相信大家都見過數(shù)碼管，數(shù)碼管上面有abcdefg七個筆畫，構(gòu)成一個“日”字。那么它在單片機電路上一般是起什么作用呢？數(shù)碼管都知道它是半導體發(fā)光器件，那么它的具體原理你知道多少？本文將會逐步解析這些問題，給你還原一個真實的數(shù)碼管。

數(shù)碼管

數(shù)碼管的一種是半導體發(fā)光器件，數(shù)碼管可分為七段數(shù)碼管和八段數(shù)碼管，區(qū)別在于八段數(shù)碼管比七段數(shù)碼管多一個用于顯示小數(shù)點的發(fā)光二極管單元DP（decimal point），其基本單元是發(fā)光二極管。數(shù)碼管是一類價格便宜使用簡單，通過對其不同的管腳輸入相對的電流，使其發(fā)亮，從而顯示出數(shù)字能夠顯示 時間、日期、溫度等所有可用數(shù)字表示的參數(shù)的器件。

在電器特別是家電領域應用極為廣泛，如顯示屏、空調(diào)、熱水器、冰箱等等。絕大多數(shù)熱水器用的都是數(shù)碼管，其他家電也用液晶屏與熒光屏。

數(shù)碼感原理

數(shù)碼管常用段數(shù)一般為7段有的另加一個小數(shù)點，還有一種數(shù)碼管是類似于3位“+1”型。數(shù)碼管位數(shù)有半位，1，2，3，4，5，6，8，10位等等。..。，數(shù)碼管根據(jù)LED的接法不同分為共陰和共陽兩類，了解數(shù)碼管的這些特性，數(shù)碼管對編程是很重要的，因為不同類型的數(shù)碼管，除了數(shù)碼管的硬件電路有差異外，數(shù)碼管編程方法也是不同的。數(shù)碼管的發(fā)光原理是一樣的，只是數(shù)碼管的電源極性不同而已。數(shù)碼管顏色有紅，綠，藍，黃等幾種。數(shù)碼管廣泛用于儀表，時鐘，車站，家電等場合。選用數(shù)碼管時要注意產(chǎn)品尺寸顏色，功耗，亮度，波長等。下面將介紹常用數(shù)碼管內(nèi)部引腳圖片。

數(shù)碼管引腳定義每一筆劃都是對應數(shù)碼管一個字母表示數(shù)碼管DP是小數(shù)點。數(shù)碼管透過分時輪流控制各個數(shù)碼管的COM端，就使各個數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是數(shù)碼管動態(tài)驅(qū)動。每位數(shù)碼管的點亮時間為1～2ms，由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極體的余輝效應，盡管實際上各位數(shù)碼管并非同時點亮LED數(shù)碼管，但只要數(shù)碼管掃描的速度足夠快，數(shù)碼管給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示資料，數(shù)碼管不會有閃爍感，數(shù)碼管動態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，數(shù)碼管能夠節(jié)省大量的I/O口，而且數(shù)碼管功耗更低。

數(shù)碼管的結(jié)構(gòu)

數(shù)碼管原理圖

這是比較常見的數(shù)碼管的原理圖，我們板子上一共有6個數(shù)碼管。前邊有了 LED 小燈的學習，數(shù)碼管學習就會輕松的多了。從圖5-3可以看出來，數(shù)碼管共有 a、b、c、d、e、f、g、dp 這么8個段，而實際上，這8個段每一段都是一個 LED 小燈，所以一個數(shù)碼管就是由8個 LED 小燈組成的。我們看一下數(shù)碼管內(nèi)部結(jié)構(gòu)的示意圖，如下圖：

共陽數(shù)碼管 共陰數(shù)碼管

數(shù)碼管分為共陽和共陰兩種，共陰數(shù)碼管就是8只 LED 小燈的陰極是連接在一起的，陰極是公共端，由陽極來控制單個小燈的亮滅。同理，共陽數(shù)碼管就是陽極接在一起，大家可以認真研究下圖5-4。細心的同學會發(fā)現(xiàn)，圖5-3的數(shù)碼管上邊有2個 com，這就是我們數(shù)碼管的公共端。為什么有2個呢，一方面是2個可以起到對稱的效果，剛好是10個引腳，另外一個方面，公共端通過的電流較大，我們初中就學過，并聯(lián)電路電流之和等于總電流，用2個 com 可以把公共電流平均到2個引腳上去，降低單條線路承受的電流。

從我們開發(fā)板的電路圖上能看出來，我們所用的數(shù)碼管都是共陽數(shù)碼管，一共有6個，如下圖：

數(shù)碼管電路

6個數(shù)碼管的 com 都是接到了正極上，當然了，和 LED 小燈電路一樣，也是由 74HC138 控制三極管的導通來控制整個數(shù)碼管的使能。先來看最右邊的 DS1 這個數(shù)碼管，原理圖上可以看出，控制 DS1 的三極管是 Q17，控制 Q17 的引腳是 LEDS0，對應到 74HC138 上邊就是 U3 的 Y0 輸出，如下圖：

74HC138 控制圖

我們現(xiàn)在的目的是讓 LEDS0 這個引腳輸出低電平，相信大家現(xiàn)在可以根據(jù)前邊學過的知識獨立把 ADDR0、ADDR1、ADDR2、ADDR3、ENLED 這4個所需輸入的值寫出來了，現(xiàn)在大家不要偷懶，根據(jù) 74HC138 的手冊去寫一下，不需要你記住這些結(jié)論，但是遇到就寫一次，鍛煉過幾次后，遇到同類芯片自己就知道如何去解決問題了。

數(shù)碼管通常是用來顯示數(shù)字的，我們板子上有6個數(shù)碼管，習慣上稱之為6位，那控制位選擇的就是 74HC138 了。而數(shù)碼管內(nèi)部的8個 LED 小燈我們稱之為數(shù)碼管的段，那么數(shù)碼管的段選擇（即該段的亮滅）是通過 P0 口控制，經(jīng)過 74HC245 驅(qū)動。

數(shù)碼管的動態(tài)顯示和靜態(tài)顯示

數(shù)碼管是單片機系統(tǒng)中經(jīng)常用到的顯示器件, 從內(nèi)部結(jié)構(gòu)上可以分為共陰極和共陽極數(shù)碼管。對不同的數(shù)碼管，電路的接法也不一樣，下圖左為數(shù)碼管的結(jié)構(gòu)圖。以共陽極數(shù)碼管為例, 要想點亮某段, 只需要在相應的段上給低電平即可。下圖右為共陽極數(shù)碼管段碼分布, 以及一個顯示的實例。

驅(qū)動方式

按照工作方式, 數(shù)碼管驅(qū)動可以分為靜態(tài)顯示和動態(tài)掃描。所謂靜態(tài)顯示, 就是每一個數(shù)碼管的段碼都要獨占具有鎖存功能的輸出口, CPU把要顯示的字碼送到輸出口上,就可以使數(shù)碼管顯示對應的字符, 直到下一次送出另外一個字碼之前, 顯示的內(nèi)容一直不會消失；動態(tài)掃描是把所有顯示器的8個段碼中的A-dp的各個相同段連接在一起, 接到一個公共的輸出口上,而數(shù)碼管的位端分別接在另外的輸出口上,通過這兩個輸出口的兩組信號相互作用來產(chǎn)生顯示效果。即讓各位數(shù)碼管按照一定順序輪流顯示, 只要掃描頻率足夠高, 由于人眼的“ 視覺暫留”現(xiàn)象,就能連續(xù)穩(wěn)定的顯示。靜態(tài)顯示法的優(yōu)點是顯示穩(wěn)定、亮度大, 節(jié)約CPU時間, 但占有I/O口線較多, 硬件成本高。動態(tài)掃描其特點在于能顯著降低顯示部分成本,大大減少顯示接口的連線結(jié)構(gòu)。舉例, 靜態(tài)驅(qū)動4位數(shù)碼管, 需要4×8=32個I/O口, 而動態(tài)的驅(qū)動位數(shù)碼管只需要4+8=12個I/O口。

數(shù)碼管電路圖詳解

單片機的I/O資源是有限的, 因此如何節(jié)省I/O口線而又不影響系統(tǒng)的功能是單片機工程師面臨的實際問題。圖2采用是串行轉(zhuǎn)并行芯片74HC595和三線一八線譯碼器實現(xiàn)8位數(shù)碼管的驅(qū)動, 好處是可以節(jié)省更多的I/O口線作其他用途。正常驅(qū)動8個數(shù)碼管需要8+8=16根口線, 采用595+138的方式只需要3+3=6根。

數(shù)碼管顯示電路連接圖

為了更好地理解電路, 這里簡單介紹一下74HC595和74LS138兩個芯片的作用。74HC595是一款串行移位輸入、8位并行輸出的芯片, 內(nèi)帶數(shù)據(jù)移位寄存器和三態(tài)輸出鎖存器；SER為串行數(shù)據(jù)輸入；SRCLK為移位時鐘輸入；RCLK為鎖存控制輸入；QA-QH為數(shù)據(jù)輸出, QH’為向下一片(位)的串行數(shù)據(jù)輸出。74LS138是一個3線一8線的譯碼器, 低電平有效輸出, 因此每個時刻輸出端口只有一個是低電平, 其余都是高電平輸出, 因此可以驅(qū)動共陰極數(shù)碼管。如果驅(qū)動共陽極的數(shù)碼管還需要做一個非門的轉(zhuǎn)換。最后, 為了增加單片機I/O的輸出能力, 在74HC595與數(shù)碼管之間串接了一個74HC245并行驅(qū)動芯片。

從電路圖中可以看到, 每個芯片的電源和地附近都接了一個104電容, 這個高頻濾波電容, 可以減小電源對IC的影響。注意高頻電容的布線, 連線應靠近電源端并盡量粗短, 否則, 等于增大了電容的等效串聯(lián)電阻, 會影響濾波效果。其實, 不加這個電容也可以, 但萬一因為干擾出了問題, 就會很難查找根源, 實際調(diào)試電路板的時候就會發(fā)現(xiàn)電容的作用非常大的, 而這些恰恰是初學者容易忽略的地方。

關(guān)健程序分析

動態(tài)掃描需要注意的一個問題, 由于所有數(shù)碼管的段碼接到一個公用的I/O上, 在每個瞬間, 各個位數(shù)碼管上的段碼都是一樣的, 要想在不同的位顯示不同的信息, 必須用掃描顯示的方式, 在一段時間內(nèi), 只點亮一個數(shù)碼管, 其余的都處于關(guān)閉狀態(tài)；下一個時間段內(nèi)點亮下一個數(shù)碼管, 其余的都處于關(guān)閉狀態(tài)。如此循環(huán), 造成一個視覺暫留的效果, 當閃爍的頻率大于50Hz的時候, 人眼就分辨不出來了, 即各個位上顯示的信息就“ 區(qū)分”開了。掃描頻率過高, 每個位顯示的時間太短, 數(shù)碼管的亮度不夠；掃描頻率過低, 會有明顯的閃爍感。這個時間需要根據(jù)不同的硬件電路, 做不同的調(diào)整, 而且跟數(shù)碼管的個數(shù)有關(guān), 一般的經(jīng)驗值延時10ms左右。

數(shù)碼管動態(tài)顯示流程圖

數(shù)碼管在單片機電路中的簡單應用

本應用以基于51單片機下數(shù)碼管應用：

從上文我們已經(jīng)知道了數(shù)碼管分為共陽管和共陰管。數(shù)碼管從高位到低位的段碼依次是h(dp),g,f,e,d,c,b,a共八位。共陰管是“1”表示亮，“0”表示滅，而共陽管則是相反的。順便提一句，若是要檢測數(shù)碼管是否完好，可以用數(shù)碼管“8”來檢測。

基于51單片機下數(shù)碼管顯示程序

若是要在數(shù)碼管上顯示0~F，則可以用一套固定的十六進制數(shù)表示，可以放在數(shù)組中，為{0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71}。這一個數(shù)組是用來表示共陰管的亮的，而若是共陽管的時候，需要在前面加上“~”。

獨立共陽管顯示0-F

8位共陰管顯示有靜態(tài)掃描和動態(tài)掃描兩種方式。

1、8個同時顯示0-F 靜態(tài)掃描

2、顯示0-F：先是顯示0-7，然后顯示8-F 位：第1-8位，第1-8位 動態(tài)掃描

總結(jié)