一、本文內(nèi)容提要

介紹了單片機(jī)外接鍵盤的原理，并給出了應(yīng)用實(shí)例。本期將介紹單片機(jī)動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)段式數(shù)碼管。通過該講，讀者可以掌握段式數(shù)碼管的工作原理和如何通過動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)的方法設(shè)計(jì)電路以及程序。

二、原理簡(jiǎn)介

常用的段式數(shù)碼管有七段式和八段式，八段比七段多了一個(gè)小數(shù)點(diǎn)，其他的基本相同。所謂的幾段就是指數(shù)碼管里有相應(yīng)的幾個(gè)小LED 發(fā)光二極管，通過控制不同的LED 的亮滅來顯示出不同的字形（見圖1（a））。從各發(fā)光二極管的電極連接方式又可以分為共陽極和共陰極兩種類型。共陰極則是所有的二極管的陰極連接在一起，而陽極是分離的（見圖1（b））；而共陽極就是所有二極管的陽極是公共相連，而陰極則是分離的（見圖1（c））。本學(xué)習(xí)板采用的是八段共陰極數(shù)碼管，型號(hào)為L(zhǎng)G3641AH。

圖1 數(shù)碼管內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

前文所述，數(shù)碼管與發(fā)光二極管的工作原理相同，共陽極時(shí)，所有正端接電源正極，當(dāng)負(fù)端有低電平時(shí)，該段有電流流過，發(fā)光管亮，當(dāng)負(fù)端為高電平時(shí)，該段無電流流過，發(fā)光管不亮。要顯示什么數(shù)字，就使對(duì)應(yīng)的段為低電平（見表1）。共陰極與共陽極的電平變化狀態(tài)相反。當(dāng)每個(gè)段的驅(qū)動(dòng)電流為2~20mA，電流越大，發(fā)光越亮。

表1 顯示的數(shù)字和七段碼各位的對(duì)應(yīng)關(guān)系表

常用的七段式數(shù)碼管的硬件驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方法有：靜態(tài)驅(qū)動(dòng)與動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)。

靜態(tài)驅(qū)動(dòng)即指每個(gè)數(shù)碼管的數(shù)據(jù)線都有一個(gè)單獨(dú)的數(shù)據(jù)鎖存器，數(shù)據(jù)鎖存器輸入的數(shù)據(jù)由使能端控制，當(dāng)使能端為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)（要顯示的七段碼）進(jìn)入顯示器，使能端與地址譯碼器的輸出相連，要顯示那位，則選通那位的地址，在軟件設(shè)計(jì)上不要求程序循環(huán)，也不存在顯示數(shù)字發(fā)生閃爍。但是這樣會(huì)占用很多口線。

動(dòng)態(tài)顯示是將所有位數(shù)碼管的段選線并聯(lián)在一起，由位選線控制是哪一位數(shù)碼管有效。這樣一來，就沒有必要每一位數(shù)碼管配一個(gè)鎖存器，從而節(jié)省了口線，地簡(jiǎn)化了硬件電路。所謂動(dòng)態(tài)掃描顯示即輪流向各位數(shù)碼管送出字形碼和相應(yīng)的位選，利用發(fā)光管的余輝和人眼視覺暫留作用，使人的感覺好像各位數(shù)碼管同時(shí)都在顯示。

三、電路詳解

此講的電路圖如圖2。從圖2 中可以看出，驅(qū)動(dòng)八個(gè)八段數(shù)碼管總共用了6 個(gè)單片機(jī)IO 口，其中三個(gè)IO通過控制74HC595 來實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)碼管中的各段驅(qū)動(dòng)，另外三個(gè)IO 通過控制74HC138 來實(shí)現(xiàn)對(duì)8 個(gè)數(shù)碼管中的公共端驅(qū)動(dòng)。此外為了增加74HC595 輸出的驅(qū)動(dòng)能力，在其輸出后接了一級(jí)74HC245 芯片，以提高驅(qū)動(dòng)能力，增加數(shù)碼管的亮度。在這里對(duì)這三個(gè)芯片進(jìn)行介紹說明。

圖2 數(shù)碼管動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)電路圖

74HC138 是常用的3-8 線譯碼器， 即具有3 個(gè)輸入端（ 管腳1,2,3） 與8 個(gè)輸出端（ 管腳15,14,13,12,11,10,9,7），作用為完成3 位二進(jìn)制數(shù)據(jù)到8 位片選的譯碼。也就是說，3 個(gè)輸入端對(duì)應(yīng)8 個(gè)二進(jìn)制數(shù)據(jù)（000,001,010,011,100,101,110,111），對(duì)于每個(gè)輸入的數(shù)據(jù)，輸出端相應(yīng)位輸出低電平，其他7 位輸出高電平。74HC138 具有2 個(gè)低電平使能端（管腳4,5）與1 個(gè)高電平使能端（管腳6）， 當(dāng)?shù)碗娖绞鼓芏私拥碗娖角腋唠娖绞鼓芏私痈唠娖綍r(shí)74HC138 才能正常工作，否則8 個(gè)輸出端全部輸出高電平。因此在本學(xué)習(xí)板上設(shè)置一個(gè)跳線，如圖2 中所示中的SM-EN 短路塊，跳上時(shí)表示接低電平，74HC138 正常工作，跳開時(shí)表示接高電平，74HC138 不工作。74HC138 的真值表如表2 所示：H 代表高電平，L 代表低電平，X 代表不定的狀態(tài)。

表2 74HC138輸入輸出真值表

74HC595 是8 位串行輸入/ 輸出或者并行輸出移位寄存器芯片，可以將串行的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)為并行的輸出，這樣可以節(jié)約控制器的IO 口資源，因而廣泛應(yīng)用。

74HC595 最多需要5 根控制線， 即SDI（Pin14）、SCK（Pin11）、RCK（Pin12）、?（Pin10）和（Pin13）。圖2 中將?直接接到高電平， 用軟件來實(shí)現(xiàn)寄存器清零；?直接接到低電平， 一直輸出有效。把其余三根線和單片機(jī)的I/O 口相接， 即可實(shí)現(xiàn)對(duì)74HC595 的控制。數(shù)據(jù)從SDI 口送入74HC595 , 在每個(gè)SCK 的上升沿， SDI 口上的數(shù)據(jù)移入寄存器， 在SCK 的第9 個(gè)上升沿， 數(shù)據(jù)開始從SDO 移出。如果把第一個(gè)74HC595的SDO 和第二個(gè)74HC595 的SDI 相接， 數(shù)據(jù)即移入第二個(gè)74HC595 中， 照此一個(gè)個(gè)接下去， 可接任意多個(gè)。數(shù)據(jù)全部送完后， 給RCK 一個(gè)上升沿， 寄存器中的數(shù)據(jù)即置入鎖存器。此時(shí)為低電平， 數(shù)據(jù)即從并口Q0 ～ Q7 輸出。

74HC245 為八總線收發(fā)器芯片，即可以將數(shù)據(jù)從A 總線端口傳送到B 總線端口，也可將數(shù)據(jù)從B 總線端口傳送到A 總線端口。傳送方向由方向控制管腳DIR（芯片1 腳）輸入的邏輯電平而定。其真值表如表3 所示：

表3 74HC245輸入輸出真值表

H 代表高電平，L 代表低電平，X 代表不定的狀態(tài)。

四、程序設(shè)計(jì)

本講設(shè)計(jì)實(shí)例核心程序如下：

……

#define SDI P2_7 （ 1）

#define SCLK P2_6 （ 2）

#define RCLK P2_5 （ 3）

……

void dat_in（unsigned char dat） （ 4）

{

unsigned char i; （ 5）

for（i=0;i<8;i++） （ 6）

{

SCLK=0; （ 7）

SDI=dat&0X80; （ 8）

dat《=1; （ 9）

SCLK=1; （ 10）

}

RCLK=0; （ 11）

RCLK=1; （ 12）

}

程序詳細(xì)說明：

（1）將數(shù)據(jù)輸出端定義為P2.7 管腳。

（2）將數(shù)據(jù)時(shí)鐘輸出端定義為P2.6 管腳。

（3）將寄存器時(shí)鐘輸出端定義為P2.5 管腳。

（4）數(shù)據(jù)傳入函數(shù)，傳入一字節(jié)。

（5）定義一個(gè)無符號(hào)字符型變量。

（6）要因?yàn)橐獋魉鸵粋€(gè)字節(jié)，故要8 次。

（7）數(shù)據(jù)時(shí)鐘先輸出低。

（8）讓數(shù)據(jù)管腳輸出傳入字節(jié)的最高位。

（9）傳入字節(jié)左移一位。

（10）數(shù)據(jù)時(shí)鐘輸出高，上升沿將數(shù)據(jù)所存儲(chǔ)至74HC595 數(shù)據(jù)寄存器中。

（11）寄存器時(shí)鐘先輸出低。

（12）寄存器時(shí)鐘輸出高，上升沿將數(shù)據(jù)所存儲(chǔ)至74HC595 數(shù)據(jù)寄存器中。

以上字程序的作用， 當(dāng)發(fā)送一個(gè)字節(jié)的顯示數(shù)據(jù)的時(shí)候， 通過74HC595 進(jìn)行串行轉(zhuǎn)并行的控制，每次從單片機(jī)IO發(fā)送1Bit出去， 循環(huán)8次， 完成發(fā)送一個(gè)字節(jié)，之后再的輸出端以一個(gè)字節(jié)的方式傳輸給數(shù)碼管， 實(shí)現(xiàn)顯示。

五、調(diào)試要點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

接好硬件電路，通過冷啟動(dòng)方式將程序所生成的。hex 文件下載到單片機(jī)運(yùn)行后，復(fù)位單片機(jī)，就可以觀察到板上8 個(gè)數(shù)碼管都點(diǎn)亮（見圖3），并從數(shù)字0 到9 變化閃爍。調(diào)試的時(shí)候需要注意的是，數(shù)碼管的使能控制端（見圖2）必須用跳線帽跳上，從而讓74HC138 能工作輸出。不需要用到數(shù)碼管時(shí)可以， 反之，跳開以節(jié)省系統(tǒng)電流損耗。

圖3 數(shù)碼管顯示效

另外動(dòng)態(tài)掃描過程中， 數(shù)碼管顯示的亮度與驅(qū)動(dòng)電流、點(diǎn)亮?xí)r間和關(guān)斷時(shí)間有關(guān)， 所以應(yīng)當(dāng)適當(dāng)調(diào)整驅(qū)動(dòng)電流大小和掃描頻率， 從而控制顯示所需要的亮度。這在驅(qū)動(dòng)尺寸較大的數(shù)碼管組時(shí)更是如此，為了穩(wěn)定顯示，硬件方面必須達(dá)到該有的驅(qū)動(dòng)能力，如在驅(qū)動(dòng)端再接達(dá)林頓管等。軟件方面，應(yīng)在實(shí)際的調(diào)試過程中不斷的嘗試（見本講程序中所掃描次數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值），找到一個(gè)最佳臨界點(diǎn)，即要注意動(dòng)態(tài)掃描的延時(shí)間隔和掃描次數(shù)。

六、總結(jié)

本講介紹了單片機(jī)動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的原理并給出了實(shí)例，通過該講，我們可以總結(jié)如下：

動(dòng)態(tài)掃描驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的優(yōu)點(diǎn)：當(dāng)顯示位數(shù)較多時(shí)，采用動(dòng)態(tài)顯示方式比較節(jié)省I/O 口，硬件電路也較靜態(tài)顯示簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)：其穩(wěn)定度不如靜態(tài)顯示方式。而且在顯示位數(shù)較多時(shí)CPU要輪番掃描，占用CPU較多的時(shí)間。

總的來說，無論是動(dòng)態(tài)還是靜態(tài)顯示，其顯示更新的速率不能太快，如數(shù)據(jù)不停變化，太快則無法看清楚顯示的內(nèi)容，在軟件設(shè)計(jì)是必須注意的。另外，在同等條件下動(dòng)態(tài)顯示的亮度比靜態(tài)顯示要差一些，所以在適當(dāng)提高驅(qū)動(dòng)電流，例如使用限流電阻，就應(yīng)略小于靜態(tài)顯示電路中的，或者使用緩沖驅(qū)動(dòng)芯片。