2.6 I/O口控制LED数码管应用实例
数码管在系统中的主要作用是显示单片机的输出数据、状态等，是单片机系统的一种主要输出装置，在本例中，采用ATmega128芯片4位数码管进行显示。
2.6.1 LED数码管基础知识
LED数码管（LED Segment Displays）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，只需引出它们的各个笔画、公共电极。常见的LED数码显示器件的实物外形如图2-12所示。
图2-12 LED数码显示器件实物外形
（1）LED数码管的结构 数码管是将若干发光二极管按一定图形组织在一起的显示器件。应用较多的是7段数码管，又名“半导体数码管”或“7段数码管”，内部还有1个小数点，又称为“8段数码管”，图2-13所示为LED数码管内部结构。由内部结构可知，可分为共阴极数码管和共阳极数码管两种。
图2-13 LED数码管内部结构
图2-13（b）所示为共阴数码管电路，8个LED（7段笔画和1个小数点）的负极连接在一起接地，译码电路按需给不同笔画的LED正极加上正电压，使其显示出相应数字，这种组合称为“字型码”。图2-13（c）所示为共阳数码管电路，8个LED（7段笔画和1个小数点）的正极连接在一起接地，译码电路按需给不同笔画的LED负极加上负电压，使其显示出相应数字。
LED数码管的7个笔段电极分别为0～9（有些资料中为大写字母），DP为小数点，如图2-13（a）所示。LED数码管的字型码如表2-11所示（表2-11中为十六进制数制）。
表2-11 LED数码管的字型码
注：B、D字型为小写b、d，以同数字8、0字型区别。
（2）多位数码管 有时为了方便使用，将多个数字字符封装在一起成为多位数码管，如图2-14所示，内部封装了多个数字字符的数码管就叫做“X位数码管”（X的数值等于数字字符的个数），常用的数码管为1～7位，LED数码管内部的LED连接方式也有共阴和共阳两种，如图2-15和图2-16所示。
图2-14 4位数码管实物图和示意图
图2-15 4位共阴数码管原理图
图2-16 4位共阳数码管原理图
对于单个数码管来说，从它的正面看进去，左下角那个脚为1脚，以逆时针方向依次为1～10脚，左上角那个脚便是10脚了，图2-15和图2-16中的数字分别与这10个引脚一一对应。3脚和8脚是连通的，这两个都是公共脚。
对于4位数码管，内部的4个数码管共用a～dp这8根数据线，使用方便，因为有4个数码管，所以它有4个公共端，加上a～dp，共有12个引脚，引脚排列依然是从左下角的那个脚（1脚）开始，以逆时针方向依次为1～12脚。
2.6.2 用单片机控制数码管
单片机在对数码管输出控制时，通常采用74LS48、CD4511（共阴极）或74LS46（74LS47）、CD4513（共阳极），也可用单片机I/O口直接输出字型码控制数码管的显示内容。
用单片机驱动LED数码管显示有很多方法，按显示方式可分为静态显示和动态显示。
（1）静态显示 静态显示是显示驱动电路具有输出锁存功能，单片机将所要显示的数据送出后，数码管始终显示该数据（不变），CPU不再控制LED。到下一次显示时，再传送一次新的显示数据。
静态显示的接口电路采用一个并行口接一个数码管的方式，数码管的公共端接共阴极或共阳极分别接地或接VCC，这种接法可使每个数码管都单独占用一个并行I/O口，以便单片机传送字型码到数码管控制数码管的显示。其缺点是当显示位数多时，占用I/O口过多。为了解决静态显示占用I/O口过多的问题，可采用串行接口扩展LED数码管的技术。
静态显示方式的优点是显示的数据稳定，无闪烁，占用CPU时间少。静态显示方式的缺点是由于数码管始终发光，功耗比较大。
（2）动态显示 动态扫描方法是用接口电路把所有数码管的8个笔画段a～g和dp同名端连在一起，而每一个数码管的公共极COM各自独立地受I/O线控制。CPU向字段输出口送出字型码时，所有数码管接收到相同的字型码。但究竟是哪个数码管点亮，则取决于COM端，COM端与单片机的I/O口相连接，由单片机输出位码到I/O控制端口，从而决定哪一位数码管亮。
动态扫描使用分时方法轮流控制各个数码管的COM端，使各个数码管轮流点亮。在轮流点亮数码管的扫描过程中，每位数码管的点亮时间极为短暂。但由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉，给人的印象就是一组稳定的显示数据。
动态显示的优点：当显示位数较多时，采用动态显示方式比较节省I/O口，硬件电路也比静态显示简单。动态显示的缺点：稳定度不如静态显示方式，而且在显示位数较多时CPU要轮番扫描，占用较多的CPU时间。
2.6.3 硬件设计
如图2-17所示为ATmega128端口与两个4位数码管的连接图。本例中采用共阴型的数码管，显示方式采用动态扫描方式，并可配合按键控制输出的数据。电路图中，单片机PA端口通过两个锁存器573驱动两个数码管的段码控制端和位码控制端。
图2-17 数码管实例原理图
74HC573是一款高速CMOS器件，74HC573引脚兼容低功耗肖特基TTL（LSTTL）系列。74HC573包含8路D型透明锁存器，每个锁存器具有独立的D型输入，同时适用于面向总线应用的三态输出。所有锁存器共用一个锁存使能（LE）端和一个输出使能（OE）端，其逻辑原理图如图2-18所示。当LE为高时，数据从Dn输入到锁存器，在此条件下，锁存器进入透明模式，即锁存器的输出状态将会随着对应的D输入每次的变化而改变，当LE为低时，锁存器将D输入上的信息存储一段就绪时间，直到LE的下降沿来临。
图2-18 74HC573逻辑原理图
当OE为低时，8个锁存器的内容可被正常输出；当OE为高时，输入进入高阻态。OE端的操作不会影响锁存器的状态。
74HC573特性总结如下：
①输入输出分布在芯片封装的两侧，为微处理器提供简便的接口。
②用于微控制器和微型计算机的输入/输出口。
③三态正相驱动输出，用于面向总线的应用。
④共用三态输出使能端。
⑤使能输入有改善抗扰度的滞后作用。
74HC573的引脚说明表如表2-12所示，真值表如表2-13所示。
表2-12 74HC573的引脚说明表
表2-13 74HC573的真值表
注：×表示无须关注，Z表示高阻抗。
2.6.4 程序设计
本程序使用动态显示方法。首先，向选定的数码管位输出显示字型码，打开该位数码管控制端口，延时一定时间后，关闭控制端口。然后更换显示字型码，打开另一数码位的控制端口，延时一段时间后再关闭。如此循环，完成动态显示功能。
/**************************************************** /
功能:数码管显示。
时钟频率:系统时钟7.372MHz,设置熔丝位为外部高频石英晶体振荡,起止时间4.0ms。
编译环境:ICC-AVR6.31。
使用硬件:8位数码管。
结果:8位数码管显示0~7数字。
程序清单如下:
//********************************************************
// 包含文件
//********************************************************
# include< string.h>
# include< stdio.h>
# include< iom128v.h>
//********************************************************
// 定义变量区
//********************************************************
# define uchar unsigned char
# define uint unsigned int
# define Data_IO PORTA //数据口
# define Data_DDE DDRA //数据口方向寄存器
# define D_LE0 PORTD &= ~(1< < PD4) //数码管段控制位为 0
# define D_LE1 PORTD |= ~(1< < PD4) //数码管段控制位为 1
# define W_LE0 PORTD &= ~(1< < PD4) //数码管位控制位为 0
# define W_LE1 PORTD |= ~(1< < PD4) //数码管位控制位为 1
# define W0 0xfe //数码管各位单独选中时应送的位数据
# define W1 0xfd
# define W2 0xfb
# define W3 0xf7
# define W4 0xef
# define W5 0xdf
# define W6 0xbf
# define W7 0x7f
//********************************************************
// 共阴数码管显示的数码表
//********************************************************
uchar table[]= {0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,
0x39,0x5e,0x79,0x71};
//********************************************************
// I/O端口初始化
//********************************************************
void System Init()
{
Data_IO= 0xFF; //数据口为输出
Data_DDE= 0xDD;
PORTD= 0xFF; //74HC573的控制口,设置为输出
DDRD= 0xFF;
PORTB= 0xFF; //关闭发光二极管
}
//********************************************************
// 74HC573控制数码管动态扫描
//********************************************************
viod write_LED()
{
uchar i,j;
j= 0x01; //此数据用来控制位选
for(i= 0;i> 0;i+ + )
{
D_LE1; //控制数码管段数据的 74HC573的 LE引脚置高
W_LE1; //控制数码管位的 74HC573的 LE引脚置高
Data_IO= - j //设置要显示的位,也就是哪一个数码管亮
W_LE0; //锁存位数据,下面送上段数据以后,就显示出来了
j= (j< < 1);
Data_IO= table[i]; //送要显示的数据,就是段数据,如显示 0送的是 0x3f
D-LE0; //锁存段数据,数码管亮一个时间片刻
Delay-nms(1); //显示一个时间片刻,会影响亮度和闪烁性
}
}
//********************************************************
// 主程序
//********************************************************
viod main(void)
{
System_Init(); //初始化
while(1)
{
Write_LED(); //调用函数,显示
}
}
8段数码从电路原理上分为共阴、共阳两类，在硬件电路设计时，也应该加以区分，分别设计驱动电路。数码管的显示分为静态和动态两种方式，其中静态显示占用单片面的CPU处理的时间少，显示数据单一，但其硬件连接需要锁存器，连接复杂。动态显示需要CPU随时对数据进行刷新，显示灵敏具有闪烁感，但连接硬件少，能节省成本和平电路板空间。