嵌入式硬件入门——LED数码管（工作原理+静态驱动）

LED数码管是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管（LED）。LED数码管在生活中随处可见，洗衣机、电饭煲、热水器、微波炉、冰箱、这些最基本的家用电器上基本都用到了这种7段LED数码管（段为LED灯的个数）。

小辉_Super

44435人浏览 · 2021-12-16 13:41:21

小辉_Super · 2021-12-16 13:41:21 发布

LED数码管是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管（LED）

文章目录

数码管介绍
- 1.数码管的分类
- 2.数码管内部构造及原理
数码管硬件知识
- 1.数码管电压与电流
- 2.数码管典型电路
数码管的应用
- 使用51单片机控制数码管

数码管介绍

led数码管（LED Segment Displays）由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。数码管实际上是由七个发光管组成8字形构成的，加上小数点就是8个。这些段分别由字母a,b,c,d,e,f,g,dp来表示。 ——百度百科

LED数码管在生活中随处可见，洗衣机、电饭煲、热水器、微波炉、冰箱、这些最基本的家用电器上基本都用到了这种7段LED数码管（段为LED灯的个数）。

下图为某洗衣机控制主板：
在这里插入图片描述

1.数码管的分类

按显示段数分：分为七段、八段、九段、十四段和十六段
七段：七段数码管由7个LED构成

八段：八段数码管比七段多了一个小数点

九段：九段数码管由9个LED构成

十四段：十四段数码管由14个LED构成
十六段：十六段数码管由16个LED构成
按显示位数分：分为1位、2位、3位及多位数码管（大于1位）
按内部发光二极管单元的连接方式分：分为共阳极和共阴极
共阳极数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极（COM）的数码管，共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮，当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极（COM）的数码管，共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮，当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。（内部构造见下节内容）
按显示颜色分：分为红色、橙色、黄色、绿色和蓝色等等

2.数码管内部构造及原理

内部构造

下图是数码管的引脚定义和内部构造，可以看到其实数码管内部只有LED一种元件，图（a）中的COM就是数码管的公共端，数码管只能是共阳极（公共端为VCC）和共阴极（公共端接地）中的一种。

在这里插入图片描述

显示原理

从上面的内容我们可以得知LED数码管其实就是由多个LED组成的，那它是如何显示数字的呢？

原来数码管的8个LED都已经被命好名了：它们分别叫a,b,c,d,e,f,g,dp，只要点亮这8个LED中的其中几个，就能达到显示数字的目的，那我们怎么知道显示的数字和LED编号之间的对应关系呢？

这个其实也很简单，不用我们死记硬背，可以直接查表，下图是共阴极数码管显示0-F对应的编码:

在这里插入图片描述

如果是共阳极数码管，只需将上图对应的编码按位取反即可。

下表同样为数码管显示字段对照表：

显示的数字	点亮的LED	十六进制 (共阳极)	十六进制 (共阴极)
0	abcdef	0xC0	0x3F
1	bc	0xF9	0x06
2	abdeg	0xA4	0x5B
3	abcdg	0xb0	0x4F
4	bcfg	0x99	0x66
5	acdfg	0x92	0x6D
6	acdefg	0x82	0x7D
7	abc	0xF8	0x07
8	abcdefg	0x80	0x7F
9	abcdfg	0x90	0x6F
A	abcefg	0x88	0x77
B	cdefg	0x83	0x7C
C	adef	0xC6	0x39
D	bcdeg	0xA1	0x5E
E	adefg	0x86	0x79
F	aefg	0x8E	0x71

数码管硬件知识

1.数码管电压与电流

同样型号下，不同颜色的LED数码管
红色的LED数码管电压一般在1.7~2.5Ⅴ左右，绿色的LED数码管电压一般在2.0~2.4Ⅴ左右，黄色的LED数码管电压一般在1.9~2.4Ⅴ左右，蓝/白色的LED数码管电压一般在3.0~3.8v左右。

同样颜色，不同功率的LED数码管
1/6W的LED数码管的电压2.5V~3.5V之间，电流是0.02A左右；1/2W的LED数码管的电压2.5V~3.77V之间，电流是0.15A左右；1W的LED数码管的电压2.79V~3.99V之间，电流是0.35A左右;3W的LED数码管的电压3.05V~4.47V之间，电流是0.7A左右；5W的LED数码管的电压3.16V~4.88V之间，电流是1A左右。

来源——http://www.dg8.com.cn/jishu/13458.html

由于LED数码管由LED组成，所以以上参数其实和LED的电压和电流参数相同，这些内容也在我之前的发光二极管介绍篇里有所提及。

2.数码管典型电路

由于不同规格型号的LED数码管对应的正向导通电压和额定电流不同，所以我这里以Proteus器件库的数码管默认参数作为参考，如下图所示，即现在我们要使用的数码管正向导通电压为1.5V，额定电流为10mA。

在这里插入图片描述
单片机的VCC通常为3.3V或5V，它们都达到了数码管的1.5V正向导通电压（电压超过一点没关系，主要是电流不能太大）。

假如我们现在用单片机控制数码管，由于单片机的IO电流一般为10mA~20mA，驱动单个LED是足够的，但是如果有多个数码管并联（多位数码管），单片机的IO电流就不足以驱动所有的数码管，这时就会出现数码管亮度变暗或不亮的现象。
所以，在用单片机控制多位数码管时（动态驱动数码管），我们需要使用驱动电路。

首先让我看看动态数码管的电路原理图，可以看到8个数码管的8个引脚是和单片机IO并联的，如果8个数码管同时亮或者快速扫描时（扫描的意思是多个数码管片选，即在一个较短的时间内单片机只操作一个数码管，然后不断循环切换数码管进行显示），单片机的IO驱动能力不足以维持数码管的正常显示，所以我们需要在单片机IO和多位数码管之间增加驱动电路。
在这里插入图片描述

通常可以使用三极管实现驱动功能，这里的三极管起到开关作用。当IO端（电阻R3左侧）为低电平时，三极管不导通，4个LED不亮；当IO端为高电平时，三极管导通，4个LED被点亮。这时单片机就是起到控制作用（控制三极管的集电极和发射极是否导通），而不是驱动作用。

在这里插入图片描述

除了用三极管，我们还可以使用一些驱动芯片，比如74HC245，74HC245是一种三态输出、八路信号收发器,主要应用于大屏显示,以及其它的消费类电子产品中增加驱动。

其内部构造如下图所示，里面相当于有8个开关电路，正好数码管也有8个信号引脚。此外，74HC245支持三态输出（输入、输出、高阻），也就是说它能反向驱动，即驱动共阳极数码管，可以说用74HC245来驱动数码管堪称完美（纯个人观点——我见识短）。
在这里插入图片描述

用74HC245驱动单个共阴极数码管

在这里插入图片描述

用74HC245驱动单个共阳极数码管

在这里插入图片描述

据说还有一种数码管译码器74LS47，它能将BCD码（用4位二进制数来表示1位十进制数中的0~9这10个数码）转换成数码管对应的数字的显示信号，这个芯片我在学单片机之前用过，不过现在忘了。

74LS47是 BCD-7段数码管译码器驱动器，74LS47的功能用于将BCD码转化成数码块中的数字，通过它来进行解码，可以直接把数字转换为数码管的数字，从而简化了程序，节约了单片机的IO开销。因此是一个非常好的芯片!但是由于目前从节约成本的角度考虑，此类芯片已经少用，大部分情况下都是用动态扫描数码管的形式来实现数码管显示。

在这里插入图片描述

由于BCD码只能表示0~9，所以它也只能翻译0~9对应的数码管显示信号。具体使用这里就不作介绍了。

下面展示百度百科的图：(当然，如果用单片机，我们就没必要用BCD码编码器)

数码管的应用

使用51单片机控制数码管

这里仅介绍单个数码管的操作（1位数码管），又称静态驱动数码管显示

静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多，如驱动5个数码管静态显示则需要5×8=40根I/O端口来驱动，要知道一个89S51单片机可用的I/O端口才32个，实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。
.
数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是哪个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。
——百度百科

直接上代码，实现功能：让数码管循环显示0-F

#include <reg52.h>   //此文件中定义了单片机的一些特殊功能寄存器

unsigned char code coding[16]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,
					0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71};//显示0-F的值

#define LED_TUBE  P2 //P2的8个IO端口对应数码管的8个信号引脚

/******************************************************************************
 * @ 函数名  ： Delay_10us
 * @ 功  能  ： 10us粗略延时
 * @ 参  数  ： 延时时间--单位10us
 * @ 返回值  ： 无
 ******************************************************************************/
void Delay_10us(unsigned int time)
{
	while(time--);
}
 

/******************************************************************************
 * @ 函数名  ： main
 * @ 功  能  ： 主函数
 * @ 参  数  ： 无
 * @ 返回值  ： 无
 ******************************************************************************/

int main()
{	
	unsigned char i = 0;
	while(1)
	{
		/* 显示0-F */
		for(i = 0; i < 16; i++)
		{
			LED_TUBE = coding[i]; //设置8个IO的电平
			Delay_10us(50000);    //延时约500ms
		}	
	}
}