51单片机数码管动态扫描驱动的设计

yingujun 2019-03-08 8789

控制/MCU

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描述

数码管由于发光亮度强，指示效果好，非常适合于电梯楼层等数值显示应用中。对于一位数码管，可以采用静态显示，但实际应用中都是需要显示多位数值，数码管模块也只能动态显示，因此笔者在这里简单分析一下数码管动态扫描驱动的实现。

1. 数码管原理概述

数码管由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只引出它们的各个笔划，公共电极。数码管实际上是由七个发光管组成8字形构成的，加上小数点就是8个。这些段分别由字母a，b，c，d，e，f，g，dp来表示。数码管根据内部接法又可分成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（如下图SM*10501），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）的数码管如下图（SM*20501）。以共阳数码管为例，要想显示数字2，需把A、B、G、E、D段点亮，即公共端接上正电源，ABGED段阴极拉低，其余段拉高即可显示数字2。

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2. 硬件设计

笔者此处以四位一体共阳数码管显示为例讲解其大概的硬件设计。

微控制器的IO口均不能流过过大的电流，LED点亮时有约10ms的电流，因此数码管的段码输出不要直接接单片机IO口，应先经过一个缓冲器74HC573。单片机IO口只需很小的电流控制74HC573即可间接的控制数码管段的显示，而74HC573输出也能负载约10ms的电流。设置数码管段的驱动电流为ID=15ma，这个电流点亮度好，并且有一定的裕度，即使电源输出电压偏高也不会烧毁LED，限流电阻值R = （VCC- VCE– VOL– VLED） / ID

VCC为5v供电，VCE为三极管C、E间饱和电压，估为0.2v， VOL为74hc573输出低电平时电压，不同灌电流，此值不一样，估为0.2v，具体查看规格书，VLED为红光驱动电压，估为1.7v，根据上式可算出限流电阻为R = 200R。

数码管需接收逐个扫描信号，扫描到相应数码管时，对应的段码数据有效，即显示这个数码管的数值。笔者采用三线八线译码器74HC138来产生对应的扫描线信号。

当各个段码均点亮时，电流约15max8=90ma流过数码管公共端，74HC138无法直接驱动这个电流，需加三极管驱动，由于74HC138输出低电平有效，此处只有PNP三极管适合作为驱动。三极管基极电流设为2ma即可让三极管饱和，最大驱动电流远大于90ma。基极偏置电阻阻值

Rb=（VCC- VEB– VOL） / IB

VCC为5v供电，VEB为三极管E、B间的导通电压0.7v，VOL为74hc138输出低电平时电压，可根据规格书估为0.3v，故Rb= 2k即可。

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图2-1 四位一体数码管原理图

3. 驱动实现

数码管段码接P0口，位码接P2口第0~2位。对于LED显示器都是有一个刷新频率的，同样对于数码码动态扫描也需要一个扫描频率。扫描频率下限为50HZ，低于一定的扫描频率，显示会闪烁。频率过高，则亮度较差且占用cpu资源。一般整个数码管扫描一遍时间为约10ms较合适（即扫描频率100HZ），我们用的是四位数码管，每个数码管点亮时间为2ms，扫描一遍时间为8ms。为保证这个刷新频率，通过是通过定时器来周期性进行数码管刷新。笔者在此以四位一体数码管实现秒表计数显示为例来作代码开发。

数码管动态显示功能实现模块文件DigitalTubeTable.c内容如下：

#include “reg52.h”

#include“DigitalTube.h”

// 数值相对应的段码，共阳极

static unsigned char codeDigitalTubeTable［12］= { // 共阳LED段码表

0xc0， 0xf9， 0xa4， 0xb0， 0x99，0x92， 0x82， 0xf8， 0x80， 0x90， 0xff， 0xbf

//“0” “1” “2” “3” “4” “5” “6” “7” “8” “9” “不亮” “-”

};

// 每个数码管需一个字节的内存保存对应数码管数据

static unsigned charFrameBuffer［DigitalTubeNumber］;

unsigned char*DigitalTube_GetBuffer（）

{

return FrameBuffer;

}

void DigitalTube_Scan（）

{

static unsigned char Select = 0; // 记录扫描的选择线

unsigned char Code;

// 从对应选择线中找到显存数据，并得到相应的段码

Code = DigitalTubeTable［FrameBuffer［Select］］;

// 段码实际输出到数码管接口

DigitalTube_Data（Code）;

// 位选实际输出到数码管接口

DigitalTube_Select（Select）;

Select++; // 进入到下一位选扫描

if （Select 》= DigitalTubeNumber） {

Select = 0; // 所有数码管已扫描，从第一个数码管再次开始扫描

}

我们在数码管模块头文件DigitalTube.h中实现模块的接口访问宏实现，使之方便移植及修改接口配置。模块头文件同时也引出模块的接口函数，void DigitalTube_Scan（void）为数码管刷新函数，需周期性调用刷新数码管显示。unsigned char *DigitalTube_GetBuffer（void）用来获得数码管显存，从而更新数码管显存数据。其内容如下：

#ifndef __DigitalTube_H__

#define __DigitalTube_H__

#ifdef __cplusplus

extern “C” {

#endif

// 数码管模块中的个数，最大为8

#define DigitalTubeNumber 4

// 输出数码管位选

#defineDigitalTube_Select（Select） {P2 = （P2&0xf8） + （Select）;}

// 输出数码管段码

#define DigitalTube_Data（Dat） {P0 =（Dat）;}

// 数码管刷新函数，必须保证以一定周期调用刷新

void DigitalTube_Scan（void）;

// 获得数码管显存，以作显示的数据更新

unsigned char*DigitalTube_GetBuffer（void）;

#ifdef __cplusplus

}

#endif

#endif /*__DigitalTube_H__*/

外部模块通过引入数码管的模块头文件DigitalTube.h来实现调用数码管驱动函数，简单测试调用（秒表数码管显示计数）实现如下：

#include“reg52.h”

#include“DigitalTube.h”

// 以定时器时间为计时标准，记录时间间隔

static volatile unsignedint SystemTick = 0;

// 定时器2ms中断处理进行数码管刷新

void T0_Interrupt（）interrupt 1

{

TH0 = （65536-2000） / 256;

TL0 = （65536-2000） % 256;

SystemTick++; // 记录时间间隔

DigitalTube_Scan（）; //刷新数码管

}

void T0_Init（）

{

TMOD = 0x01; // 定时器0工作方式1

// 2ms计时中断（12M）

TH0 = （65536-2000） / 256;

TL0 = （65536-2000） % 256;

ET0 = 1; // 定时器T0中断允许

EA = 1; // 总中断允许

}

void main（）

{

unsigned char *pBuffer;

unsigned char i;

// 定时器初始化

T0_Init（）;

// 获得数码管显存，以作更新数据显示

pBuffer = DigitalTube_GetBuffer（）;

// 数据管显存初始化显示0

for （i=0; i

pBuffer［i］ = 0;

}

// 开启定时器进行计时以及数码管刷新

TR0 = 1;

while（1） {

// SystemTick读数到500时为1s间隔到

if （SystemTick 》 500） {

SystemTick =0; // 重新计秒

// 更新数码管秒表计数显存

for （i=0; i

pBuffer［DigitalTubeNumber-1-i］++;

if （pBuffer［DigitalTubeNumber-1-i］《10） {

break; // 未到10，不用进位更新高位显存，退出

} else {

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