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2023-06-26
8051单片机数码管原理及应用
【摘要】：8051系列单片机使用静态显示方式驱动数码管的电路如图5-7所示。
数码管是一种半导体发光器件，它基本的显示单元是发光二极管。若干个发光二极管排列组合成一定的形状，并封装在一个固定形状的容器中，构成为标准的显示器件，即构成了数码管。
5.1.1 内部结构
数码管按能显示多少个“8”字可分为一位、二位、三位、四位等多种。常用数码管的外形如图5-4所示。
图5-4 数码管
数码管中结构最为简单的当属一位数码管，其内部如图5-5所示。在一位数码管中，封装有8个LED发光二极管，每一个发光二极管对应着一个字段，当给二极管两端施加适当的电压时，发光二极管会发光，相应的字段就会点亮，从而显示出不同的字符来。
图5-5 数码管原理图
从图5-5中可以看出，要显示一个“8”字，最少需要使用七个字段，分别用a～g来表示，另外还有一个小数点，用dp表示，每一个字段都与一个发光二极管对应。为了节约引脚，可以将八个发光二极管的所有阳极或阴极连接在一起，形成一个公共端，用COM表示。将阳极作为公共端的数码管称为共阳极数码管，而将阴极作为公共端的数码管称为共阴极数码管，共阳极和共阴极数码管在外形上没有区别，其原理图如图5-6所示。
图5-6 数码管结构示意图
共阳极和共阴极数码管的驱动方式是不同的，共阳极数码管在使用时一般是将公共端（COM）连接到＋5 V电源上，当某一字段的发光二极管阴极为低电平时，相应字段就点亮，而共阴极数码管在使用时需将公共端接地，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段即可点亮。
5.1.2 显示方式
按照驱动数码管的方法不同，可以将数码管的显示方式分为静态显示和动态显示两种。
1.静态显示
静态显示就是数码管在工作时，让其持续点亮。静态显示的特点是在每个数码管的段驱动端都要连接有一组8位数据线来保持显示的字形。8051系列单片机使用静态显示方式驱动数码管的电路如图5-7所示。
图5-7 数码管静态显示原理
在静态显示中，当单片机的一组I/O口送出一组字形码后，显示字形可以一直保持，直到送入另一组字形码为止，这种显示方式的优点是不用持续地对数码管进行扫描，数码管亮度高、无闪烁且占用CPU资源少。但静态显示也有缺点，主要是每显示一位都需要占用一组8位的I/O口，端口开销较大，特别是显示的位数较多时这种问题就更加突出，所以静态显示一般仅用于显示位数较少的场合。(www.chuimin.cn)
2.动态显示
动态显示是相对静态显示而言的。静态显示时数码管的每一位都是由一个单片机I/O来控制，但用多位数码管显示数字时，单片机不可能提供一个端口控制一位数码管，只能通过轮流输出控制码来逐位轮流点亮，对每一位数码管而言，是每隔一段时间才被点亮一次，利用人眼的视觉暂留原理，看起来多个数码管相当于同时显示了。四位共阴极数码管的动态显示驱动电路如图5-8所示。
图5-8 多位数码管的控制原理图
在动态显示中，数码管的所有同名段驱动端都连接在一起，单片机使用一组I/O口分别驱动这些段驱动端，而数码管的每一个位驱动端都由另外一个I/O口驱动。在显示时单片机轮流向各个数码管送出字形码和相应的位驱动信息，将多个数码管依次点亮。
动态显示的优点是既能节省I/O口，又能简化电路降低硬件成本，因此得到了广泛的应用。但它也有缺点，即数码管的显示亮度比静态显示要低一些，字符显示时有闪烁感，但这些缺点可以通过减小限流电阻、提高刷新频率的方法来克服。
5.1.3 段 码
通常情况下，使用单片机驱动数码管时段驱动端的接法是相对固定的，即将a段连接至一组I/O口的最低位，如图5-9所示。当单片机驱动图中的共阳极数码管时，在相应段驱动端施加低电平，该段即会发光。例如：如果让b段和c段所连接的I/O口输出低电平，其他各段保持高电平，那么b段和c段会发光，这时数码管会显示数字“1”，如图5-10所示，同理，将a、b、d、e和g段接低电平，其他保持高电平，数码管会显示数字“2”，如图5-11所示。
图5-9 数码管的段码
图5-10 共阳显示“1”
图5-11 共阳显示“2”
当数码管显示“1”时，P0.1、P0.2引脚输出低电平，而其他引脚输出高电平，此时P0口输出的二进制数为“1111 1001”，转换成十六进制后是“F9H”。同理显示“2”时，P0口的输出为“A4H”。这样，数码管上每显示一个字符，相应地在I/O口上就会输出一个数值，为了方便起见，我们把显示数字0～9和字母A～F时I/O端口输出的数值整理出来并列成表格，以方便查询和使用，这个表格就称为数码管的“段码表”，简称“码表”。由于数码管结构上的差异，共阴极和共阳极数码管的段码是不同的，具体见表5-1。
表5-1 数码管的段码表
从表5-1中可以看出，每位数字的共阴极段码和共阳极段码进行或运算后，结果是0xff，也就是说将共阴极段码按位取反后就是共阳极段码，反之亦然。
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