【51单片机实验笔记】LED篇（三） 数码管的基本控制

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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！

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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。

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原理图分析

数码管的电路原理图如下：

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。

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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。

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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。

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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，$G1$、$\overline{G2}$、$\overline{G3}$ 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。

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74HC245芯片

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。

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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。

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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:

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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
		}
	}
}

硬件电路中，位选信号由P2.2、P2.3、P2.4控制，借助38译码器，控制8位COM端。

在程序中，通过取余运算得到位选信号的取值，并依次赋值给各端口。当然，也可以通过switch语句，分别讨论8种取值情况。

比较重要的是，数码管的动态显示存在重影的问题。重影产生的本质是当位选信号发生改变时，上个数码管的段选信号在这一瞬间还未发生改变，但因为这个时间极短，因此只会留下淡淡的残影。如何消影呢，只要在下个数码管被点亮前，将段选信号清除即可（熄灭）。

最终效果图如下：

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数码管常用函数封装

delay.h

#ifndef _DELAY_H_
#define _DELAY_H_

#include <REGX52.H>

typedef unsigned char u8;
typedef unsigned int u16;

void delay_10us(u16);
void delay_ms(u16);

#endif

delay.c

#include "delay.h"
/** 
 **  @brief    通用函数
 **  @author   QIU
 **  @data     2023.08.23
 **/

/*-------------------------------------------------------------------*/

/**
 **  @brief   延时函数(10us)
 **  @param   t:0~65535，循环一次约10us
 **  @retval  无
 **/
void delay_10us(u16 t){
    
    
	while(t--);
}


/**
 **  @brief   延时函数（ms）
 **  @param   t:0~65535,单位ms
 **  @retval  无
 **/
void delay_ms(u16 t){
    
    
	while(t--){
    
    
		delay_10us(100);
	}
}

smg.h

#ifndef _SMG_H_
#define _SMG_H_

#include "delay.h"

#define SMG_PORT P0 
 
// 位选引脚，与38译码器相连
sbit A1 = P2^2;
sbit A2 = P2^3;
sbit A3 = P2^4;

void smg_showString(u8*, u8);
void smg_showInt(int, u8);
void smg_showFloat(double, u8, u8);

#endif

smg.c

#include "smg.h"
#include <stdio.h>
#include <math.h>
#include <string.h>
/** 
 **  @brief    数码管封装
 **  		   1. 整型数据显示
 **  		   2. 浮点型数据显示
 **  		   3. 字符串数据显示
 **  @author   QIU
 **  @date     2023.09.02
 **/


/*-------------------------------------------------------------------*/

//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
					 0x54,0x3f,0x73,0x67,0x50, //n o p q r
					 0x6d,0x3e,0x3e,0x6e,0x40};//s U v y -  


/**
 **  @brief   指定第几个数码管点亮，38译码器控制位选（不对外声明）
 **  @param   pos：从左至右，数码管位置 1~8
 **  @retval  无
 **/
void select_38(u8 pos){
    
    
	u8 temp_pos = 8 - pos; // 0~7
	A1 = temp_pos % 2; //高位
	temp_pos /= 2;
	A2 = temp_pos % 2; 
	temp_pos /= 2;
	A3 = temp_pos % 2; //低位
}


/**
 **  @brief   解析数据并取得相应数码管字形码编码
 **  @param   dat:想要显示的字符
 **  @retval  对应字形码编码值
 **/
u8 parse_data(u8 dat){
    
    
	switch(dat){
    
    
		case '0':
		case '1':
		case '2':
		case '3':
		case '4':
		case '5':
		case '6':
		case '7':
		case '8':
		case '9':return smgduan[dat-'0'];
		case 'a':
		case 'A':return smgduan[10];
		case 'b':
		case 'B':return smgduan[11];
		case 'c':
		case 'C':return smgduan[12];
		case 'd':
		case 'D':return smgduan[13];
		case 'e':
		case 'E':return smgduan[14];
		case 'f':
		case 'F':return smgduan[15];
		case 'h':
		case 'H':return smgduan[16];
		case 'i':
		case 'I':return smgduan[17];
		case 'j':
		case 'J':return smgduan[18];
		case 'l':
		case 'L':return smgduan[19];
		case 'n':
		case 'N':return smgduan[20];
		case 'o':
		case 'O':return smgduan[21];
		case 'p':
		case 'P':return smgduan[22];
		case 'q':
		case 'Q':return smgduan[23];
		case 'r':
		case 'R':return smgduan[24];
		case 's':
		case 'S':return smgduan[25];
		case 'u':
		case 'U':return smgduan[26];
		case 'v':
		case 'V':return smgduan[27];
		case 'y':
		case 'Y':return smgduan[28];
		case '-':return smgduan[29];
		default:return 0x00; //不显示
	}
}



/**
 **  @brief   根据输入的ASCII码，显示对应字符（1字节）
 **  @param   dat：字符数据，或其ASCII值
 **  @param   pos：显示位置 1~8
 **  @retval  无
 **/
void smg_showChar(u8 dat, u8 pos, bit flag){
    
    
	// 解析点亮哪一个数码管
	select_38(pos);
	// 解析数据
	SMG_PORT = parse_data(dat);
	// 加标点
	if(flag) SMG_PORT |= 0x80;
}




/**
 **  @brief   延时法刷新
 **  @param   dat：字符数组，需以'\0'结尾
 **  @param   pos：显示位置
 **  @param   dot：小数点位置
 **  @retval  无
 **/
void smg_cycle(u8 dat[], u8 pos, u8 dot){
    
    
	u8 i;
	// 超出部分直接截断
	for(i=0;(i<9-pos)&&(dat[i]!='\0');i++){
    
    
		// 如果是小数点，跳过，往前移一位
		if(dat[i] == '.'){
    
    
			pos -= 1;
			continue;
		}
		if(dot == i+1){
    
    
			smg_showChar(dat[i], pos+i, true);
		}else{
    
    
			smg_showChar(dat[i], pos+i, false);
		}
		delay_ms(1); //延时1ms
		SMG_PORT = 0x00; //消影
	}
}



/**
 **  @brief   显示字符串（动态显示）
 **  @param   dat：字符数组，需以'\0'结尾
 **  @param   pos：显示位置
 **  @retval  无
 **/
void smg_showString(u8 dat[], u8 pos){
    
    
	u8 i = 0, dot = 0;
	// 先判断是否存在小数点
	while(dat[i]!='\0'){
    
    
		if(dat[i] == '.') break;
		i++;
	}
	// 记录下标点位置
	if(i < strlen(dat)) dot = i;
	
	smg_cycle(dat, pos, dot);
}


/**
 **  @brief   数码管显示整数（含正负）
 **  @param   dat: 整数
 **  @param   pos: 显示位置
 **  @retval  无
 **/
void smg_showInt(int dat, u8 pos){
    
    
	xdata u8 temp[9];
	sprintf(temp, "%d", dat); // 含正负
	smg_showString(temp, pos);
}



/**
 **  @brief   数码管显示浮点数（含小数点）
 **  @param   dat: 浮点数
 **  @param   len: 指定精度
 **  @param   pos: 显示位置
 **  @retval  无
 **/
void smg_showFloat(double dat, u8 len, u8 pos){
    
    
	xdata u8 temp[10];
	int dat_now;
	dat_now = dat * pow(10, len) + 0.5 * (dat>0?1:-1); // 四舍五入(正负)，由于浮点数存在误差，结果未必准确
	sprintf(temp, "%d", dat_now); // 含正负
	smg_cycle(temp, pos, len?(strlen(temp) - len):0);
}

main.c

#include "smg.h"
/** 
 **  @brief    封装数码管常用功能
 **  @author   QIU
 **  @date     2023.03.10
 **/

/*-------------------------------------------------------------------*/

void main(){
    
    
	
	while(1){
    
    
		// smg_showInt(-12345, 1);       // 整数显示示例
		// smg_showString("Iloveyou", 1); // 字符串显示示例
		smg_showFloat(-3.15678, 3, 1); // 浮点数显示示例
	}
}

注：单片机浮点计算能力不强，消耗大量指令周期，应该尽量转化为整型计算。

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总结

基于延时实现的数码管的动态刷新有两个重要的时间：

1. 每个位选停留的时间t1
2. 两次整体动态刷新之间的间隔t2。

我们现在总结一下这两个时间长短对数码管显示的影响。

• 当t1比较长时，数码管逐位点亮的频率变慢，人眼会明显察觉出闪烁。由于每个位停留时间比较长，所以数码管比较亮。
• 当t1比较短时，数码管逐位点亮的频率变快，人眼无法察觉出闪烁。由于每个位停留时间比较短，所以数码管比较暗。
• 当t2比较长时，数码管整体刷新点亮的频率变慢，人眼会明显察觉出整体闪烁。
• 当t2比较短时，数码管整体刷新点亮的频率变快，人眼无法察觉出整体闪烁。

t1可以在程序中手动调节至合适的值。而t2则由程序其他代码量决定，如果其他程序耗时太长，导致t2变大，数码管将发生严重闪烁。

当然，t2的弱点将在中断篇中彻底消除，那时我们将用最佳方式刷新数码管。

数码管本质就是发光二极管的封装，所以有了LED基础之后，本节内容并不难理解。继续加油吧！