51单片机基础-动态数码管显示

第六章 动态数码管显示

1. 导入

在第五章中，我们学习了静态数码管显示，即每个数码管的段选线独立控制，优点是显示稳定、程序简单，但缺点是占用I/O资源多（每位需8个引脚）。当需要显示多位数字时，I/O口资源迅速耗尽。

本章将介绍动态数码管显示 技术，通过"扫描方式 "实现多位数码管的显示，显著减少I/O占用。其核心思想是：利用人眼视觉惰性，快速轮流点亮各个数码管，形成"同时显示"的错觉。

本章目标：

• 理解动态扫描原理；
• 掌握位选与段选控制方法；
• 实现多位数码管的数字显示；
• 解决重影、亮度不均等问题；
• 为后续实现电子钟、计数器等应用打下基础。

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2. 硬件设计

2.1 动态数码管结构

多位数码管（如4位）内部由多个7段数码管组成，其特点是：

• 段选线并联：所有数码管的a、b、c、d、e、f、g、dp分别连在一起；
• 位选线独立：每个数码管的公共端（COM）单独引出，用于选择哪一位显示。

常见封装为12脚或16脚，如4位数码管通常为12脚：8根段选线 + 4根位选线。

2.2 数码管类型

仍分为：

• 共阴极：位选线接GND使该位导通，段选线输出高电平点亮段；
• 共阳极：位选线接VCC使该位导通，段选线输出低电平点亮段。

本章以共阴极4位数码管为例。

2.3 电路连接

功能	连接方式
段选线（a~g, dp）	接P0口（P0.0 ~ P0.7）
位选线（D1~D4）	接P2.0 ~ P2.3
P0口上拉电阻	外接10kΩ排阻（因P0为开漏）

说明：

• 段选线控制显示内容；
• 位选线控制哪一位被点亮；
• 某一位被选中时，其COM端接地（通过三极管或直接I/O控制）。

位选驱动增强（可选）

若I/O驱动能力不足，可在位选线使用NPN三极管（如S8550）进行电流放大：

• P2.0 → 三极管基极（通过1kΩ电阻）
• 发射极 → VCC
• 集电极 → 数码管COM端

此时为高电平有效位选。

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3. 软件设计

3.1 段码表定义

复用第五章的共阴极段码表：

#include <reg52.h>

unsigned char code seg_code[] = {
    0x3F, // 0
    0x06, // 1
    0x5B, // 2
    0x4F, // 3
    0x66, // 4
    0x6D, // 5
    0x7D, // 6
    0x07, // 7
    0x7F, // 8
    0x6F  // 9
};

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3.2 位选控制

定义位选控制宏（共阴极，低电平有效）：

#define DIGIT1 P2 = P2 & 0xFE | 0x0E  // P2.0=0, P2.1~3=1 → 选中第1位
#define DIGIT2 P2 = P2 & 0xFD | 0x0D  // P2.1=0
#define DIGIT3 P2 = P2 & 0xFB | 0x0B  // P2.2=0
#define DIGIT4 P2 = P2 & 0xF7 | 0x07  // P2.3=0

更简洁方式：直接赋值

void select_digit(unsigned char n) {
    switch(n) {
        case 1: P2 = (P2 & 0xF0) | 0x0E; break;
        case 2: P2 = (P2 & 0xF0) | 0x0D; break;
        case 3: P2 = (P2 & 0xF0) | 0x0B; break;
        case 4: P2 = (P2 & 0xF0) | 0x07; break;
        default: break;
    }
}

实际常用：P2.03 控制位选，P2.47 保留，故先清低4位再设置。

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3.3 基本显示流程

动态扫描步骤：

1. 关闭所有位选（可选）；
2. 输出当前位的段码；
3. 选中该位；
4. 延时1~5ms；
5. 关闭该位；
6. 切换到下一位，循环。

void display(unsigned char *num, unsigned char len) {
    unsigned char i;
    for (i = 0; i < len; i++) {
        P0 = 0x00;                    // 消隐，防止重影
        P2 = (P2 & 0xF0) | 0x0F;      // 关闭所有位选（P2.0~3=1）

        P0 = seg_code[num[i]];        // 输出第i位的段码
        P2 = (P2 & 0xF0) | (0x0F & ~(1 << i)); // 选中第i位（低电平）

        delay_ms(1);                  // 显示1ms
    }
}

说明：~(1 << i) 生成第i位为0，其余为1。

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3.4 显示多位数字（示例：显示1234）

unsigned char show[] = {1, 2, 3, 4}; // 显示内容

void main() {
    while(1) {
        display(show, 4);
    }
}

注意：display函数需在主循环中持续调用，扫描频率建议 ≥ 50Hz，避免闪烁。

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3.5 消除重影（Ghosting）

重影原因：前一位未完全关闭时，后一位已开启，导致两位列同时亮。

解决方法：

1. 消隐法：在切换位前，先将段选线清零；
2. 快速扫描：提高扫描频率；
3. 关闭位选：切换时短暂关闭所有位选。

改进版扫描函数：

void display(unsigned char *num, unsigned char len) {
    unsigned char i;
    for (i = 0; i < len; i++) {
        P0 = 0x00;                    // 消隐
        P2 = (P2 & 0xF0) | 0x0F;      // 关闭所有位选

        P0 = seg_code[num[i]];        // 设置段码
        P2 = (P2 & 0xF0) | (0x0F & ~(1 << i)); // 选中第i位

        delay_ms(1);
    }
}

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3.6 显示小数点

若需在第2位显示小数点（如12.34），则：

P0 = seg_code[num[i]] | 0x80;  // 仅在第2位加小数点

可在display函数中判断位数：

if (i == 1) {  // 第2位（索引1）
    P0 = seg_code[num[i]] | 0x80;
} else {
    P0 = seg_code[num[i]];
}

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3.7 使用定时器中断扫描（预告）

当前方法在主循环中扫描，若主程序有复杂逻辑，可能导致显示不稳定。后续可使用定时器中断：

• 定时器每1ms中断一次；
• 在中断中切换数码管位；
• 实现非阻塞、高稳定性显示。

留待"定时器"章节深入。

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3.8 编译与下载

• Keil中创建工程，写入代码；
• 确保段选与位选连接正确；
• 编译生成HEX；
• 下载至单片机；
• 观察是否显示1234，无闪烁、无重影。

若显示错乱：

• 检查位选逻辑是否正确；
• 确认段码表适用于共阴极；
• 增加消隐步骤。

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4. 小结

本章通过实现动态数码管显示，掌握了多位数字显示的核心技术，主要内容包括：

• 硬件连接：理解段选与位选结构，正确连接共阴极数码管；
• 扫描原理：利用视觉惰性实现"多路复用"；
• 软件实现：编写扫描函数，支持多位显示、小数点控制；
• 问题解决：掌握消隐、防重影、亮度均衡等技巧；
• 扩展能力：为实现计时器、频率计等应用奠定基础。

4.1 常见问题与解决

问题	原因	解决方法
显示闪烁	扫描频率太低	增加扫描次数或减少延时
重影	未消隐或切换太快	加入消隐步骤，短暂关闭所有位
某位不亮	位选线未导通	检查P2口输出与三极管驱动
亮度不均	各位显示时间不同	保证每位延时一致
显示乱码	段码表错误	确认数码管类型并重新编码

4.2 下一步学习建议

• 使用定时器中断实现动态扫描，解放主程序；
• 实现电子钟功能，显示时分秒；
• 引入按键调节时间；
• 学习矩阵键盘，扩展输入方式。

本章标志着你已掌握高效的多位显示技术，下一章将进入定时器/计数器模块的学习，实现精准时间控制与非阻塞操作。

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