51单片机入门_09_数码管静态显示(数码管显示原理：共阴极、共阳极；静态显示与动态显示原理；74HC573锁存器使用及原理；上拉电阻作用；准双向、开漏；原理图分析；编程实践）

1. 数码管应用场景

以下均是使用的数码管的场景

对于显示器件常见的有很多种，有数码管、LED点阵、LCD液晶以及TFD彩屏。

2. 数码管显示原理

上图分别为共阴极和共阳极的接法
数码管根据内部连接不同分为共阴极和共阳极。八段数码管内部有8颗LED组成，如果想要显示特定字形只需控制相应的LED亮起，其他LED熄灭即可。

根据原理图我们可以判断其是共阴极还是共阳极接法，那么拿到一个实物如何去判断呢？

我们拿到一个数码管可以看它是几个8，一个8表示一位，有几个8就表示有几位，以上图中一位的数码管为例，我们观察数码管上下的引脚，中间的GND均为一个公共脚，如果这个公共脚为GND表示共阴极，公共脚为VCC则表示共阳极。可以使用万用表去测，用黑表笔接到公共脚，将红脚笔假设接到a脚上，如果数码管“abcdefg”中的a亮了，表示这是一个共阴极的数码管，如果将表笔更换之后，a亮了，那么这就是一个共阳极的。（这是因为红表笔输出的是正电压，红表笔在公共脚上，黑表笔在a脚上）

假设我们要显示“1”，那么只需要将“bc”点亮，如果采用共阴极的接法，那么只需要将bc口送1，其他口送0即可，利用单片机控制如何实现呢？
也就可以发送16进制数来实现相应位的置值

以下是一位数码管的“共阴极数码管码表”

3. 静态与动态显示

3.1 静态显示

LED显示器工作方式有两种：静态显示方式和动态显示方式。静态显示的特点是每个数码管的段选必须接一个8位数据线来保持显示的字形码。当送入一次字形码后，显示字形可一直保持，直到送入新字形码为止。

上面的含义举例就是：为了显示数字“1”，就需要P0=0x6，也就是8位数据线需为0x6。
段选： 也就是指上面提到的一位数码管“abcdefg dp”中的一个，公共脚称为位选

静态显示缺点为： 使用的IO口非常多，为了将8位数码管都进行显示值，假如要显示“12345678”，它每一位段选都需要8位数据线来控制，就需要64个IO口进行控制。

3.2 动态显示

动态显示的特点是将所有位数码管的段选线并联在一起，由位选线控制是哪一位数码管有效。选亮数码管采用动态扫描显示。所谓动态扫描显示即轮流向各位数码管送出字形码和相应的位选，利用发光管的余辉和人眼视觉暂留作用，使人的感觉好像各位数码管同时都在显示。

同样的去显示“12345678”就只需要8位IO口结合锁存器就可以实现，所以静态显示用的非常少

4. 74HC573锁存器的工作原理

4.1 为什么需要使用锁存器

上面的8位数码管如果采用4个一组，段选为8段是固定的“ABCDEFGH”(H也就是dp)接到锁存器11-20引脚，8个数码管有8个位选公共极接到锁存器的11-20引脚，也就说控制8位数码管需要16个IO口进行控制，但是单片机上IO口总共就32个，接了很多外设，为了节省IO口使用锁存器，使用锁存器之后，只需要用到8个IO口就可以控制8位数码管。锁存器的作用也就是节省IO口，以下具体介绍锁存器的作用。

4.2 锁存器工作原理

锁存器作用： 可以把数据输入端D与输出端Q进行隔离或连接

• 输出口Q要想Q端输出高低电平OE脚必须接GND，当OE脚为高电平的时候，Q端为高阻态，也就是一个开路状态
• LE脚为高时，输出端Q随输入端D的数据而变化(在D端输入什么值，Q端也就是什么值，假设P0口给D端输入0x06，Q端也输出0x06，相当于D和Q是直接相连)。
• LE脚为低时，输出端Q数据保持不变，输入端D数据变化不会改变Q的数据（当LE脚为0时，此时Q端为0x06，此时接到D端的P0口如果要去控制别的东西，此时D0口要随着P0口发生变化，结社变为0x04,Q端的数值不变，还是保持0x06，相当于D和Q是断开的）。

以下就是真值表

在硬件选型的时候怎么知道芯片是如何工作的？
需要看芯片的原理图、data sheet(芯片的数据手册查询网址：alldatasheet.com)

5. 上拉电阻的作用

数码管接的是单片机的P0口，其如果要做准双向IO口使用的话需要加上拉电阻。

上拉就是将不确定的信号通过一个电阻钳位在高电平，电阻同时起限流作用。下拉同理，也是将不确定的信号通过一个电阻钳位在低电平。

当P0口作为输入/输出口时，上电复位后处于开漏模式(可以输出低电平，不可以输出高电平)。P0口内部无上拉电阻，所以作I/O口必须外接10K-4.7K的上的上拉电阻（增加上拉电阻就既可以输出高电平又能输出低电平）

我们知道4组IO口中，P1P2P3是准双向，P0是开漏的。

在主控芯片的P0口的外部是接了上拉电阻的，

• 左侧图为准双向IO,口线寄存器后是一个非门，后接一个场效应管的G栅极，其上方为D漏极，下为S源极，G和S之间要有一个正偏(正电压)，D和S才导通。假设口线寄存器输入一个1，经过非门输出0，此时场效应管不导通，此时VCC为高电压和D连接，D经过内部上拉电阻上拉，输出一个高电平5V；若内部给0，经非门输出为1，GS之间存在正向电压(只要达到门限电压，GS之间导通)，S接地，右侧管脚相当于接到地，它的电压就会被拉低，此时引脚的电压变为0V，准双向是可以正常输出高低电平的。

• 右侧图为漏极开路输出，漏极就是场效应管的上面的D极，开漏就是输出高电平的漏极与IO口的内部是不相连接的。假设内部输出一个1，经过非门输出为0，GS没有正向电压，DS不导通，D只与外部管脚连接，管脚是高是低无法确定，我们称之为高阻态(不确定的值)；假设内部输出一个0，经过非门输出为1，GS之间有正向电压，DS导通，外部管脚连接通过DS接到地，外边管脚相当于接到地，管脚变为0V用来输出低电平，但是不能输出高电平
  
  左右相差的就是一个VCC+上拉电阻

6. 本节相关原理图分析

此处提示：数码管锁存器模块中左侧的“D0-D7”网络标号表示上面的“74HC573”与下面“74HC573”对应的引脚连接到一起，“D0-D7”又同时接到单片机的“P0.0-P0.7”，这样就可以通过“P0.0-P0.7”连接8位数码管。
底下的数码管锁存器通过“A-H”接口，A接到数码管的A段，对应所有位数码管8顶上的一横，B对应数码管8右侧上的一竖。数码管锁存器D0接到P0，当打开锁存器的时候，D0和Q0数据是相同的，也就可以实现P0口控制A口的功能，“A-H”口的均采用该方法控制

上面的8位数码管如果采用4个一组，段选为8段是固定的“ABCDEFGH”(H也就是dp)接到锁存器11-20引脚，8个数码管有8个位选公共极接到锁存器的11-20引脚，也就说控制8位数码管需要16个IO口进行控制，但是单片机上IO口总共就32个，接了很多外设，为了节省IO口使用锁存器，使用锁存器之后，只需要用到8个IO口就可以控制8位数码管。

原理图解析：

使用2个锁存器，U9负责数码管的段选，U8锁存器负责数码管的位选,OE都接到了GND，LE是控制锁存与不锁存的脚，控制段的LE接到P26，控制位的LE接到P27，所以通过P26和P27就可以控制锁存器的开断，这样就可以分时复用P0口控制8位数码管，这就工作原理。

从原理图可以看到U9锁存器的Q端接了300Ω的排阻，其起到限流的作用，这是因为你锁存器是具有一定驱动能力的，不像单片机的IO口，其电流较大，可能会烧毁数码管。

7. 实践编程

7.1 单独一位数码管显示

#include <reg52.h>
#include <intrins.h>

#define unit unsigned int
#define uchar unsigned char

//对控制锁存器开通与关断的LE进行位定义
//查看电路原理图可以看到OE接的GND,Q0-Q7可以正常输出高低电平
//当LE接高电平，Q端随着D端变化，相当于D和Q是直接相连；LE接低电平，Q保持不变，不受D端干扰
//两个锁存器分别控制数码管的段和位，段选锁存器U9,其LE接的P26
sbit DU = P2^6; //数码管段选
sbit WE = P^7; //数码管位选


void main() //main函数自身就会循环
{

	   //结合原理图可以看到，让第一个数码管显示1
	   //让第一个数码管点亮的首要条件是让其位选，也就是给WE1一个0(共阴极)，然后再控制段选
	   
	   //LE接高电平，Q端随着D端变化
	   WE = 1; //打开位选锁存器
	   //P0控制U8 Q端的WE值，为了选中WE1，使WE1=0，其他WE为1，D端和Q端变化一致
	   P0=0xFE;		  //1111 1110

	   //LE接低电平，U8 Q端0xFE保持不变(U8的WE1=0)，位选的锁存器相当于断开，这样P0的就可以在操作段选锁存器U9的时候，不影响位选锁存器
	   WE = 0; //锁存位选数据

	   //打开段选锁存器,U9的D和Q相通
	   DU = 1;

	   //bc亮，采用共阴极的接法，阳极需要为高电平1，bc为1，其他位为0
	   P0=0x06;	 //0000 0110

	   DU = 0; //段选锁存，锁存段选数据

	   //经过上面步骤，位选锁存在0xFE， 段选锁存在0x06，低位数码管显示为1

	while(1)
	{

	}

}

以上代码输出一个1

7.2 多位数码管显示

如果想要8位数码管都显示为1，只需要将位选的值变为0x00，也就是以下代码：

#include <reg52.h>
#include <intrins.h>

#define unit unsigned int
#define uchar unsigned char


sbit DU = P2^6; //数码管段选
sbit WE = P^7; //数码管位选


void main() //main函数自身就会循环
{

	   WE = 1; //打开位选锁存器
	   P0=0x00;		  //0000 0000

	   WE = 0; //锁存位选数据

	   //打开段选锁存器,U9的D和Q相通
	   DU = 1;

	   //bc亮，采用共阴极的接法，阳极需要为高电平1，bc为1，其他位为0
	   P0=0x06;	 //0000 0110

	   DU = 0; //段选锁存，锁存段选数据

	   //经过上面步骤，位选锁存在0x00， 段选锁存在0x06，8位数码管显示为1

	while(1)
	{

	}

运行结果如下：

需要注意：在同时位选和段选的情况下，P0发生变化事不会影响到数码管显示的。