03_数码管动态扫描显示

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SM10501)，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(SM20501)。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。

03_数码管动态扫描显示 - 图1

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:

$R = \frac{V_{cc} - V_{CE} - V_{OL} - V_{LED}}{I_{D}}$

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

$R_{b} = \frac{V_{CC} - V_{EB} - V_{OL}}{I_{B}}$

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。

03_数码管动态扫描显示 - 图2

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<DigitalTubeNumber; 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<DigitalTubeNumber; 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 {
                                   // 到10，这一位清0，并继续循环更新高位显存

                                   pBuffer[DigitalTubeNumber-1-i] =0;

                            }

                     }

              }

       }

}

附录：

此章节的Keil工程，包含源码，Preteus仿真，包含仿真电路，可直接查看效果，DigitalTube.rar。