片机IO 口驱动电流，因为共阴数码管是要靠单片机IO 口输出电流来点亮的，但单片机I/O 口难以输出稳定的、如此大的电流，所以数码管与单片机连接时需要加驱动电路，可以用上拉电阻的方法或使用专门的数码管驱动芯片，比如74HC573、74HC245 等，其输出电流较大，电路接口简单。

共阳极数码管其内部8 个发光二极管的所有阳极全部连接在一起，电路连接时，公共端接高电平，因此我们要点亮哪个发光管二极管就需要给阴极送低电平，此时显示数字的编码与共阴极编码是相反的关系，数码管内部发光二极管点亮时，也需要5mA 以上的电流，而且电流不可过大，否则会烧坏发光二极管。因此不仅要防止数码管电流过大，同时要防止流经数码管的电流集中到单片机时电流不能过大，否则会损坏主芯片。

一般共阳极数码管更为常用，为什么呢？这是因为数码管的非公共端往往接在IC 芯片的I/O 上，而IC 芯片的驱动能力往往是比较小的，如果采用共阴极数码管，它的驱动端在非公共端，就有可能受限于IC 芯片输出电流不够而显示昏暗，要外加上拉电阻或者是增加三极管加大驱动能力。但是IC 芯片的灌电流，即输入电流范围比较大。所以使用共阳极数码管的好处是：将驱动数码管的工作交到公共端（一般接驱动电源），加大驱动电源的功率自然要比加大IC 芯片I/O口的驱动电流简单许多。另一方面，这样也能减轻主芯片的负担。

我们开发板上使用了一个共阳数码管作为静态数码管显示，本章实验也是在该数码管上实现单个的静态显示。如果要让共阴数码管显示数字0，即对应的段ABCDEF 要点亮即给它高电平，其他的段熄灭即给它低电平。其他的数字显示方式一样，这里就不多说。下面给出共阴和共阳数码管的0-F 段码数据表，如下所示：

静态数码管

①共阴数码管码表

0x3f, 0x06, 0x5b, 0x4f, 0x66, 0x6d,
0     1     2     3     4     5
0x7d, 0x07, 0x7f, 0x6f, 0x77, 0x7c,
6     7     8     9     A     B
0x39, 0x5e, 0x79, 0x71, 0x00,
C     D     E     F     无显示

②共阳数码管码表

0xC0, 0xF9, 0xA4, 0xB0, 0x99, 0x92,
0     1     2     3     4     5
0x82, 0xF8, 0x80, 0x90, 0x88, 0x83,
6     7     8     9     A     B
0xC6, 0xA1, 0x86, 0x8E, 0xFF,
C     D     E     F     无显示

从上述共阳和共阴码表中不难发现，它们的数据正好是相互取反的值。比如共阴数码管数字0 段码：0x3f，其二进制是：0011 1111，取反后为：1100 0000，转换成16 进制即为0XC0。其他段码依此类推。该段码数据由来，是将a 段作为最低位，b 段作为次低位，其他按顺序类推，dp 段为最高位，共8 位，正好和51 单片机的一组端口数一样，因此可以直接使用某一组端口控制数码管的段选数据口，比如P0 口。

3.数码管静态显示原理

LED 数码管显示器工作方式有两种：静态显示方式和动态显示方式。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。这种方法的优点是占用CPU 时间少，显示便于监测和控制。缺点是硬件电路比较复杂，成本较高，比如使用4 个静态数码管，那么就得32 个IO 来控制，这对51 单片机来说是无法承受的，正因为如此才会有后面章节动态数码实验的讲解。

动态显示的特点是将所有数码管的段选线并联在一起，由位选线控制是哪一位数码管有效。选亮数码管采用动态扫描显示。所谓动态扫描显示即轮流向各位数码管送出字形码和相应的位选，利用发光管的余辉和人眼视觉暂留作用，使人的感觉好像各位数码管同时都在显示。动态显示的亮度比静态显示要差一些，所以在选择限流电阻时应略小于静态显示电路中的。

本章实验主要介绍静态数码管的控制，有关动态数码管控制将在下一章节介绍。有关静态数码管的详细介绍，大家可以在百度上查找了解。

二、硬件设计

开发板上的静态数码管模块电路如下图所示：

静态数码管

上图电路是静态数码管电路，模块独立，使用的是1 个共阳数码管组成，即8 位数码管的段选数据a-dp 全部一起引出，数码管的位选即公共端直接接VCC，根据共阳数码管显示特点可知，只要保证数码管a-dp 段输入电平为低电平即可点亮。由于使用的是共阳数码管，公共极接VCC，所以在数码管控制端可加一个限流电阻，阻值为470 欧（471）。本实验使用P0 口连接J8 端子。

二、软件设计

我们所要实现的功能是：控制静态数码管显示数字0，即让P0 端口输出数字0 的段码0x3f（共阴）。

#include "reg52.h"
typedef unsigned int u16;  //对系统默认数据类型进行重定义
typedef unsigned char u8;
#define SMG_A_DP_PORT  P0  //使用宏定义数码管段码口
//共阴极数码管显示0~F的段码数据
u8 gsmg_code[17]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,
void main()
{  
  SMG_A_DP_PORT=~gsmg_code[0];//将数组第1个数据赋值给数码管段选口
  while(1){ 
  }    
}

main.c 文件内代码非常少也很简单，首先将51 单片机的头文件包含进来，然后定义一个全局数组变量gsmg_code 存放共阴数码管0-F 段码数据。主函数功能也很简单，首先将数组的第1 个数据赋值给SMG_A_DP_PORT，因为数组内定义的是共阴数码管段码，数组角标为0 存储的就是第一个数据0X3F，然后按位取反变为0XC0，即共阳数码管段码0 的数据。然后进入while 循环，单片机此时一直在while 内循环操作。当然该条语句也可以放在while 循环语句内，同样会让静态数码管显示0。

数码管依次显示源码如下：

#include< reg52.h >
typedef unsigned int u16;
typedef unsigned char u8;
#define SMG_A_DP_PORT  P0


u8 gsmg_code[17]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71};


void delay_10us(u16 time_us){
  while(time_us--);
}


void main()
{
  u16 i;
  while(1)
  {      
    for(i=1;i< 17;i++){
      SMG_A_DP_PORT=~gsmg_code[i];
      delay_10us(50000);
      delay_10us(50000);
    }
  }
}

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