數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示教具的設(shè)計(jì)

汪燕

摘要：針對(duì)單片機(jī)原理課程中數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示方式的教學(xué)難點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種可通過按鍵改變掃描頻率的教具，直觀展示了動(dòng)態(tài)掃描的工作原理。教具以8051單片機(jī)為核心，涵蓋了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)和數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)原理。該教具與單片機(jī)原理課程聯(lián)系緊密，使用簡(jiǎn)單，能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)學(xué)生能力牽移。

關(guān)鍵詞：數(shù)碼管；教具；單片機(jī)；動(dòng)態(tài)掃描

中圖分類號(hào)：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2018）04-0141-03

數(shù)碼管的顯示分為靜態(tài)驅(qū)動(dòng)方式和動(dòng)態(tài)掃描方式。靜態(tài)驅(qū)動(dòng)的方法使用了單片機(jī)較多的I/O口，一般將需要顯示的內(nèi)容存儲(chǔ)在寄存器中，接線方式直觀，理解較為簡(jiǎn)單。在顯示模塊設(shè)計(jì)或基于單片機(jī)的簡(jiǎn)單應(yīng)用中，一般采用動(dòng)態(tài)掃描方法驅(qū)動(dòng)多位數(shù)碼管，學(xué)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(zhuǎn)課堂引入教學(xué)實(shí)踐，需要引導(dǎo)學(xué)生探究數(shù)碼管的顯示方式，掌握數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)方式，我們?cè)O(shè)計(jì)了數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示教具[4-6]。

1 總體設(shè)計(jì)

該教具的硬件由單片機(jī)STC89C52為核心，I/O口擴(kuò)展了4位8字?jǐn)?shù)碼管、按鍵和有源蜂鳴器構(gòu)成[7]。通過按鍵的按壓可以動(dòng)態(tài)改變掃描頻率，通過蜂鳴器發(fā)出聲音提醒掃描頻率發(fā)生了改變，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在STC89C52最小系統(tǒng)板的基礎(chǔ)上，在P0口和P2口擴(kuò)展了4位共陽(yáng)極8字?jǐn)?shù)碼管，采用掃描方式驅(qū)動(dòng)，掃描的頻率由間隔時(shí)間決定。初始狀態(tài)，掃描頻率為每秒2次，可以清晰看到4位數(shù)碼管依次被點(diǎn)亮。當(dāng)觸發(fā)按鍵時(shí)，數(shù)碼管的掃描頻率將增加，同時(shí)蜂鳴器發(fā)聲，提示頻率已經(jīng)修改。每按一次按鍵，掃描會(huì)加快一倍，共10級(jí)，當(dāng)掃描頻率接近25次/秒時(shí)，4位數(shù)碼管的數(shù)字將穩(wěn)定顯示[8]。

2 硬件設(shè)計(jì)

如圖1，STC單片機(jī)最小系統(tǒng)共擴(kuò)展了3個(gè)I/O器件。圖1中的按鍵對(duì)應(yīng)于圖2的K1。圖1中的蜂鳴器對(duì)應(yīng)于圖2中的P3.7引腳的擴(kuò)展部分：R2、R3、S8550、Buzzer。4位共陽(yáng)極數(shù)碼管模塊對(duì)應(yīng)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(yáng)極數(shù)碼管。74LS245是雙向總數(shù)驅(qū)動(dòng)芯片，用于增強(qiáng)單片機(jī)P2口的驅(qū)動(dòng)能力。圖2中數(shù)碼管下方“ABCDEFG”為字型碼驅(qū)動(dòng)引腳，“DP”為小數(shù)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)；“1234”為4個(gè)數(shù)碼管的字選線，共陽(yáng)極接法。當(dāng)P2接高電平時(shí)，通過U2的驅(qū)動(dòng)，可以直接驅(qū)動(dòng)0.5英寸的數(shù)碼管。當(dāng)P2.0為高電平，P0口輸出低電平，將點(diǎn)亮第1位數(shù)碼管，P2.1為高電平時(shí)，將點(diǎn)亮第2位數(shù)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(shí)，將數(shù)碼管的字型碼驅(qū)動(dòng)和位線盡量在PCB的同一面上，并且將“字型碼驅(qū)動(dòng)”和“位選”放在絲印層上，以方便學(xué)生研究學(xué)習(xí)。

3 軟件設(shè)計(jì)

動(dòng)態(tài)掃描利用了人眼的視覺暫留效應(yīng)，時(shí)間大約是0.1～0.4ms，一般刷新率取24以上，即每秒鐘每個(gè)數(shù)碼管必須被點(diǎn)亮24次以上，人眼才能看到穩(wěn)定的圖像[9]。顯然掃描是不能中斷的，假如有4位數(shù)碼管需要驅(qū)動(dòng)，掃描的最大間隔是1/24/4，即10ms，如果單片機(jī)在掃描時(shí)需要處理其它事件，中斷的時(shí)間必須小于這個(gè)值，否則顯示就不穩(wěn)定。本教具設(shè)計(jì)了一個(gè)按鍵K1，用于改變掃描頻率；設(shè)計(jì)了一個(gè)有源蜂鳴器，用來提示頻率發(fā)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(jié)省了執(zhí)行時(shí)間。蜂鳴器的打開時(shí)間采用定時(shí)器來控制，按鍵中斷啟動(dòng)定時(shí)器，打開蜂鳴器。定時(shí)器時(shí)間一到，由定時(shí)中斷關(guān)閉蜂鳴器。軟件開發(fā)基于Keil C51，設(shè)計(jì)階段采用Proteus仿真，軟件處理流程如圖3所示。

3.1 數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)掃描方式

掃描流程[10]如圖3（a）所示。

數(shù)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(shù)組預(yù)定義：

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

數(shù)碼管顯示的字符序號(hào)放在數(shù)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(diǎn)亮1至4位數(shù)碼管，當(dāng)掃描的頻率超過人眼的視覺暫留時(shí)間后，即可看到穩(wěn)定的數(shù)字顯示。

3.2 按鍵K1的觸發(fā)，修改掃描頻率

K1按鍵采用外部中斷方式觸發(fā)[11]。中斷服務(wù)程序?qū)⑿薷臄?shù)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(dòng)態(tài)顯示過程，后面的幾次間隔逐漸減小。為了吸引學(xué)生的注意，每按一次按鍵，讓蜂鳴器發(fā)出聲音。蜂鳴器采用有源蜂鳴器，P3.7輸出低電平，驅(qū)動(dòng)三極管Q1工作于飽和態(tài)，BUZ1發(fā)聲。K1按鍵中斷服務(wù)程序中同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器T0，在T0定時(shí)器溢出中斷中關(guān)閉蜂鳴器，達(dá)到發(fā)聲的短延時(shí)。

3.3 蜂鳴器發(fā)聲，提示頻率改變

在T0定時(shí)器中斷服務(wù)程序[12]中令P3.7為高電平，三極管Q1工作于截止態(tài)，BUZ1停止發(fā)聲。由于按鍵和蜂鳴器處理采用了中斷和定時(shí)器的方法，語句執(zhí)行時(shí)間極短，不影響數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)掃描效果。

4 結(jié)語

數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示是單片機(jī)的重要輸出方式，本設(shè)計(jì)以8051最小系統(tǒng)為基礎(chǔ)，擴(kuò)展了按鍵輸入和蜂鳴器輸出模塊，調(diào)用了外部中斷和定時(shí)器中斷，將各個(gè)知識(shí)點(diǎn)有機(jī)地聯(lián)系在一起，形成了一套集聲光電一體的教學(xué)演示模板，清晰展示了數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示原理，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，方便了教師的使用，提高了實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)效果。

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