最簡單的顯示屏——數碼管模組的顯示原理與驅動

數碼管可以說是顯示屏的一種， 透過控制其不同管腳的電流通斷，會使其發光，從而顯示出數字。因此它能夠顯示時間、日期、溫度等所有可用數字表示的資訊。由於它的價格便宜，使用簡單，在電器特別是家電領域應用極為廣泛，空調、熱水器、冰箱等等。絕大多數需要顯示的小家電都是使用數碼管，再複雜一點的應用則會採用液晶屏與熒光屏等。

數碼管結構

數碼管也稱LED數碼管，常用段數一般為7段，也有的另加一個小數點。也就是說一位數字就需要用到8個LED小燈。數碼管根據LED的接法不同分為共陰和共陽兩類：

共陽數碼管是指將所有發光二極體的陽極接到一起形成公共陽極（COM）的數碼管，共陽數碼管在應用時應將公共極COM接到+5V，當某一欄位發光二極體的陰極為低電平時，相應欄位就點亮，當某一欄位的陰極為高電平時，相應欄位就不亮。

共陰數碼管是指將所有發光二極體的陰極接到一起形成公共陰極（COM）的數碼管，共陰數碼管在應用時應將公共極COM接到地線GND上，當某一欄位發光二極體的陽極為高電平時，相應欄位就點亮，當某一欄位的陽極為低電平時，相應欄位就不亮。

當數碼管特定的段加上電壓後，這些特定的段就會發亮，以形成我們眼睛看到的字樣了。如：顯示一個“2”字，那麼應當是A亮B亮G亮E亮D亮；F不亮C不亮DP不亮。因此常用LED數碼管可以顯示的數字和字元是0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。

LED數碼管引腳定義

當然，也有更加複雜一點的數碼管，如下圖，我們就不詳加介紹了。

驅動方式

想要驅動數碼管顯示出我們想要的數字其實非常簡單，只要對不同的LED段加上相應的電壓就行。但是想象一下，如果需要顯示下圖的時間13點08分，我們需要控制20個LED，使其亮；12個LED，使其滅。每個LED接一條線路，就要接32條，這樣其實是十分浪費資源的。

因此數碼管的驅動方式十分靈活，

可以分為靜態

驅動

和動態

驅動

兩類。

靜態顯示驅動：

靜態驅動也稱直流驅動。靜態驅動是指每個數碼管的每一個段碼都由一個微控制器的I/O埠進行驅動，或者使用如BCD碼二-十進位制譯碼器譯碼進行驅動。靜態驅動的優點是程式設計簡單，顯示亮度高，缺點是佔用I/O埠太多，如驅動5個數碼管靜態顯示則需要5×8=40根I/O埠來驅動。要知道一個89S51微控制器可用的I/O端口才32個，實際應用時必須增加譯碼驅動器進行驅動，增加了硬體電路的複雜性。

動態顯示驅動：

數碼管動態顯示介面是微控制器中應用最為廣泛的一種顯示方式之一，動

態驅動是將所有數碼管的8個顯示筆劃“a，b，c，d，e，f，g，dp”的同名端連在一起，另外為每個數碼管的公共極COM增加位選通控制電路，位選通由各自獨立的I/O線控制，當微控制器輸出字形碼時，所有數碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是哪個數碼管會顯示出字形，取決於微控制器對位選通COM端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數碼管的選通控制開啟，該位就顯示出字形，沒有選通的數碼管就不會亮。透過分時輪流控制各個數碼管的的COM端，就使各個數碼管輪流受控顯示，這就是動態驅動。在輪流顯示過程中，每位數碼管的點亮時間為1～2ms，由於人的視覺暫留現象及發光二極體的餘輝效應，儘管實際上各位數碼管並非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩定的顯示資料，不會有閃爍感，動態顯示的效果和靜態顯示是一樣的，能夠節省大量的I/O埠，而且功耗更低。

現實應用中，絕大部分的數碼管都是動態顯示的，只是人眼看不出效果而已。但我們可以藉助手機來驗證這一點。當我們將快門速度調慢，拍下的數碼管照片就是完整的顯示數字；當快門速度調快到一定速度時，拍下的顯示數字就是不完整的，這也就說明了這個數碼管是採用動態顯示的驅動方式。

快門速度1/24 時拍下的照片

快門速度1/625 時拍下的照片

模組介紹

下面我們來著重介紹一下一個八位的LED數碼管模組的結構和驅動方式。

八位數碼管顯示模組

一個八位的數碼管總共有64個LED，我們不可能用64個I/O引腳去控制，因此需要一個驅動晶片。這個模組採用的是MAX7219晶片。它是一種整合化的序列輸入/輸出共陰極顯示驅動器。它連線微處理器與8位數字的7段數字LED顯示，也可以連線條線圖顯示器或者64個獨立的LED。其上包括一個片上的B型BCD編碼器、多路掃描迴路，段字驅動器，而且還有一個8*8的靜態RAM用來儲存每一個數據。只需要3個I/O口就能驅動8位數碼管，可以說效率是很高了。整個模組的電路圖如下：

主要引數：

工作電壓：DC 5V

規格尺寸：82*15mm

引腳定義：

VCC：接電源正極

GND：接電源負極

DIN：

序列資料輸入埠

CS：位選端

CLK：

時鐘序列輸入端

Arduino實驗

下面我們就用Arduino UNO驅動8位數碼管模組工作吧。

硬體裝置：

Arduino UNO控制器 × 1

8位數碼管模組 × 1

電源 × 1

杜邦線 × n

接線圖：

將驅動模組的DIN、CS、CLK分別連到Arduino 12、11、10數字引腳上，連線電源和接地線。

程式：

在程式設計之前我們需要知道一位數碼管對應顯示各個數字字元的段碼。我們可以用這樣的一個小程式進行查詢。例如數字2，它的段碼正碼就是5B，反碼就是A4，分別對應共陽和共陰的數碼管。

數字2的段碼查詢

//數碼管顯示程式//事先輸入查詢好的各個字元的段碼uint8_t SEGPLAY［］ = { 0xC0， //“0” 0xF9， //“1” 0xA4， //“2” 0xB0， //“3” 0x99， //“4” 0x92， //“5” 0x82， //“6” 0xF8， //“7” 0x80， //“8” 0x90， //“9” // 0x88， //“A” // 0x83， //“B” // 0xC6， //“C” // 0xA1， //“D” // 0x86， //“E” // 0x8E， //“F” // 0x89， //“H” // 0xC7， //“L” // 0xC8， //“n” // 0xC1， //“u” // 0x8C， //“P” // 0xA3， //“o” // 0xBF， //“-” // 0xFF， //熄滅 // 0xFF //自定義 }；//定義位碼，也就是1到8位的數碼管的程式碼uint8_t DIG［］ = {0b10000000， 0b01000000， 0b00100000， 0b00010000， 0b00001000， 0b00000100， 0b00000010， 0b00000001， }；//定義三個引腳#define latchPin 10#define clockPin 11#define dataPin 12void setup（） {//定義三個引腳為輸出 pinMode（latchPin， OUTPUT）； pinMode（clockPin， OUTPUT）； pinMode（dataPin， OUTPUT）；}void loop（） { playnum （1308， 5014）； //顯示 13085014 delay（20）；}////函式作用：用於兩個四位數碼管顯示數字//輸入值：unsigned int 範圍0-9999 ////返回值： 無 //void playnum （unsigned int i， unsigned int j） { SegDisplay（i / 1000， 0）； SegDisplay（（i % 1000） / 100， 1）； SegDisplay（（i % 100） / 10， 2）； SegDisplay（（i % 10）， 3）； SegDisplay（ j / 1000， 4）； SegDisplay（（j % 1000） / 100， 5）； SegDisplay（（j % 100） / 10， 6）； SegDisplay（（j % 10）， 7）；}////函式作用：用於單位數碼管顯示數字//輸入值：i 範圍0-11 //// 顯示位置 1-4 ////返回值： 無 //void SegDisplay（int i， int j） { digitalWrite（latchPin， LOW）； shiftOut（dataPin， clockPin， LSBFIRST， DIG［j］）； //位選 shiftOut（dataPin， clockPin， MSBFIRST， SEGPLAY［i］）；//段選 digitalWrite（latchPin， HIGH）； delayMicroseconds（500）；//調節這個和下面的引數可以調整顯示亮度，建議這兩個數加起來為860。這樣是為了顯示時間準確 // delayMicroseconds（360）；}