8.1 八段數碼管簡介

在我們生活中隨處可見數碼管的應用，數碼管的應用形式多種多樣，拋開事物表象，深入到它的本質，正所謂萬變不離其中，數碼管應用的原理都是基本相通的。本章我們將詳細介紹數碼管的基本原理以及數碼管的應用。最典型的數碼管為8段LED數碼管，外觀如下圖所示：

如上圖所示，數碼管包括A、B、C、D、E、F、G以及DP共8段，實際上8段為8個獨立的LED。上面8段LED組成1位數碼管。數碼管按照內部連接方法的不同分為共陰型或共陽，當8段LED的陰極連接在一起稱為為共陰型，陽極連接在一起稱為共陽型。如下圖所示為4位共陽型的8 段數碼管。

如上圖所示，4位數碼管每一位的8段LED的陽極連在一起，組成共陽極型數碼管，8段數碼管的陰極分別連接在一起。當選中某一位的陽極使其為高電平，使8段數碼管的陰極對應的位低電平便可點亮數碼管。例如，DP、G、F、E、D、C、B、A電平值依次為：1、1、1、1、1、0、0、1時數碼管顯示為數字1。據此可以編輯共陽數碼管的真值表，如下表所示：

一般點亮一段數碼管需要至少10mA， 而單片機管腳輸出的電流較小，無法驅動數碼管，可以采用上拉電阻、三極管驅動或采用專用驅動芯片進行驅動。RY-51單片機開發板采用兩個74HC573驅動芯片，驅動2個4位的數碼管，共8位數碼管如下圖所示：

8.2 鎖存器74HC573功能介紹

如上圖所示，U3，U4為8位的數據鎖存器74HC573，D7-D0為數據輸入端，Q7-Q0為與輸入端一一對應的輸出端。74HC573有2個控制信號分別為第1、11管腳、1管腳為芯片使能控制端，11管腳為數據鎖存控制端。

當1接高電平時，芯片不工作，無論數據輸入端為高、低電平，輸出端Q7-Q0為高阻態。只有當1管腳為低電平時，芯片才能正常工作，如圖8-3所示U3、U4均將1管腳直接接地。

在1管腳接地的情況下，當11管腳為高電平時，D7-D0輸入為高電平時，Q7-Q0輸出為高、同理當輸入為低電平時，輸出為低電平，此時相當于芯片的D7-D0與Q7-Q0是一一連通的。

當11管腳為低電平時，無論輸入端D7-D0是高或者低電平，Q7-Q0保持原來的值不變。

利用上面的特點我們就可以實現數據的鎖存了。假設我們要把0xFB鎖存到Q7-Q0，首先使11管腳為高電平，給輸入端D7-D0賦值0xFB，此時輸出端Q7-Q0輸出為0xFB，此時將11管腳拉為低電平并一直保持，那么此后無論輸入端D7-D0為何值，Q7-Q0均為0xFB，因此完成了數據的鎖存。74HC573真值表如下表所示：

如上面原理圖所示，根據鎖存器74HC573的特點，利用單片的一個8位端口，以及兩個用于控制的I/O口便能控制8位數碼管了。如圖所示，輸入數據D7-D0與單片的P0口相連，U3、U4的11管腳分別與單片機的I/O口P2.7、P2.6相連。鎖存器U3的輸出端Q7~Q0分別與數碼管的a-g,DP相連，鎖存器U4的輸出端Q7-Q0分別與8位數碼管的公共端相連。

8.3 單片機控制數碼管

下面我們通過舉例來講解數碼管的控制過程，以使第5位數碼管顯示數字8為例。如表8-1所示數字8對應數碼管真值為0x80,通過單片機的P0口將0x80鎖存到U3的輸出口。如圖8-3所示，第5位數碼管公共端WE5對應的是鎖存器U4的Q4，應只需Q4為高電平，Q7-Q5，Q3-Q1為低電平，便可使第5位數碼管顯示數字8，其它數碼管不顯示。因此通過單片機的P0口將0x10鎖存到U4。數碼管的顯示總結如下，首先將字碼鎖存到U3，然后將數碼管的顯示位鎖存到U4。數碼管顯示程序如下所示：

/*----------------------------------------------------
** 數碼管5顯示數字8
----------------------------------------------------*/
#include< reg52.h >

sbit DU = P2^7;
sbit WE = P2^6;

void main()
{
	P0 = 0x80;//顯示數字8
	DU = 1;
	DU = 0;

	P0 = 0x10;//第5位數碼管
	WE = 1;
	WE = 0;

	while(1);
}

程序代碼如上所示，在主程序中首先把數字8鎖存到鎖存器U3，然后將數碼管5公共端的高電平鎖存到U4，將程序編譯并下載到單片機檢驗實際顯示效果。每一個數字對應數碼管都是固定的，在實際應用中每條語句中都對P0進行賦值的話會比較繁瑣而且不便于程序閱讀，我們往往將數碼管的真值放在一個數組中，程序中調用數組即可，改進程序如下所示：

/*----------------------------------------------------
** 數碼管5顯示數字8,字碼組放入數組中
----------------------------------------------------*/
#include< reg52.h >

#define uchar  unsigned char
#define uint unsigned int

sbit DU = P2^7;
sbit WE = P2^6;

//共陽型(0~9,A,b,C,d,E,F,全亮,全滅)，字碼組
uchar code table_D[]={0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90,0x88,0x83,0xC6,0xA1,0x86,0x8E,0x00,0xFF};
//位選數組
uchar code table_W[]={0x01,0x02,0x04,0x08,0x10,0x20,0x40,0x80,0xFF,0x00};

void main()
{
	
	P0 = table_D[8];//顯示數字8
	DU = 1;
	DU = 0;

	P0 = table_W[4];//第5位數碼管
	WE = 1;
	WE = 0;

	while(1);
}

如代碼所示，將數碼管真值表放入數組table_D[]，數組的第0位對應的數字為0，第8位對應的數字為8，因此，如代碼所示，需要顯示數字8，直接將table_D[8]，賦值給P0即可，方便又好記。Table_W[]設計的原理相同。將程序下載到開發板，顯示效果與前面保持一致。

前面講解的都是讓某一個數碼管顯示某一個固定的值，下面我們講解較為復雜一點數碼管顯示。例如，第1位數碼管顯示數字0，500ms之后第2位數碼管顯示數字1，直到第8位數碼管顯示7，然后循環上述步驟。要實現上面的功能我們需要用到前面講解的定時器功能，即每500ms在定時器中斷程序中給數碼管更新一次數值。程序代碼如下所示。

/*----------------------------------------------------
** 數碼管1~8循環顯示數字0~7，間隔500ms
** 定時器中斷方式
----------------------------------------------------*/
#include< reg52.h >

#define uchar  unsigned char
#define uint unsigned int

#define FOSC 11059200 //單片機晶振頻率
#define T_1ms (65536 - FOSC/12/1000)  //定時器初始值計算

uint count = 0;
uint flag  = 0;

sbit DU = P2^7;
sbit WE = P2^6;
//共陽型(0~9,A,b,C,d,E,F,全亮,全滅)，字碼組
uchar code table_D[]={0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90,0x88,0x83,0xC6,0xA1,0x86,0x8E,0x00,0xFF};
//位選數組
uchar code table_W[]={0x01,0x02,0x04,0x08,0x10,0x20,0x40,0x80,0xFF,0x00};
void main()
{
	TMOD = 0x01;	 //定時器工作模式配置
	TL0  = T_1ms;	//裝載初始值
	TH0  = T_1ms >>8;

	TR0  = 1;		 //啟動定時器
	ET0  = 1;		 //允許定時器中斷
	EA   = 1;		 //開總中斷

	while(1);	  //循環
}

void timer0() interrupt 1
{
	TL0 = T_1ms;//重裝初始值
	TH0 = T_1ms >>8;

	count++;
	if(count >= 500)//每一毫秒進入一次中斷，達到500次則為500ms,跟新一次數碼管顯示。
	{
		count = 0;

		P0 = table_D[flag];//數字0~7循環
		DU = 1;
		DU = 0;
	
		P0 = table_W[flag];//數碼管1~8循環點亮
		WE = 1;
		WE = 0;

		flag++;
		if(flag >=8)
			flag =0;
	}
}

將程序下載到單片機開發板檢驗效果是否與預期一致。

8.4動態顯示數碼管

前面講解的數碼管顯示均為在某個時間內只能顯示一個數碼管，那么如何讓8個數碼管同時顯示不同的數。前面我們講解的例子為數碼管1到8分別顯示數字1到8，顯示的間隔時間為500ms，如果我們將時間間隔該為100ms，那么數碼管切換的速度比以前快了5倍，當把間隔該為2ms時，由于間隔時間太短，感覺前一個數碼管還沒來的及完全熄滅，后面的數碼管就點亮了，這就是人眼睛的視覺暫留效應。

因此，你可以看到數碼管上同時顯示了01234567共八個數，這就是動態數碼管顯示的原理。只需要將上面的程序稍加改動便可實現，將語句“if(count>=500)”改為“if(count>=2)”。將修改好的程序編譯下載到開發板觀察效果。

8.5 數碼管消隱

當把上面的程序下載到開發板時，8位數碼管會同時顯示“01234567”共8個數字。但是，細心的同學會發現，有的數碼管不應該顯示的段會有點亮，但亮度會比較低，看起來像陰影一樣。這種現象是怎么形成的呢，又該怎么消除呢？下面我們通過程序來具體分析。

8.4節所講的定時器中斷程序如上圖所示，根據前面介紹可知，每隔2ms語句51-59會執行一次，每次flag的值會加1。第一次時flag=0,數碼管1顯示數字0，第二次時，flag=1,數碼管2顯示數字1，如此循環下去。當第二次執行到第51行語句時，此時還沒有選擇數碼管2，而是第一次執行語句57時選中了的數碼管1，只有當語句執行到57時，才完成數碼管2的選定，因此，在執行語句51-57期間，是數碼管1顯示了數字1，當執行到57之后的2ms時間內是數碼管2顯示了數字1。由于語句執行語句51-57的時間遠小于2m,因此亮度較低，這就是我們上面觀察到的陰影。陰影產生的原因找到了，下面我們講解陰影的消除了。如果我們在語句51之前先把所有的數碼關都關掉，就不會出現上述情況了。程序如下：

void timer0() interrupt 1
{
	TL0 = T_1ms;//重裝初始值
	TH0 = T_1ms >>8;

	count++;
	if(count >= 2)//每一毫秒進入一次中斷，達到2次則為2ms更新一次數碼管。
	{
		count = 0;

		P0 =table_W[9];//關閉所有數碼管，消隱處理
		WE = 1;
		WE = 0;

		P0 = table_D[flag];//數字0~7循環
		DU = 1;
		DU = 0;
	
		P0 = table_W[flag];//數碼管1~8循環點亮
		WE = 1;
		WE = 0;

		flag++;
		if(flag >=8)
			flag =0;
	}
}

將程序重新編譯，下載到開發板。正如程序設計所愿，數碼管陰影成功被消除。

8.6 數碼管應用

這里我們在擴展一下數碼管的應用，做一個簡單秒表，在數碼管上顯示。程序設計原理如下：在定時器中斷程序中增加一個變量T_count，當1ms進入一次定時器中斷時自加一次，然后在主程序中判斷是否達到了1000次即1s的時間，每秒鐘變量Sec自加1次，記錄時間。將sec個、十、百、千位保存到數組Buf_LED[]中，在將數組顯示到數碼管上，程序如下所示：

/*----------------------------------------------------
** 秒表
----------------------------------------------------*/
#include< reg52.h >

#define uchar  unsigned char
#define uint unsigned int

#define FOSC 11059200 //單片機晶振頻率
#define T_1ms (65536 - FOSC/12/1000)  //定時器初始值計算

uint count = 0;
uint flag  = 0;

uint T_count  = 0;
uint Sec   = 0;

sbit DU = P2^7;
sbit WE = P2^6;	

uchar  Buf_LED[8] ={0};


//共陽型(0~9,A,b,C,d,E,F,全亮,全滅)，字碼組
uchar code table_D[]={0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90,0x88,0x83,0xC6,0xA1,0x86,0x8E,0x00,0xFF};
//位選數組
uchar code table_W[]={0x01,0x02,0x04,0x08,0x10,0x20,0x40,0x80,0xFF,0x00};

void main()
{
	TMOD = 0x01;	 //定時器工作模式配置
	TL0  = T_1ms;	//裝載初始值
	TH0  = T_1ms >>8;

	TR0  = 1;		 //啟動定時器
	ET0  = 1;		 //允許定時器中斷
	EA   = 1;		 //開總中斷

	while(1)	  //循環
	{
		if(T_count >=1000)
		{
			T_count =0;
			Sec++;
		
		Buf_LED[7]= Sec%10;
		Buf_LED[6]= Sec/10%10;
		Buf_LED[5]= Sec/100%10;
		Buf_LED[4]= Sec/1000%10;
		}
	}
}

void timer0() interrupt 1
{
	TL0 = T_1ms;//重裝初始值
	TH0 = T_1ms >>8;
	
	T_count++;
	count++;
	if(count >= 2)//每一毫秒進入一次中斷，達到2次則為2ms更新一次數碼管。
	{
		count = 0;

		P0 =table_W[9];//關閉所有數碼管，消隱處理
		WE = 1;
		WE = 0;

		P0 = table_D[Buf_LED[flag]];//顯示秒
		DU = 1;
		DU = 0;
	
		P0 = table_W[flag];//數碼管1~8循環點亮
		WE = 1;
		WE = 0;

		flag++;
		if(flag >=8)
			flag =0;
	}
}

8.7本章小結

本章詳細介紹了數碼管的工作原理、鎖存器74HC573的工作原理及使用。數碼管的顯示控制以數碼管顯示中的定時器應用。