数码管在单片机上的应用详解

相信大家都见过数码管，数码管上面有abcdefg七个笔画，构成一个“日”字。那么它在单片机电路上一般是起什么作用呢？数码管都知道它是半导体发光器件，那么它的具体原理你知道多少？本文将会逐步解析这些问题，给你还原一个真实的数码管。

数码管

数码管的一种是半导体发光器件，数码管可分为七段数码管和八段数码管，区别在于八段数码管比七段数码管多一个用于显示小数点的发光二极管单元DP（decimal point），其基本单元是发光二极管。数码管是一类价格便宜使用简单，通过对其不同的管脚输入相对的电流，使其发亮，从而显示出数字能够显示 时间、日期、温度等所有可用数字表示的参数的器件。

在电器特别是家电领域应用极为广泛，如显示屏、空调、热水器、冰箱等等。绝大多数热水器用的都是数码管，其他家电也用液晶屏与荧光屏。

数码感原理

数码管常用段数一般为7段有的另加一个小数点，还有一种数码管是类似于3位“+1”型。数码管位数有半位，1，2，3，4，5，6，8，10位等等。..。，数码管根据LED的接法不同分为共阴和共阳两类，了解数码管的这些特性，数码管对编程是很重要的，因为不同类型的数码管，除了数码管的硬件电路有差异外，数码管编程方法也是不同的。数码管的发光原理是一样的，只是数码管的电源极性不同而已。数码管颜色有红，绿，蓝，黄等几种。数码管广泛用于仪表，时钟，车站，家电等场合。选用数码管时要注意产品尺寸颜色，功耗，亮度，波长等。下面将介绍常用数码管内部引脚图片。

数码管引脚定义每一笔划都是对应数码管一个字母表示数码管DP是小数点。数码管透过分时轮流控制各个数码管的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是数码管动态驱动。每位数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极体的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮LED数码管，但只要数码管扫描的速度足够快，数码管给人的印象就是一组稳定的显示资料，数码管不会有闪烁感，数码管动态显示的效果和静态显示是一样的，数码管能够节省大量的I/O口，而且数码管功耗更低。

数码管的结构

数码管原理图

这是比较常见的数码管的原理图，我们板子上一共有6个数码管。前边有了 LED 小灯的学习，数码管学习就会轻松的多了。从图5-3可以看出来，数码管共有 a、b、c、d、e、f、g、dp 这么8个段，而实际上，这8个段每一段都是一个 LED 小灯，所以一个数码管就是由8个 LED 小灯组成的。我们看一下数码管内部结构的示意图，如下图：

共阳数码管 共阴数码管

数码管分为共阳和共阴两种，共阴数码管就是8只 LED 小灯的阴极是连接在一起的，阴极是公共端，由阳极来控制单个小灯的亮灭。同理，共阳数码管就是阳极接在一起，大家可以认真研究下图5-4。细心的同学会发现，图5-3的数码管上边有2个 com，这就是我们数码管的公共端。为什么有2个呢，一方面是2个可以起到对称的效果，刚好是10个引脚，另外一个方面，公共端通过的电流较大，我们初中就学过，并联电路电流之和等于总电流，用2个 com 可以把公共电流平均到2个引脚上去，降低单条线路承受的电流。

从我们开发板的电路图上能看出来，我们所用的数码管都是共阳数码管，一共有6个，如下图：

数码管电路

6个数码管的 com 都是接到了正极上，当然了，和 LED 小灯电路一样，也是由 74HC138 控制三极管的导通来控制整个数码管的使能。先来看最右边的 DS1 这个数码管，原理图上可以看出，控制 DS1 的三极管是 Q17，控制 Q17 的引脚是 LEDS0，对应到 74HC138 上边就是 U3 的 Y0 输出，如下图：

74HC138 控制图

我们现在的目的是让 LEDS0 这个引脚输出低电平，相信大家现在可以根据前边学过的知识独立把 ADDR0、ADDR1、ADDR2、ADDR3、ENLED 这4个所需输入的值写出来了，现在大家不要偷懒，根据 74HC138 的手册去写一下，不需要你记住这些结论，但是遇到就写一次，锻炼过几次后，遇到同类芯片自己就知道如何去解决问题了。

数码管通常是用来显示数字的，我们板子上有6个数码管，习惯上称之为6位，那控制位选择的就是 74HC138 了。而数码管内部的8个 LED 小灯我们称之为数码管的段，那么数码管的段选择（即该段的亮灭）是通过 P0 口控制，经过 74HC245 驱动。

数码管的动态显示和静态显示

数码管是单片机系统中经常用到的显示器件, 从内部结构上可以分为共阴极和共阳极数码管。对不同的数码管，电路的接法也不一样，下图左为数码管的结构图。以共阳极数码管为例, 要想点亮某段, 只需要在相应的段上给低电平即可。下图右为共阳极数码管段码分布, 以及一个显示的实例。

驱动方式

按照工作方式, 数码管驱动可以分为静态显示和动态扫描。所谓静态显示, 就是每一个数码管的段码都要独占具有锁存功能的输出口, CPU把要显示的字码送到输出口上,就可以使数码管显示对应的字符, 直到下一次送出另外一个字码之前, 显示的内容一直不会消失；动态扫描是把所有显示器的8个段码中的A-dp的各个相同段连接在一起, 接到一个公共的输出口上,而数码管的位端分别接在另外的输出口上,通过这两个输出口的两组信号相互作用来产生显示效果。即让各位数码管按照一定顺序轮流显示, 只要扫描频率足够高, 由于人眼的“ 视觉暂留”现象,就能连续稳定的显示。静态显示法的优点是显示稳定、亮度大, 节约CPU时间, 但占有I/O口线较多, 硬件成本高。动态扫描其特点在于能显著降低显示部分成本,大大减少显示接口的连线结构。举例, 静态驱动4位数码管, 需要4×8=32个I/O口, 而动态的驱动位数码管只需要4+8=12个I/O口。

数码管电路图详解

单片机的I/O资源是有限的, 因此如何节省I/O口线而又不影响系统的功能是单片机工程师面临的实际问题。图2采用是串行转并行芯片74HC595和三线一八线译码器实现8位数码管的驱动, 好处是可以节省更多的I/O口线作其他用途。正常驱动8个数码管需要8+8=16根口线, 采用595+138的方式只需要3+3=6根。

数码管显示电路连接图

为了更好地理解电路, 这里简单介绍一下74HC595和74LS138两个芯片的作用。74HC595是一款串行移位输入、8位并行输出的芯片, 内带数据移位寄存器和三态输出锁存器；SER为串行数据输入；SRCLK为移位时钟输入；RCLK为锁存控制输入；QA-QH为数据输出, QH’为向下一片(位)的串行数据输出。74LS138是一个3线一8线的译码器, 低电平有效输出, 因此每个时刻输出端口只有一个是低电平, 其余都是高电平输出, 因此可以驱动共阴极数码管。如果驱动共阳极的数码管还需要做一个非门的转换。最后, 为了增加单片机I/O的输出能力, 在74HC595与数码管之间串接了一个74HC245并行驱动芯片。

从电路图中可以看到, 每个芯片的电源和地附近都接了一个104电容, 这个高频滤波电容, 可以减小电源对IC的影响。注意高频电容的布线, 连线应靠近电源端并尽量粗短, 否则, 等于增大了电容的等效串联电阻, 会影响滤波效果。其实, 不加这个电容也可以, 但万一因为干扰出了问题, 就会很难查找根源, 实际调试电路板的时候就会发现电容的作用非常大的, 而这些恰恰是初学者容易忽略的地方。

关健程序分析

动态扫描需要注意的一个问题, 由于所有数码管的段码接到一个公用的I/O上, 在每个瞬间, 各个位数码管上的段码都是一样的, 要想在不同的位显示不同的信息, 必须用扫描显示的方式, 在一段时间内, 只点亮一个数码管, 其余的都处于关闭状态；下一个时间段内点亮下一个数码管, 其余的都处于关闭状态。如此循环, 造成一个视觉暂留的效果, 当闪烁的频率大于50Hz的时候, 人眼就分辨不出来了, 即各个位上显示的信息就“ 区分”开了。扫描频率过高, 每个位显示的时间太短, 数码管的亮度不够；扫描频率过低, 会有明显的闪烁感。这个时间需要根据不同的硬件电路, 做不同的调整, 而且跟数码管的个数有关, 一般的经验值延时10ms左右。

数码管动态显示流程图

数码管在单片机电路中的简单应用

本应用以基于51单片机下数码管应用：

从上文我们已经知道了数码管分为共阳管和共阴管。数码管从高位到低位的段码依次是h(dp),g,f,e,d,c,b,a共八位。共阴管是“1”表示亮，“0”表示灭，而共阳管则是相反的。顺便提一句，若是要检测数码管是否完好，可以用数码管“8”来检测。

基于51单片机下数码管显示程序

若是要在数码管上显示0~F，则可以用一套固定的十六进制数表示，可以放在数组中，为{0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71}。这一个数组是用来表示共阴管的亮的，而若是共阳管的时候，需要在前面加上“~”。

独立共阳管显示0-F

8位共阴管显示有静态扫描和动态扫描两种方式。

1、8个同时显示0-F 静态扫描

2、显示0-F：先是显示0-7，然后显示8-F 位：第1-8位，第1-8位 动态扫描

总结

简而言之，数码管不管是在日常生活还是在电路中都应用广泛，本文不可能一一讲解清楚，如有不足之处，还请海涵。