數碼管動態顯示教具的設計

汪燕

摘要：針對單片機原理課程中數碼管動態顯示方式的教學難點，設計了一種可通過按鍵改變掃描頻率的教具，直觀展示了動態掃描的工作原理。教具以8051單片機為核心，涵蓋了系統的軟硬件設計和數碼管的動態驅動原理。該教具與單片機原理課程聯系緊密，使用簡單，能激發學生學習興趣，促進學生能力牽移。

關鍵詞：數碼管；教具；單片機；動態掃描

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）04-0141-03

數碼管的顯示分為靜態驅動方式和動態掃描方式。靜態驅動的方法使用了單片機較多的I/O口，一般將需要顯示的內容存儲在寄存器中，接線方式直觀，理解較為簡單。在顯示模塊設計或基于單片機的簡單應用中，一般采用動態掃描方法驅動多位數碼管，學生理解與編程有一定的困難[1-3]。為配合課堂教育改革，將翻轉課堂引入教學實踐，需要引導學生探究數碼管的顯示方式，掌握數碼管的動態驅動方式，我們設計了數碼管動態顯示教具[4-6]。

1 總體設計

該教具的硬件由單片機STC89C52為核心，I/O口擴展了4位8字數碼管、按鍵和有源蜂鳴器構成[7]。通過按鍵的按壓可以動態改變掃描頻率，通過蜂鳴器發出聲音提醒掃描頻率發生了改變，系統結構如圖1所示。

在STC89C52最小系統板的基礎上，在P0口和P2口擴展了4位共陽極8字數碼管，采用掃描方式驅動，掃描的頻率由間隔時間決定。初始狀態，掃描頻率為每秒2次，可以清晰看到4位數碼管依次被點亮。當觸發按鍵時，數碼管的掃描頻率將增加，同時蜂鳴器發聲，提示頻率已經修改。每按一次按鍵，掃描會加快一倍，共10級，當掃描頻率接近25次/秒時，4位數碼管的數字將穩定顯示[8]。

2 硬件設計

如圖1，STC單片機最小系統共擴展了3個I/O器件。圖1中的按鍵對應于圖2的K1。圖1中的蜂鳴器對應于圖2中的P3.7引腳的擴展部分：R2、R3、S8550、Buzzer。4位共陽極數碼管模塊對應于圖2的右上角的限流電阻RN1（阻值為510歐姆的排阻）、74LS245和4只0.5英寸的共陽極數碼管。74LS245是雙向總數驅動芯片，用于增強單片機P2口的驅動能力。圖2中數碼管下方“ABCDEFG”為字型碼驅動引腳，“DP”為小數點驅動；“1234”為4個數碼管的字選線，共陽極接法。當P2接高電平時，通過U2的驅動，可以直接驅動0.5英寸的數碼管。當P2.0為高電平，P0口輸出低電平，將點亮第1位數碼管，P2.1為高電平時，將點亮第2位數碼管，依次類推。P0口送不同的字型碼即可顯示不同的字符[8]。制作印刷電路板（PCB）布線時，將數碼管的字型碼驅動和位線盡量在PCB的同一面上，并且將“字型碼驅動”和“位選”放在絲印層上，以方便學生研究學習。

3 軟件設計

動態掃描利用了人眼的視覺暫留效應，時間大約是0.1～0.4ms，一般刷新率取24以上，即每秒鐘每個數碼管必須被點亮24次以上，人眼才能看到穩定的圖像[9]。顯然掃描是不能中斷的，假如有4位數碼管需要驅動，掃描的最大間隔是1/24/4，即10ms，如果單片機在掃描時需要處理其它事件，中斷的時間必須小于這個值，否則顯示就不穩定。本教具設計了一個按鍵K1，用于改變掃描頻率；設計了一個有源蜂鳴器，用來提示頻率發生了改變。按鍵不能采用掃描的方式讀取，而是采用了外部中斷的方式，節省了執行時間。蜂鳴器的打開時間采用定時器來控制，按鍵中斷啟動定時器，打開蜂鳴器。定時器時間一到，由定時中斷關閉蜂鳴器。軟件開發基于Keil C51，設計階段采用Proteus仿真，軟件處理流程如圖3所示。

3.1 數碼管的動態掃描方式

掃描流程[10]如圖3（a）所示。

數碼管的字型碼為：

uchar code DSY_CODE[]=

{

0xc0，0xf9，0xa4，0xb0，0x99，0x92，0x82，0xf8，0x80，0x90，0x88，0x83，0xc6，0xa1，0x86，0x8e

}； //0-9，A-F

掃描間隔采用數組預定義：

unsigned char intVal[]={250，200，100，50，25，12，10，9，8，7}；//掃描間隔

數碼管顯示的字符序號放在數組lcd中：

Unsigned char lcd[]={1，2，3，4}； //初始顯示為"1，2，3，4"

圖3（a）中“送位選”指的是依次送P2.0， P2.1， P2.2， P2.3高電平，即依次點亮1至4位數碼管，當掃描的頻率超過人眼的視覺暫留時間后，即可看到穩定的數字顯示。

3.2 按鍵K1的觸發，修改掃描頻率

K1按鍵采用外部中斷方式觸發[11]。中斷服務程序將修改數碼管的掃描間隔：250，200，100，50，25，12，10，9，8，7，單位為毫秒。每按一次，掃描間隔減少約一半。為看清動態顯示過程，后面的幾次間隔逐漸減小。為了吸引學生的注意，每按一次按鍵，讓蜂鳴器發出聲音。蜂鳴器采用有源蜂鳴器，P3.7輸出低電平，驅動三極管Q1工作于飽和態，BUZ1發聲。K1按鍵中斷服務程序中同時啟動定時器T0，在T0定時器溢出中斷中關閉蜂鳴器，達到發聲的短延時。

3.3 蜂鳴器發聲，提示頻率改變

在T0定時器中斷服務程序[12]中令P3.7為高電平，三極管Q1工作于截止態，BUZ1停止發聲。由于按鍵和蜂鳴器處理采用了中斷和定時器的方法，語句執行時間極短，不影響數碼管的動態掃描效果。

4 結語

數碼管動態顯示是單片機的重要輸出方式，本設計以8051最小系統為基礎，擴展了按鍵輸入和蜂鳴器輸出模塊，調用了外部中斷和定時器中斷，將各個知識點有機地聯系在一起，形成了一套集聲光電一體的教學演示模板，清晰展示了數碼管動態顯示原理，激發了學生學習興趣，方便了教師的使用，提高了實驗課程的教學效果。

參考文獻

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