任務一ＬＥＤ數碼管的靜態顯示任務二ＬＥＤ數碼管的動態顯示任務三簡易數字鐘用數碼管顯示數據時，顯示的數字字符根據實際應用場合可能是一位，也可能是多位。需要根據顯示參數內容和系統成本來選擇數碼管，并確定單片機控制數碼管顯示的驅動電路。任務提出任務一ＬＥＤ數碼管的靜態顯示在實際中，若僅顯示少量數字字符，常對數碼管采用靜態顯示驅動電路；若需要多只數碼管顯示，則可采用動態顯示方式。當然，在需要高亮度顯示字符的電路中，多只數碼管也會采用擴展硬件電路驅動數碼管的靜態顯示方式。本任務的內容是使用單片機控制兩只數碼管顯示兩位數碼。顯示的內容為00~99，每秒鐘顯示內容的值加1，超過99后回到00。根據任務目標，數碼顯示系統只需要單片機最小系統、數碼管及數碼顯示驅動電路，故整個系統的框圖如圖所示。任務分析數碼顯示系統框圖選用靜態顯示方式驅動數碼管時，數碼管要顯示的內容（數據）應用鎖存器鎖存，并保持數據輸入到顯示驅動電路，驅動數碼管顯示。單片機更新顯示內容后，新的數據送出，更新顯示。本任務的程序流程圖如圖所示。數碼顯示系統流程圖一、LED數碼管的工作原理1．LED數碼管的結構LED數碼管是由發光二極管組合排列而成的數碼顯示器件，按顯示段數常分為8字形和米字形，如圖所示。單只7段數碼管的封裝如圖所示，數碼管的每段LED分別引出一個引腳，引出電極分別為a、b、c、d、e、f、g、h，其中h是小數點段的引出電極，并將每一個LED的另一個引出電極連接在一起，稱為公共端com的引出電極，如圖所示。相關知識數碼管實物圖LED數碼管的結構a）數碼管封裝示意圖

b）共陰極結構

c）共陽極結構2．7段數碼管的段碼LED數碼管分為共陰極和共陽極兩種不同的形式，將LED的陰極連在一起即為共陰極數碼管，而將LED的陽極連在一起即為共陽極數碼管。如上圖所示為共陰極7段數碼管的等效原理電路，如上圖所示為共陽極7段數碼管的等效原理電路。根據LED的工作原理，在共陰極數碼管中，點亮任何一段都需要在數碼管的公共端接低電平，同時在對應段的引腳上接高電平，否則都將使該段不會被點亮。在程序中將高電平用1表示，低電平用0表示，把顯示各種字符的電平所對應的數據稱為數碼管的段碼。按段a為最低位依次排列的7段數碼管的常用編碼見表。在表中，共陰極、共陽極數碼管分別用二進制和十六進制表示段碼。7段數碼管常用編碼表7段數碼管常用編碼表7段數碼管常用編碼表二、靜態顯示原理所謂靜態顯示，是各只數碼管的各段均有獨立的鎖存驅動電路，數碼管的公共端接固定電平，所有數碼管一直維持點亮。單片機驅動數碼管靜態顯示一般有兩種方式：一種是利用單片機輸出端口具有的數據鎖存功能驅動數碼管，這種方式的特點是每一只數碼管都要單獨占用單片機的一個I/O端口，該端口一直靜態地保持該數據輸出，維持數碼管的字符顯示，直到端口數據改變，I/O端口又保持顯示下一數據。另一種方式是在單片機的端口外接具有數據鎖存功能的芯片，由單片機將顯示段碼傳送給數據鎖存器，由數據鎖存器維持數碼管顯示所需的段碼，僅當單片機提供給鎖存器的段碼發生改變后，顯示字符才發生變化。由于能夠提供具有鎖存功能的器件很多，因此對應有多種靜態顯示電路方案。1．單片機端口驅動的靜態顯示數碼管的內部是多只LED按指定的形狀組合起來的組合器件，就電路原理而言，和多只獨立的LED是完全相同的。單片機端口是一個內部特殊寄存器，具有數據鎖存功能，在程序中將輸出數據寫到端口就可改變端口數據（對應位引腳電平隨之改變），并且端口各位電平也會一直維持到下一次程序改變端口輸出數據為止。單片機引腳還具有一定的電流驅動能力，在數碼管所需要的電流較小時，可以用單片機端口直接驅動數碼管。將單片機端口的8個引腳直接連接在數碼管的8個引腳上（h端為小數點），控制數碼管的各段LED點亮或熄滅，即可顯示出各種數碼或字符。圖a所示為單片機端口驅動一只共陽極數碼管的原理電路，與圖b所示的電路的工作原理是完全一致的，因而其驅動程序也是相同的。數碼管的靜態顯示電路a)電路原理圖

b）等效原理圖數碼管的靜態顯示電路a)電路原理圖

b）等效原理圖單片機端口的每一位與數碼管的一個引腳相連接，相當于單片機的一個引腳外接一只發光二極管，數字顯示就如同用發光二極管組成的圖案。因此，完全可以采用任務四的端口循環控制2程序來完成數字的顯示，將程序中的顯示彩燈的數組更換為LED數碼管顯示數字所需要的字型碼數據，當程序將這些數據送到端口時，數碼管就顯示出對應的數字。2．鎖存器驅動的靜態顯示電路鎖存器的輸出僅在鎖存時與輸入信號有關，其余時間與輸入信號無關，這時的單片機端口可作為其他用途，即單片機的端口可以復用。鎖存器有多位同時鎖存的并行鎖存器，也有串行的移位鎖存器。8D鎖存器74HC573可作為顯示鎖存和電流驅動器件。采用74HC573鎖存段碼的4位靜態顯示電路如圖所示。鎖存器74573驅動的靜態顯示電路原理圖上圖中，每片74HC573的8個Q端對應連接一只數碼管的各段，所有74HC573輸入端D端共用單片機P0端口，而各片的鎖存使能控制端LE受單片機P2端口的各位分別控制，以實現各片74HC573獨立鎖存各個數碼的段碼。從74HC573各Q端將鎖存數據（字型碼）輸出送入數碼管，使數碼管保持顯示數字。3．譯碼器驅動的靜態顯示電路除了單片機端口直接輸出數碼管的段碼外，還可以采用7段譯碼器將BCD碼轉換為數碼管的7段碼。采用譯碼器7448驅動的靜態顯示電路如圖所示。7448是共陰極數碼管的7段顯示譯碼器，與之連接的數碼管應為共陰極數碼管。在圖中，將單片機端口P2高、低四位提供的BCD碼分別接U2和U3的輸入端，7448的輸出端接數碼管，驅動數碼管顯示數字。7448譯碼的靜態顯示電路原理圖一、硬件設計按任務目標，需要顯示兩位數碼，即需要兩只數碼管同時顯示不同內容。在本任務中，選擇單片機的兩個端口直接驅動兩只數碼管的16個段，因單片機的每個引腳的輸出信號都是獨立的電平，所以能夠保證兩只數碼管的每一段都能分別控制，即可以顯示任意的兩位數碼。任務實施這里選擇P0口直接驅動一只數碼管，作為顯示數碼的十位，P2口直接驅動另一只數碼管，作為顯示數碼的個位。任務中的硬件電路如圖所示，這是典型的單片機端口直接驅動數碼管的靜態顯示電路，其中數碼管為共陽極型，其公共端通過限流電阻接電源正極。單片機端口直接驅動共陽極數碼管的靜態顯示電路原理圖二、軟件設計在圖中，單片機P0和P2口分別連接一只數碼管。由于只有兩位數碼管，在程序中，設置全局變量num，其值的允許范圍為0~99，對應顯示的數碼，其類型可以使用字符型。靜態顯示流程圖三、Proteus仿真1.打開ProteusISIS軟件，按照硬件原理圖繪制Proteus仿真電路，仔細檢查，保證電路連接無誤。2.在Keil軟件開發環境下，創建項目，編輯源程序，將編譯生成的HEX文件裝載到Proteus虛擬仿真硬件電路中的AT89C51芯片。3.運行仿真，仔細觀察運行結果，如果有不符合設計要求的情況，調整源程序并重復步驟1、2，直至完全符合本項目提出的各項設計要求。單片機端口直接驅動的靜態顯示仿真效果圖在實際的電子系統中，往往需要同時顯示多位數碼。一般來說，對多位數碼的顯示，均采用動態顯示。本任務的內容是使用單片機控制數碼管一直顯示8位數碼：12345678。任務提出任務二

LED數碼管的動態顯示根據任務目標，整個系統的硬件需要在單片機最小系統的基礎之上，增加數碼管的驅動電路，并連接數碼管。如果采用靜態顯示電路，采用單片機的端口直接驅動明顯是不行的；用硬件擴展實現靜態顯示的硬件成本比較高。因此，在本任務中采用動態顯示驅動電路。當然，動態顯示電路的構成有很多，本任務中采用由晶體管驅動8位共陰極數碼管實現任務中的硬件電路。任務分析在動態顯示電路中，所有數碼管的各段分別連接在一起，每只數碼管顯示的內容不相同，對每一只數碼管而言，只有采用分時顯示。即首先為第一只數碼管提供段碼和位碼，當第一只數碼管顯示一段時間后，再為第二只數碼管提供段碼和位碼，第二只數碼管顯示一段時間后，再為第三只數碼管提供段碼和位碼……直到最后一只數碼管顯示一段時間，再重復顯示第一只、第二只到最后一只數碼管，這樣周而復始顯示。當重復頻率超過50Hz時，人眼看到的所有數碼管就相當于同時顯示。因而，動態顯示電路的軟件系統流程如圖所示。動態顯示系統流程圖a)主函數流程圖

b)顯示函數流程圖一、動態顯示原理所謂動態顯示，是利用人眼的視覺暫留現象，快速地輪流顯示單個數碼的顯示方式。具體來說，是將各數碼管的相同段的輸入端連接在一起，使用同一鎖存電路驅動，為數碼管提供需要顯示數字的段碼，而通過控制數碼管的公共端使數字在不同的數碼管上顯示。連續地在段碼端輸入要顯示的數字段碼，位碼使公共端輪流接通，所有數碼管依次循環點亮，只要顯示的速度足夠快，人眼就能看到穩定的顯示字符，從而實現動態的字符顯示。相關知識圖是4位數碼管動態顯示連接示意圖，4位數碼管的a～h分別連接在一起作為數碼管的段碼輸入線，將每只數碼管的公共端作為數碼管的位碼輸入線。段碼控制數碼管顯示字形，位碼控制4只數碼管中的哪一只數碼管顯示該內容。單片機數碼管動態顯示a)4位數碼管動態顯示連接示意圖

b)動態顯示控制電路示意圖單片機數碼管動態顯示a)4位數碼管動態顯示連接示意圖

b)動態顯示控制電路示意圖4位共陰極數碼管動態顯示“1357”的過程二、常見動態顯示電路1.三極管反相+端口直接驅動的動態顯示電路數碼管的段電流較小時，可以直接使用單片機端口驅動。而數碼管公共端的電流較大，可以采用三極管驅動。具體來說，將單片機輸出的高低電平通過限流電阻后接三極管基極，控制三極管工作在飽和狀態和截止狀態，飽和導通時數碼管點亮，截止狀態數碼管熄滅。采用三極管驅動的動態掃描電路如圖所示。當然，采用集成反相器的電路原理與三極管類似，利用其輸出電流較大的方式驅動數碼管的公共端。采用三極管驅動的動態掃描電路原理圖電路中用的是4位共陽極數碼管，其內部已將4只數碼管各陰極分別連接到外部引腳A~G、DP（DP就是小數點的外部引腳）上，將字形碼送到這些引腳將控制數碼管顯示相應的數字或字符；4只數碼管的公共端分別接到外部引腳上，公共端流過電流將使對應的數碼管點亮。2.鎖存器驅動的動態顯示電路在數碼管的動態顯示電路中，需要段碼和位碼的鎖存驅動，可以直接使用8D鎖存器74573或移位寄存器74164等電路鎖存數據驅動。采用74573驅動的動態掃描電路如圖所示。圖中，兩片74573的輸入端都連接到單片機的同一個端口P0，其中一片74573為各只數碼管鎖存字型碼數據，即實現段碼控制，另一片74573的輸出端連接到各只數碼管的公共端（共陰極或共陽極端），以選通各數碼管，即實現位碼控制。圖所示電路結構的特點是點亮數碼管所需段碼和位碼由單片機的一個端口輸出，采用分時輸出段碼和位碼，占用端口少。采用鎖存器的動態掃描電路原理圖一、硬件設計顯示多位數碼需要多只數碼管，采用靜態顯示的成本太高，一般情況下都采用動態顯示電路。動態顯示是將多只數碼管的段連接在一起作為統一的段，控制數碼管顯示的字形；把各只數碼管的公共端分別作為控制端，控制哪些數碼管上顯示內容。本任務中需要顯示8位數碼，這里以共陰極型數碼管為顯示器件，采用動態顯示電路。任務實施一般來說，單片機的端口不能提供足夠的電流驅動數碼管顯示。在本任務中，數碼管的段電流采用總線驅動集成電路74LS245實現驅動。共陰極數碼管的公共端需要較大的流出電流，任務中選擇3-8譯碼器74LS138實現位譯碼，因TTL電路允許的灌電流很大，因此可以直接用74LS138驅動數碼管的公共端，實現動態顯示的位碼輸出。采用74LS138和74LS245驅動的動態顯示電路如圖所示，電路中沒有畫出單片機最小系統及74LS138和74LS245的供電電路。74LS138驅動的動態顯示電路原理圖二、軟件設計按任務目標，在如圖所示的電路中，使用8只數碼管顯示8位數，分別是1~8。這里雖然是顯示8個固定的數碼，但考慮到顯示內容的任意性，在程序中，采用一個數組來保存顯示內容。或者說，用該數組中的每一個單元對應一個數碼管的顯示內容，只要在程序中修改這個數組中的任一單元的內容就能改變數碼管的顯示。那么，在擴展程序功能時，只需要考慮在何時修改數組內容及怎么樣修改即可，不需要關心顯示的細節。在本任務中，使用數組disp來存放顯示數據，共8個單元。動態顯示函數要完成的任務就是控制所有數碼輪流顯示一次。通過不斷調用動態顯示函數也就實現了數碼管的動態顯示。為了確保顯示穩定，要求每秒至少調用動態顯示函數50次以上，即所有數碼管輪流顯示一遍所用的時間總和不超過20ms。一般情況下都會在1s內調用上百次動態顯示函數。上圖中，74LS245相當于邏輯直通方式，單片機只需要將段碼送到P0口即可驅動數碼管。數碼管的選通是通過74LS138譯碼實現，故僅需要在P2的最低三位輸出第幾只數碼管顯示的二進制電平即可。圖是采用3-8譯碼器的動態掃描函數流程圖。采用3-8譯碼器的動態掃描顯示函數流程圖三、Proteus仿真1.打開ProteusISIS軟件，按照硬件原理圖繪制Proteus仿真電路，仔細檢查，保證電路連接無誤。2.在Keil軟件開發環境下，創建項目，編輯源程序，將編譯生成的HEX文件裝載到Proteus虛擬仿真硬件電路中的AT89C51芯片中。3.運行仿真，仔細觀察運行結果，如果有不完全符合設計要求的情況，調整源程序并重復步驟1、2，直至完全符合本項目提出的各項設計要求。74138和74245驅動的動態顯示仿真效果圖本任務的內容是完成一個簡易數字鐘，其功能是顯示小時、分和秒以及計數。其中秒和分為60進制，小時為24進制（也可用12進制）計數。任務提出任務三

簡易數字鐘根據任務目標，數字鐘需要顯示小時、分鐘和秒鐘，即最少需要顯示6個數碼。系統硬件可以采用動態顯示電路。任務中沒有時鐘的調節等其他要求，所以整個系統只需要單片機最小系統、數碼管及動態顯示驅動電路即可。任務分析為了確定1s，首先要確定動態顯示一次所需要的時間，如果每一只數碼管顯示的時間為0.5ms，則一次動態顯示（任務中以8只LED數碼管為例）的時間約為4ms，所以數碼管每顯示250次約為1s。即整個數字鐘需要調用顯示函數250次后調整一次時間。需要說明的是，這里之所以說是簡易數字鐘，主要是用程序運行來計算時間，這樣用程序來確定出1s的時間精度很有限，所以整個時鐘的精度不高。如果要提高計時精度，可用后面介紹的定時器來實現較為精確的時鐘，這個題目就留給讀者在學習了中斷和定時器后自己完成。在C51中，數組中每一個數組元素相當于一個獨立的變量，除了在定義數組時賦給的初始值之外，還可以在程序中以賦值語句給各個數組元素分別賦值。需要強調的是：數組元素的下標是從0開始的，不能大于或等于數組寬度。相關知識一、硬件設計從任務分析可知，整個數字鐘由單片機最小系統和動態顯示電路兩部分組成。其中動態顯示電路要顯示至少6位數碼，在本任務中選擇兩只4位共陰極數碼管作為顯示器件，僅利用其中的6位作為數字鐘的顯示。任務實施動