基于單片機的數碼管動態(tài)顯示器的設計方案

1.前言

數碼管靜態(tài)顯示系統(tǒng)需要占用過多的單片機口線，但是可以保證正常的亮度。為了解決占用口線較多而浪費硬件資源等問題，研究人員開發(fā)了一系列諸如74HC595的數碼管驅動芯片，該類芯片可以實現串行轉并行的工作方式，驅動數碼管實現靜態(tài)和動態(tài)顯示。但是，這樣一種工作方式暴露出控制系統(tǒng)實時性不足等問題，在某些對系統(tǒng)響應時間要求比較高的場合的應用產生了一定的限制。為了解決上述幾個弊端，本文提出了一種基于單片機的數碼管動態(tài)顯示器的設計方案，以IAP15F2K61S2系列單片機做控制核心，并采用全新的軟硬件電路實現數碼管的動態(tài)顯示。

2.控制系統(tǒng)硬件設計

2.1 顯示器外觀設計

本顯示器采用六個共陽極的數碼管，按照通常的做法，六個數碼管水平排列在產品的最上方，如圖1所示，這樣的設計可以方便的將控制系統(tǒng)的控制狀態(tài)顯示出來。下方采用的是40管腳DIP封裝的單片機，所有并行口線都安排了插針，可以方便的實現系統(tǒng)的外部擴展，增強本顯示器的可移植性。

采用透明的亞克力材料制作顯示器的外殼，可以很好的進行可見光線傳播，同時，可以堅固的固定電路板。

2.2 顯示器控制核心的選擇IAP15F2K61S2單片機是宏晶科技有限公司(STC)于2013年所推出的最新款的1T單片機，是常規(guī)51單片機的加強版。該系列單片機的運行速度要比普通51單片機快7-12倍，可以較大幅度的提高單片機控制系統(tǒng)的響應速度，降低系統(tǒng)的響應時間。

IAP15F2K61S2單片機集成了豐富的實用功能部件，簡化了常規(guī)單片機最小系統(tǒng)的硬件構成，省去了外部復位電路和時鐘電路等部分，優(yōu)化了管腳配置，配置了五個8位(P0,P1,P2,P3,P4)和一個2位(P5)通用并行I/O口線。

本顯示器配置IAP15F2K61S2單片機的P2口的低六位作為數碼管的選擇控制信號，P0口作為數碼管的顯示段碼傳送數據總線。

2.3 顯示器控制電路設計

本顯示器的控制電路包括電源模塊、驅動模塊、顯示模塊、程序下載模塊等模塊，產品電路原理圖如圖2所示。

顯示器的電源模塊采用兩種供電方式。

第一種方式是通過USB轉串行口的下載器給顯示器供電，第二種方式是通過5V直流電源適配器供電，另外還可以方便的改裝成220V交流電供電，下載器的供電電源來自計算機的USB口，能夠提供給控制系統(tǒng)的電流太小，影響了數碼管的正常顯示亮度，而采用220V交流電供電方式還需要添加過多的電源處理電路，選用第二種方式5V直流電源適配器給本顯示器供電，既便于給產品供電，也可以提供充足的電流。

驅動模塊保證了共陽極數碼管的正常顯示，由于單片機的管腳輸出電流是有限的，因此，P2口對共陽極數碼管公共端的控制需要添加三極管進行驅動，本顯示器選用NPN型三極管9013實現對數碼管公共端的控制。

將六個數碼管水平排成一行，公共端通過三極管進行控制，而數據段與單片機的口線直接相連構成了本顯示器的顯示模塊。

IAP15F2K61S2系列單片機程序的下載可以通過其自帶的全雙工異步串行口(UART)所配置的兩條管腳RXD(P3.0)和TXD(P3.1)實現，這種程序下載方式需要的硬件條件非常簡單，下載軟件的操作方式非常的便捷，受到眾多單片機系統(tǒng)研發(fā)人員的青睞。本顯示器正是采用了這樣的程序下載方式。[!--empirenews.page--]

3.顯示器控制系統(tǒng)軟件設計

3.1 顯示信息處理

動態(tài)顯示器是一種通過異步顯示方式控制數碼管顯示位置和對應顯示字符的高效顯示器。當需要在顯示器上顯示某些信息時，必須先取得該信息對應的段碼作為待顯示數據存入相應的數組。在發(fā)送顯示段碼之前需要將對應數碼管的共陽極公共端置為高電平，之后再通過P0口向該數碼管發(fā)送顯示代碼，該代碼所需顯示的信息將會顯示在顯示器上。

顯示緩沖數組信息的排列方式與本產品的硬件，以及顯示函數的功能恰好相符，以備方便的實現數據顯示。

3.2 系統(tǒng)軟件設計

本產品采用六個共陽極數碼管制作了本顯示器。設計共陽極數碼管顯示代碼表如下：

為了充分發(fā)揮C語言的模塊化編程優(yōu)勢，將動態(tài)顯示子函數封裝為一個通用的模塊，程序如下：

當需要顯示器工作的時候，主程序只需將顯示緩沖區(qū)的首個信息單元的地址通過子函數的形式參數傳遞到子函數的內部，通過子函數的處理，依次將顯示緩沖區(qū)的數據全部顯示出來。

本顯示器的顯示效果如圖3所示。

4.總結

本方案中所設計的數碼管動態(tài)顯示器，在保證了數碼管正常工作以及節(jié)省口線的前提下，大幅提高了系統(tǒng)的實時性能，加快了系統(tǒng)的響應素服，功耗更低，結構新穎，成本低廉。