31、TM1637与四位七段数码管显示的应用与解析

TM1637与四位七段数码管显示的应用与解析

1. 硬件介绍

在项目中使用的四位七段数码管显示设备，采用了TM1637驱动IC，成本较低。它仅需PIC的两个输出引脚进行控制，再加上VCC和地，总共只需四个连接，相比之前使用12个输出引脚的四位七段数码管显示设备，大大简化了连接。

不过，TM1637驱动IC使用的通信协议是一个问题。该协议类似I2C协议，但并非I2C协议，是Titan工程师自行设计的。其数据手册对该协议的解释不够清晰，给使用带来了一定困难。

TM1637是一个20引脚的设备，最多可控制六个七段数码管，还能接收数字键盘的输入。在本项目中，我们用它来控制四个七段数码管。控制TM1637时，需先发送一系列命令字节，再发送一系列数据字节，以控制七段数码管中LED的亮灭。

2. 命令与寄存器

TM1637主要有四个命令，如下表所示：
| Bit 7 | Bit 6 | Bit 5 | Bit 4 | Bit 3 | Bit 2 | Bit 1 | Bit 0 | Usage |
| — | — | — | — | — | — | — | — | — |
| 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 写入数据到显示寄存器，正常模式，自动增加地址指针 |
| 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 读取按键扫描数据 |
| 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 固定地址 |
| 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 测试模式 |

我们主要使用正常模式，即命令0b01000000，可向显示寄存器写入数据。地址指针从我们设定的地址开始，写入当前显示寄存器数据后会自动增加地址。

七段数码管的数据寄存器有六个，其地址如下表：
| Bit 7 | Bit 6 | Bit 5 | Bit 4 | Bit 3 | Bit 2 | Bit 1 | Bit 0 | Usage |
| — | — | — | — | — | — | — | — | — |
| 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | CH0 显示0 |
| 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | CH1 显示1 |
| 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | CH2 显示2 |
| 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | CH3 显示3 |
| 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | CH4 显示4 |
| 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | CH5 显示5 |

由于我们只使用四个数码管，所以使用前四个地址：
1. first: 0b11000000
2. second: 0b11000001
3. third: 0b11000010
4. fourth: 0b11000011

3. 亮度控制

可通过合适的命令字节设置显示亮度，亮度变化通过脉冲宽度调制信号改变LED两端电压实现。我们将LED设置为最大亮度。若命令的第3位设置为逻辑‘0’，显示将关闭。亮度命令如下表：
| Bit 7 | Bit 6 | Bit 5 | Bit 4 | Bit 3 | Bit 2 | Bit 1 | Bit 0 | Usage |
| — | — | — | — | — | — | — | — | — |
| 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1/16，PWM设置为1/16 |
| 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 2/16，PWM设置为2/16 |
| 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 4/16，PWM设置为4/16 |
| 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 10/16，PWM设置为10/16 |
| 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 11/16，PWM设置为11/16 |
| 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 12/16，PWM设置为12/16 |
| 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 | 13/16，PWM设置为13/16 |
| 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 14/16，PWM设置为14/16 |

4. 通信协议与操作步骤

要与TM1637正确通信，需遵循其自制协议，具体步骤如下：
- 通信线路 ：有两条通信线，clk是我们需创建的伪时钟信号，频率要低于250kHz；dio是向TM1637传输信息的线路，数据只能在时钟信号为高电平时改变。这两条线都是PIC的输出引脚，可使用任意可用输出。
- 起始信号 ：
1. 时钟线初始为低电平，将其置为逻辑‘1’。
2. 同时，将dio线从低电平驱动到高电平。
3. 产生2ms延迟。
4. 之后，将dio线拉回低电平。dio线在时钟为高电平时从高到低的转变，会被TM1637解释为起始信号。
- 发送命令 ：发送命令0b01000000或0X40，将TM1637置于正常模式。
- 确认信号 ：TM1637会返回确认信号，在第8个时钟信号的负沿或下降沿开始，将dio线拉低，表示已接收命令。
- 停止信号 ：发送停止信号，在时钟线为高电平时将dio线从低电平驱动到高电平，让TM1637有时间进入正常工作模式。
- 再次发送起始信号 ：重复起始信号的创建步骤。
- 发送寄存器地址 ：发送要写入的第一个寄存器地址，即CH0的地址0b11000000或0XC0，TM1637会打开该寄存器，准备接收数据。发送数据后，会自动打开下一个地址寄存器。
- 发送数据 ：依次发送控制四个七段数码管LED亮灭的数据，每次发送后TM1637都会返回确认信号。
- 最终操作 ：发送最后一个确认信号后，发送停止信号。再发送一个起始信号，接着发送设置显示亮度的命令，最后发送停止信号结束通信。

该过程与I2C协议类似，但起始和停止信号不同，且信息是先发送最低有效位（LSB），而I2C先发送最高有效位（MSB）。

5. 程序实现

程序分为三个部分：
1. 设置时钟时间 ：使用三个开关，分别为PORTA的第0位（增量）、第1位（减量）和第2位（设置）。
2. 显示实际时间 ：持续1秒在显示设备上显示实际时间。
3. 显示温度 ：接下来1秒显示温度（°C），程序使用TC74确定温度。

时钟和dio线的两个输出分别为：
- clk: PORTB的第0位
- dio: PORTB的第1位

以下是完整代码：

/*
* File:   the 4 7seg display
Author: Mr H. H. Ward
displays the time and then the temperature
using the PIC18f4525
Created 11/06/2021
*/
#include <xc.h>
#include <conFigInternalOscNoWDTNoLVP.h>
#include <i2cProtocol.h>
#define clk PORTBbits.RB0
#define dio PORTBbits.RB1
#define zero    0b00111111
#define one     0b00000110
#define two     0b01011011
#define three   0b01001111
#define four    0b01100110
#define five    0b01101101
#define six     0b01111100
#define seven   0b00000111
#define eight   0b01111111
#define nine    0b01100111
#define SO      0b01100011
#define C       0b00111001
#define incButton PORTAbits.RA0
#define decButton PORTAbits.RA1
#define setButton PORTAbits.RA2
// declare any variables
unsigned char n, m, thigh;
unsigned char secUnits, minUnits = 0, minTens = 3, 
hourUnits = 0, hourTens = 0, first = zero, second = 
one,third = two, fourth = one;
float sysTemperature;
//some arrays
unsigned char displaynumber [10] =
{
zero,
one,
two,
three,
four,
five,
six,
seven,
eight,
nine,
};
//some subroutines
void delay (unsigned char t)
{
for (n = 0; n < t; n++)
{
TMR0 = 0;
while (TMR0 < 255);
}
}
void delayus (unsigned char t)
{
TMR3 = 0;
while (TMR3 < t);
}
void debounce ()
{
TMR0 = 0;
while (TMR0 < 105);
}
void tmStart ()
{
clk = 1;
dio = 1;
delayus (2);
dio = 0;
}
void tmAck ()
{
clk = 0;
delayus (5);
while (dio);
clk = 1;
delayus (2);
clk = 0;
}
void tmStop ()
{
clk = 0;
delayus (2);
dio = 0;
delayus (2);
clk = 1;
delayus (2);
dio = 1;
}
void tmByteWrite (unsigned char tmByte)
{
for (m = 0; m <8; m++)
{
clk = 0;
if (tmByte & 0x01) dio = 1;
else dio = 0;
delayus (3);
tmByte = tmByte >> 1;
clk = 1;
delayus (3);
}
}
void displaySet()
{
tmStart();
tmByteWrite(0x40);
tmAck();
tmStop();
tmStart();
tmByteWrite(0xc0);
tmAck();
tmByteWrite(first);
tmAck();
tmByteWrite(second);
tmAck();
tmByteWrite(third);
tmAck();
tmByteWrite(fourth);
tmAck();
tmStop();
tmStart();
tmByteWrite(0x8f);
tmAck();
tmStop();
}
void displayMsg()
{
second = second ^(0b10000000);
tmStart();
tmByteWrite(0x40);
tmAck();
tmStop();
tmStart();
tmByteWrite(0xc0);
tmAck();
tmByteWrite(first);
tmAck();
tmByteWrite(second);
tmAck();
tmByteWrite(third);
tmAck();
tmByteWrite(fourth);
tmAck();
tmStop();
tmStart();
tmByteWrite(0x8f);
tmAck();
tmStop();
}
void setTime ()
{
//set minutes
while (setButton)
{
displaySet();
fourth = displaynumber [minUnits];
if (!incButton)debounce ();
if (!incButton)
{
if (minUnits < 9)minUnits ++;
else minUnits = 9;
fourth = displaynumber [minUnits];
while (!incButton);
}
if (!decButton )debounce ();
if (!decButton)
{
if (minUnits > 0) minUnits --;
else minUnits = 0;
fourth = displaynumber [minUnits];
while (!decButton);
}
}
debounce ();
while (!setButton);
//**************************************************
while (setButton)
{
displaySet();
third = displaynumber [minTens];
if (!incButton)debounce ();
if (!incButton)
{
if (minTens < 5)minTens ++;
else minTens = 5;
third = displaynumber [minTens];
while (!incButton);
}
if (!decButton)debounce ();
if (!decButton)
{
if (minTens > 0)minTens --;
else minTens = 0;
third = displaynumber [minTens];
while (!decButton);
}
}
debounce ();
while (!setButton);
//sethours
while (setButton)
{
displaySet();
second = displaynumber [hourUnits];
if (!incButton)debounce ();
if (!incButton)
{
if (hourUnits < 9)hourUnits ++;
else hourUnits = 9;
second = displaynumber [hourUnits];
while (!incButton);
}
if (!decButton)debounce ();
if (!decButton)
{
if (hourUnits > 0)hourUnits --;
else hourUnits = 0;
second = displaynumber [hourUnits];
while (!decButton);
}
}
//**************************************************
debounce ();
while (!setButton);
while (setButton)
{
displaySet();
first = displaynumber [hourTens];
if (!incButton)debounce ();
if (!incButton)
{
if (hourTens < 2)hourTens ++;
else hourTens = 2;
first = displaynumber [hourTens];
while (!incButton);
}
if (!decButton)debounce ();
if (!decButton)
{
if (hourTens > 0)hourTens --;
else hourTens = 0;
first = displaynumber [hourTens];
while (!decButton);
}
}
debounce ();
while (!setButton);
return;
}
void interrupt isr1 ()
{
secUnits ++;
PIR1bits.TMR1IF = 0;
displayMsg();
TMR1H = 0b10000000;
}
void main()
{
PORTA = 0;
PORTB = 0;
PORTC = 0;
PORTD = 0;
TRISA = 0XFF;
TRISB = 0;
TRISC = 0;
TRISD = 0b00000000;
ADCON0 = 0;
ADCON1 = 0X0F;
OSCCON = 0X74;
T0CON = 0XC7;
T1CON = 0b00001111;
T3CON = 0b10010001;
INTCON = 0b11000000;
PIE1bits.TMR1IE = 0;
setTime ();
MSSP2CInit();
PIE1bits.TMR1IE = 1;
while (1)
{
MSSP2Cidle ();
MSSP2CStart ();
MSSP2CWrite (0x9A);
MSSP2CWrite (0x00);
MSSP2CRestart();
MSSP2CWrite(0x9B);
thigh = MSSP2CreadNAck ();
MSSP2CStop();
if (secUnits == 60)
{
minUnits ++;
secUnits = 0;
if (minUnits == 10)
{
minUnits = 0;
minTens ++;
if (minTens == 6)
{
minTens = 0;
hourUnits ++;
if (hourTens < 2)
{
if (hourUnits == 10)
{
hourUnits = 0;
hourTens ++;
}
}
else if (hourTens == 2)
{
if (hourUnits == 4)
{
hourUnits = 0;
hourTens =0;
}
}
}
}
}
if (minUnits & (0b00000001))
{
fourth = displaynumber [minUnits];
third = displaynumber [minTens];
second = displaynumber [hourUnits];
first = displaynumber [hourTens];
}
else
{
fourth = C;
third = SO;
second = displaynumber [thigh % 10];
first = displaynumber [thigh/10];
}
}
}

6. 代码分析

• 注释与包含文件 ：代码开头的1 - 7行是常规注释，8 - 9行是正常的包含文件，10行包含了自定义的i2cProtocol.h头文件，其中包含了使用I2C协议的所有子例程。
• 引脚分配 ：11 - 12行将clk和dio输出分配给PORTB的第0位和第1位，用于PIC与TM1637通信。
• 数字定义 ：13 - 22行定义了0 - 9的二进制值，用于控制七段数码管显示相应数字。23行定义了显示温度单位中“°”的二进制数据，24行定义了显示大写“C”的二进制值。
• 开关分配 ：25 - 27行将输入开关分配给PORTA的第0、1、2位。
• 变量与数组 ：29 - 31行创建了程序中使用的变量，33 - 45行创建了一个包含10个存储位置的数组，用于存储0 - 9的二进制值。
• 延时函数 ：47 - 54行创建了基于32ms的可变延时函数，55 - 59行创建了基于1μs的可变延时函数，60 - 64行创建了用于开关消抖的13ms延时函数。
• 信号子例程 ：65 - 71行创建了TM1637的起始信号子例程，72 - 80行创建了等待确认信号的子例程，81 - 90行创建了停止信号子例程，91 - 103行创建了向TM1637写入8位信息的子例程。
• 显示设置子例程 ：104 - 126行的displaySet子例程，用于向TM1637写入数据并设置时钟显示，包括发送起始信号、命令、地址、数据和亮度设置等操作。
• 显示消息子例程 ：127 - 150行的displayMsg子例程，与displaySet子例程类似，但多了一行 second = second ^(0b10000000); ，用于控制第二和第三个显示之间的冒号闪烁。
• 设置时间子例程 ：151 - 250行的setTime子例程，允许用户使用三个按钮（增量、减量和设置）来控制时钟的起始时间。通过多个while循环，分别设置分钟的个位、十位，小时的个位和十位。
• 中断服务程序 ：251 - 257行的isr1中断服务程序，在timer1溢出时触发，每秒执行一次。每次执行时，增加secUnits的值，调用displayMsg子例程更新时间显示，并重新设置TMR1H的值。
• 主程序 ：258 - 271行是正常的PIC初始化设置，272行将timer1设置为两个8位寄存器，并使用外部32.768kHz的晶体振荡器作为时钟源，273行将timer3设置为16位寄存器，计数频率为1Mhz。274行启用全局和外设中断，275行先禁用timer1的中断，276行调用setTime子例程设置时间，277行初始化MSSP以使用I2C协议，278行启用timer1的中断。279行设置一个无限循环，在循环中获取TC74的温度读数，并根据minUnits的值决定显示时间还是温度。

通过以上步骤和代码，我们可以实现使用TM1637驱动四位七段数码管显示时钟时间和温度的功能。整个过程涉及硬件连接、通信协议的遵循以及软件程序的编写和调试，需要对相关知识有深入的理解和掌握。

TM1637与四位七段数码管显示的应用与解析（续）

7. 关键代码详细解析

7.1 起始信号子例程 tmStart

void tmStart ()
{
    clk = 1;
    dio = 1;
    delayus (2);
    dio = 0;
}

• clk = 1; ：将时钟线置为高电平，确保TM1637能响应dio线的变化。
• dio = 1; ：将dio线置为高电平，为后续的下降沿做准备。
• delayus (2); ：产生2μs的延时，使时钟信号保持高电平一段时间。
• dio = 0; ：将dio线拉低，其在时钟为高电平时从高到低的转变被TM1637识别为起始信号。

7.2 确认信号子例程 tmAck

void tmAck ()
{
    clk = 0;
    delayus (5);
    while (dio);
    clk = 1;
    delayus (2);
    clk = 0;
}

• clk = 0; ：将时钟线拉低，产生第8个时钟信号的下降沿。
• delayus (5); ：产生5μs的延时，给TM1637足够时间将dio线拉低。
• while (dio); ：等待TM1637将dio线拉低，作为确认信号。
• clk = 1; ：将时钟线置为高电平。
• delayus (2); ：产生2μs的延时。
• clk = 0; ：将时钟线拉低。

7.3 停止信号子例程 tmStop

void tmStop ()
{
    clk = 0;
    delayus (2);
    dio = 0;
    delayus (2);
    clk = 1;
    delayus (2);
    dio = 1;
}

• clk = 0; ：将时钟线拉低，为后续的高电平做准备。
• delayus (2); ：产生2μs的延时。
• dio = 0; ：将dio线拉低。
• delayus (2); ：产生2μs的延时。
• clk = 1; ：将时钟线置为高电平。
• delayus (2); ：产生2μs的延时。
• dio = 1; ：将dio线置为高电平，其在时钟为高电平时从低到高的转变被TM1637识别为停止信号。

7.4 字节写入子例程 tmByteWrite

void tmByteWrite (unsigned char tmByte)
{
    for (m = 0; m <8; m++)
    {
        clk = 0;
        if (tmByte & 0x01) dio = 1;
        else dio = 0;
        delayus (3);
        tmByte = tmByte >> 1;
        clk = 1;
        delayus (3);
    }
}

• for (m = 0; m <8; m++) ：循环8次，每次发送一位数据。
• clk = 0; ：将时钟线拉低。
• if (tmByte & 0x01) dio = 1; else dio = 0; ：判断tmByte的最低位是否为1，若是则将dio线置为高电平，否则置为低电平。
• delayus (3); ：产生3μs的延时，保持当前状态。
• tmByte = tmByte >> 1; ：将tmByte右移一位，准备发送下一位数据。
• clk = 1; ：将时钟线置为高电平。
• delayus (3); ：产生3μs的延时。

8. 时间与温度显示逻辑

graph TD;
    A[开始] --> B[设置时钟时间];
    B --> C[进入无限循环];
    C --> D[获取温度读数];
    D --> E{minUnits最低位是否为1};
    E -- 是 --> F[显示时间];
    E -- 否 --> G[显示温度];
    F --> H{secUnits是否为60};
    G --> H;
    H -- 是 --> I[更新时间];
    H -- 否 --> C;
    I --> C;

在主程序的无限循环中，首先获取TC74的温度读数。然后通过判断 minUnits 的最低位是否为1，决定显示时间还是温度。当 secUnits 达到60时，更新时间。

9. 实际应用中的注意事项

• 通信协议 ：TM1637的通信协议与I2C不同，要严格按照其自制协议进行通信，特别是起始信号、停止信号和数据传输的时序。
• 延时设置 ：延时时间的设置非常关键，如起始信号、确认信号和停止信号中的延时，要确保符合协议要求，否则可能导致通信失败。
• 开关消抖 ：在使用开关设置时间时，要进行消抖处理，避免开关抖动引起的误操作。
• 温度读取 ：使用I2C协议读取TC74的温度时，要确保I2C总线的初始化和通信正常。

10. 总结

通过对TM1637驱动IC和四位七段数码管显示的研究和实践，我们实现了使用PIC控制数码管显示时钟时间和温度的功能。整个过程涵盖了硬件选择、通信协议的理解与应用、软件程序的编写与调试等多个方面。

在硬件方面，TM1637的低引脚数设计简化了电路连接，但通信协议的特殊性增加了开发难度。在软件方面，通过合理的程序设计和子例程的编写，实现了时间设置、显示更新和温度读取等功能。

在实际应用中，要注意通信协议的严格遵循、延时时间的准确设置、开关消抖和温度读取的稳定性等问题。通过不断的调试和优化，可以提高系统的稳定性和可靠性，为相关项目的开发提供参考和借鉴。

通过深入理解和掌握TM1637的工作原理和应用方法，我们可以在更多的项目中灵活运用这一技术，实现各种显示需求。同时，对于类似的驱动IC和显示设备，也可以采用类似的分析和开发方法，提高开发效率和质量。