單片機應用技術課件-002

《單片機應用技術》項目2數(shù)碼管顯示系統(tǒng)設計瀘州職業(yè)技術學院機電工程系《單片機應用技術》精品課程組《單片機應用技術》項目2數(shù)碼管顯示系統(tǒng)設計瀘州職業(yè)技術學1本講主要內容4相關知識1教學目標2工作任務3項目實踐5能力拓展6項目考核本講主要內容4相關知識1教學目標2工作任務3項目實踐21、終極目標：制作一個數(shù)碼管循環(huán)顯示數(shù)字0－9的單片機控制系統(tǒng)。2、促成目標：(1)掌握單片機查表程序的設計方法；(2)掌握單片機的LED顯示接口電路工作原理及其應用；(3)掌單片機LED顯示接口的程序設計方法；(4)初步掌握單片機應用系統(tǒng)分析和軟硬件設計的基本方法，建立單片機系統(tǒng)設計的基本概念；【教學目標】1、終極目標：【教學目標】3

在數(shù)碼管上循環(huán)顯示數(shù)字0－9，時間間隔為0.2秒?！竟ぷ魅蝿铡俊竟ぷ魅蝿铡?【活動一】總體設計1.系統(tǒng)組成本系統(tǒng)功能由硬件和軟件兩大部份協(xié)調完成，硬件部分主要完成信息的顯示；軟件主要完成信號的處理及控制功能等。本系統(tǒng)的硬件采用模塊化設計，以AT89S52單片機為核心，與數(shù)碼管接口電路組成控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)硬件主要包括以下幾個模塊：AT89S52主控模塊、數(shù)碼管顯示模塊等。其中AT89S52主要完成外圍硬件的控制以及一些運算功能，數(shù)碼管顯示模塊完成字符、數(shù)字的顯示功能。系統(tǒng)組成方框圖如圖2.1所示。【項目實踐】【活動一】總體設計1.系統(tǒng)組成【項目實踐】5

單片機數(shù)碼管顯示電路復位電路時鐘電路電源電路

圖2.1數(shù)碼管顯示系統(tǒng)組成方框圖【項目實踐】單數(shù)碼管顯示電路復位電路時鐘電路電源電路6

應用軟件采用模塊化設計方法。該系統(tǒng)軟件主要由主程序、延時子程序等模塊組成，系統(tǒng)軟件結構框圖如圖2.2所示。延時子程序主程序圖2.2系統(tǒng)軟件結構框圖【項目實踐】

72.系統(tǒng)工作原理數(shù)碼管由8個發(fā)光二極管構成，可以用來顯示數(shù)字、字符等，它在家電及工業(yè)控制中有著很廣泛的應用，例如用來顯示溫度、數(shù)量、重量、日期、時間等，具有顯示醒目、直觀的有點，如圖2.3所示。

圖2.3數(shù)碼管實物圖【項目實踐】2.系統(tǒng)工作原理圖2.3數(shù)碼管實物圖【項目實踐】8數(shù)碼管實際上是由7個發(fā)光管組成“8”字形構成的，加上小數(shù)點就是8個。這些段分別由字母a、b、c、d、e、f、g、dp來表示。當數(shù)碼管特定的段加上電壓后，這些特定的段就會發(fā)亮，以形成我們眼睛看到的字樣。例如：顯示一個“3”字，那么應當是a亮、b亮、c亮、d亮、e不亮、f不亮、g亮、dp不亮。數(shù)碼管的內部結構如圖2.4所示，其中COM引腳為公共端，用來控制數(shù)碼管顯示的打開或關閉，即起到“使能”作用。根據(jù)公共端接法的不同，數(shù)碼管又分為共陰極和共陽極兩種結構，分別如圖2.4(b)和圖2.4(c)所示。共陽極就是將8個LED的陽極連接到一起組成公共端COM，接正極，當相應字段為低電平“0”時，可以點亮該字段；當相應字段為高電平“1”時，該字段不亮。共陰極就是將8個LED的陰極連接到一起組成公共端COM，接負極，當相應字段為高電平“1”時，可以點亮該字段；當相應字段為低電平“0”時，該字段不亮。【項目實踐】數(shù)碼管實際上是由7個發(fā)光管組成“8”字形構成9圖2.4數(shù)碼管內部結構圖【項目實踐】圖2.4數(shù)碼管內部結構圖【項目實踐】10【活動二】硬件設計1.主控模塊設計本項目采用ATMEL公司生產的AT89S52單片機，主控模塊的具體設計參見項目1。2.數(shù)碼管顯示模塊設計本項目中選用8段共陽極數(shù)碼管，數(shù)碼管的a、b、c、d、e、f、g、dp段分別與單片機P0口的P0.5、P0.3、P0.1、P0.0、P0.4、P0.6、P0.7、P0.2相連，用來控制顯示數(shù)字的形狀。數(shù)碼管的公共使能端COM連接三極管C8550的集電極，三極管C8550主要用于信號的放大，以驅動數(shù)碼管工作。三極管8550的基極通過限流電阻接到單片機P2口的P2.0，通過控制三極管C8550基極電平來打開或關閉數(shù)碼管的顯示，起到“使能作用”。三極管C8550的集電極接+5V電源。數(shù)碼管顯示模塊與單片機的接口電路如圖2.5所示?！卷椖繉嵺`】【活動二】硬件設計【項目實踐】11圖2.5數(shù)碼管顯示模塊與單片機的接口電路原理圖【項目實踐】圖2.5數(shù)碼管顯示模塊與單片機的接口電路原理圖【項目實踐】121.算法設計對于數(shù)碼管而言，要想顯示數(shù)字或字母，首先應該選中該數(shù)碼管，然后相應字段被點亮。例如：顯示一個“3”字，那么應當是a亮、b亮、c亮、d亮、e不亮、f不亮、g亮、dp不亮。對于共陽極數(shù)碼管，對應到單片機的P0口，P0.7為低電平“0”，P0.6為高電平“1”，P0.5為低電平“0”，P0.4為高電平“1”，P0.3為低電平“0”，P0.2為高電平“1”，P0.1為低電平“0”，P0.0為低電平“0”，即當把01010100(54H)送給P0口時，可以顯示“3”字。其他數(shù)字的顯示依此類推，那么可以列出數(shù)碼管顯示數(shù)字的段碼表如表2.1所示?！卷椖繉嵺`】【項目實踐】【活動三】軟件設計【項目實踐】【項目實踐】【活動三】軟件設計13

表2.1數(shù)碼管顯示數(shù)字的段碼表段名稱GFAEBDPCD對應段碼對應引腳P0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.0數(shù)字01000010084H數(shù)字111110101F5H數(shù)字20100011046H數(shù)字30101010054H數(shù)字40010010135H數(shù)字5000111001CH數(shù)字6000011000CH數(shù)字711010101D5H數(shù)字80000010004H數(shù)字90001010014H【項目實踐】表2.1數(shù)碼管顯示數(shù)字的段碼表段名稱14如表2.1所示，由于數(shù)碼管顯示的數(shù)字“0～9”的字型碼“84H、0F5H、46H、54H、35H、1CH、0CH、0D5H、04H、14H”沒有規(guī)律可循，只能采用查表的方式來完成我們所需的要求。在程序設計中可以設計一個變量，每隔一定時間在“0～9”之間變化，然后按照這個數(shù)據(jù)去查找段碼表，把查到的數(shù)據(jù)送到P0口。所謂表格是指在程序中定義的一串有序的常數(shù)，如平方表、字形碼表、鍵碼表等。因為程序一般都是固化在程序存儲器（通常是只讀存儲器ROM類型）中，因此可以說表格是預先定義在程序的數(shù)據(jù)區(qū)中，然后和程序一起固化在ROM中的一串常數(shù)。在程序設計中，有時需要預先把非線性數(shù)據(jù)以表格的形式存放在存儲器中，然后使用程序讀出，這種能讀出數(shù)據(jù)表格的程序就稱為查表程序。查表程序的關鍵是表格的定義和如何實現(xiàn)查表。表格的定義可以用偽指令DB來實現(xiàn)，查表的實現(xiàn)可以用指令MOVCA，＠A+PC或者MOVCA，＠A+DPTR來實現(xiàn)?！卷椖繉嵺`】如表2.1所示，由于數(shù)碼管顯示的數(shù)字“0～915按照數(shù)字0－9的順序，把每個數(shù)字的字型編碼按順序排列好，再用偽指令DB建立表格，最后利用指令MOVCA，＠A+PC或者MOVCA，＠A+DPTR來實現(xiàn)查表。建立的表格的程序代碼如下所示：TABLE：DB84H，0F5H，46H，54H，35H，1CH，0CH，0D5H，04H，14H2.數(shù)據(jù)結構設計單片機的P0口用于控制數(shù)碼管所要顯示的字形；P2口P2.0用于控制三極管8550是否導通，從而實現(xiàn)對數(shù)碼管的片選；工作寄存器R1為數(shù)碼管數(shù)據(jù)表索引寄存器；數(shù)據(jù)指針DPTR為數(shù)碼管字型碼的基址寄存器；工作寄存器R5、R6、R7為延時子程序的循環(huán)變量。【項目實踐】按照數(shù)字0－9的順序，把每個數(shù)字的字型編碼按163.程序設計(1)主程序設計主程序主要完成硬件初始化、子程序調用等功能。①初始化設置數(shù)碼管使能信號有效，即P2.0=0；將數(shù)碼管數(shù)據(jù)表索引寄存器R1賦初值00H。②字符顯示在查表時首先用MOVA，R1指令將存放在R1中的索引值送給累加器A，將數(shù)據(jù)表的表首地址TABLE送給數(shù)據(jù)指針DPTR，然后用查表指令MOVCA，@A+DPTR取出數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)，DPTR的值加上A的值即為所取數(shù)據(jù)的地址，將該地址中的數(shù)據(jù)送給A；接著把A的值送給用于控制數(shù)碼管顯示字形的P0口，即可在數(shù)碼管上顯示相應的數(shù)字。調用延時子程序是使數(shù)碼管能夠穩(wěn)定顯示相應的數(shù)字。最后數(shù)碼管數(shù)據(jù)表索引寄存器R1加1，為下一個數(shù)字的顯示做準備。【項目實踐】3.程序設計【項目實踐】17

③查表結束判斷對數(shù)碼管數(shù)據(jù)表索引寄存器R1的值進行判斷是否為結束碼0AH，應用比較轉移指令CJNER1，#10，NEXT來判斷數(shù)字0—9是否顯示完。若未顯示完則程序轉移至標號NEXT的指令處執(zhí)行，將存放在R1中的索引值送給累加器A，將數(shù)據(jù)表的表首地址TABLE送給數(shù)據(jù)指針DPTR，然后用查表指令MOVCA，@A+DPTR取出數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)，為下一個數(shù)字的顯示做準備；若顯示完則順序執(zhí)行，將跳轉至主程序開始，重新將數(shù)碼管數(shù)據(jù)表索引寄存器R1賦初值00H。從而實現(xiàn)數(shù)字0－9的循環(huán)顯示。主程序設計流程圖如圖2.6所示。【項目實踐】③查表結束判斷主程序設計流程18設置數(shù)碼管字型碼變址寄存器初值R1=0開始調用延時子程序YR1=10?N根據(jù)R1的值查表查表獲得的數(shù)據(jù)送P0R1+1→R1數(shù)碼管使能信號有效，P2.0=0圖2.6主程序設計流程圖【項目實踐】設置數(shù)碼管字型碼變址寄存器初值R1=0開始調用延19(2)延時子程序模塊設計延時子程序模塊設計請參考項目1。4.匯編語言源程序；****************************************************************；功能：主程序；****************************************************************

ORG0000HMOVP2，#0FEH；P2.0用于控制數(shù)碼管的片選START：MOVR1，#00H；R1為數(shù)碼管字型碼的變址寄存器NEXT：MOVA，R1；把字型碼的變址地址送給累加器AMOVDPTR，#TABLE；取得表首地址MOVCA，@A+DPTR；查表，取得顯示的字型碼MOVP0，A；P0用于數(shù)碼管的字位口控制LCALLDELAY200ms；調用延時子程序INCR1；下一個字型碼的變址寄存器CJNER1，#10，NEXT；判斷0—9是否顯示完畢LJMPSTART；循環(huán)顯示【項目實踐】(2)延時子程序模塊設計4.匯編語言源20;****************************************************************；功能：延時子程序；****************************************************************DELAY200ms：MOVR5，#20LOOP1：MOVR6，#20LOOP2：MOVR7，#230DJNZR7，$DJNZR6，LOOP2DJNZR5，LOOP1RET【項目實踐】;*****************************21;*******************************************************************；功能：；LED字段碼表；********************************************************************；8字LED的連接方法；P0.7，P0.6，P0.5，P0.4，P0.3，P0.2，P0.1，P0.0；G，F(xiàn)AEBHCDTABLE：DB84H，0F5H，46H，54H，35H，1CH，0CH，0D5H，04H，14HEND【項目實踐】【項目實踐】225.C語言源程序#include<AT89X51.H>unsignedcharcodetable[]={0x3f，0x06，0x5b，0x4f，0x66，

0x6d，0x7d，0x07，0x7f，0x6f};unsignedchardispcount;voiddelay02s(void){unsignedchari，j，k;for(i=20;i>0;i--)for(j=20;j>0;j--)for(k=248;k>0;k--);}【項目實踐】5.C語言源程序【項目實踐】23voidmain(void){P2=0xfe;while(1){for(dispcount=0;dispcount<10;dispcount++){P0=table[dispcount];delay02s();}}}【項目實踐】voidmain(void)【項目實踐】24系統(tǒng)仿真調試過程參見項目1?！卷椖繉嵺`】【活動四】系統(tǒng)仿真調試【項目實踐】【活動四】系統(tǒng)仿真調試25一、數(shù)碼管基本知識顯示器是最常用的輸出設備。特別是發(fā)光二級管顯示器（LED：LightEmittingDiode）和液晶顯示器（LCD），由于結構簡單、價格便宜、接口容易，得到廣泛的應用，尤其在單片機系統(tǒng)中大量使用。本項目主要介紹發(fā)光二級管顯示器（LED）與單片機的接口設計和相應的程序設計。液晶顯示器（LCD）與單片機的接口設計請參見項目6。【相關知識】【相關知識】261.數(shù)碼管的結構數(shù)碼管由8個發(fā)光二極管(以下簡稱字段)構成，通過不同的組合可用來顯示數(shù)字0～9、字符A～F、H、L、P、、U、符號“－”及小數(shù)點“.”。數(shù)碼管的外形結構如圖2.7(a)所示，數(shù)碼管又分為共陰極和共陽極兩種結構，分別如圖2.7(b)和圖2.7(c)所示。所謂共陰極，即是將所有LED的陰極連接到一起，而共陽極則相反，所有的陽極被連接到了一起。但不管哪種結構，其顯示設計的原理基本相同，唯一的是其驅動的電路的設計有所差異，一般共陰極采用推（Push）電流的方式來驅動，而共陽極結構則采用拉（Pull）電流的方式來驅動?！鞠嚓P知識】1.數(shù)碼管的結構【相關知識】27圖2.7數(shù)碼管的外形結構圖【相關知識】圖2.7數(shù)碼管的外形結構圖【相282.數(shù)碼管工作原理共陽極數(shù)碼管的8個發(fā)光二極管的陽極(二極管正端)連接在一起。通常，公共陽極接高電平(一般接電源)，其他管腳接段驅動電路輸出端。當某段驅動電路的輸出端為低電平時，則該端所連接的字段導通并點亮，根據(jù)發(fā)光字段的不同組合可顯示出各種數(shù)字或字符。此時，要求段驅動電路能吸收額定的段導通電流，還需根據(jù)外接電源及額定段導通電流來確定相應的限流電阻。3.數(shù)碼管的字形編碼

要使數(shù)碼管顯示出相應的數(shù)字或字符，必須使段數(shù)據(jù)口輸出相應的字形編碼。對照圖2.7，字型碼各位定義為：數(shù)據(jù)線D0與a字段對應，D1與b字段對應……，依次類推。如使用共陽極數(shù)碼管，數(shù)據(jù)為0表示對應字段亮，數(shù)據(jù)為1表示對應字段暗；如使用共陰極數(shù)碼管，數(shù)據(jù)為0表示對應字段暗，數(shù)據(jù)為1表示對應字段亮。如要顯示“0”，共陽極數(shù)碼管的字型編碼應為11000000B(即C0H)；共陰極數(shù)碼管的字型編碼應為00111111B(即3FH)。依次類推，可求得數(shù)碼管字形編碼見表2.2。【相關知識】2.數(shù)碼管工作原理【相關知識】29表2.2數(shù)碼管字型編碼表【相關知識】

30【相關知識】【相關知識】314.LED數(shù)碼管顯示方式

根據(jù)LED顯示的硬件設計方法的不同，LED顯示驅動分為靜態(tài)法和動態(tài)法兩種方法。(1)LED的靜態(tài)顯示方式所謂靜態(tài)顯示驅動法，即是指每一個LED燈分別對應一個獨立的I/O驅動口；其點亮和關閉由該I/O來對其進行控制，互不干擾。對于I/O驅動能力弱的MCU，必須增加外部的驅動芯片或驅動三極管等器件。LED顯示器工作在靜態(tài)方式時，其公共端應接到一個固定的電平(共陰極接低電平，共陽極接高電平)。如圖2.8所示為兩位共陽極LED數(shù)碼管與單片機連接?！鞠嚓P知識】4.LED數(shù)碼管顯示方式【相關知識】32

此種設計一般應用在對單個LED的驅動或LED數(shù)量較少，且所選的MCUI/O比較充裕的情況下。比如一些項目的LED指示燈、產品的設計中只有一個7－段LED碼需要顯示等。由于每一個LED均由獨立的I/O口來控制，因此此種顯示驅動的軟件設計比較簡單明了，無需特別的處理，在需要點亮和關閉時設置相應的I/O輸出口的電平即可（即“0”或“1”，具體須根據(jù)驅動電路的設計來決定）?！鞠嚓P知識】此種設計一般應用在對單個LED的驅動或LED數(shù)33圖2.8LED靜態(tài)顯示電路【相關知識】圖2.8LED靜態(tài)顯示電路【相關知識】34優(yōu)點：電路設計簡單，編程簡單，而且LED的亮度控制容易，只需在驅動端增加相應的電流調節(jié)電阻即可方便地實現(xiàn)亮度的調節(jié)（對于存在獨立驅動的設計，還可以通過調整驅動電壓來達到亮度的調節(jié)）。缺點：由于每一個LED燈需要一個I/O口，因此對I/O口的需求較大，不易實現(xiàn)大數(shù)量的LED驅動和顯示，擴展性能差?！鞠嚓P知識】優(yōu)點：電路設計簡單，編程簡單，而且LED的亮度35(2)LED的動態(tài)顯示方式在LED的位數(shù)比較多時，采用靜態(tài)顯示方式，要占用大量的I/O，硬件電路比較復雜，為了簡化電路，降低成本，可采用動態(tài)顯示方式。所謂動態(tài)顯示就是一位一位地輪流點亮各位顯示器（掃描），對于每一位顯示器來說，每隔一段時間點亮一次。顯示器的點亮既跟點亮時的導通電流有關，也跟點亮時間和間隔時間的比例有關。調整電流和時間的參數(shù)，可實現(xiàn)亮度較高較穩(wěn)定的顯示。若顯示器的位數(shù)不大于8位，則控制顯示器公共極電位只需一個I/O口（稱為掃描口），控制各位顯示器所顯示的字形也需一個8位口（稱為段數(shù)據(jù)口）。動態(tài)顯示的硬件接法是將所有LED顯示器的段選線并在一起，接到一個8位的I/O接口上，而位選線則分開接到各自的控制I/O線上?！鞠嚓P知識】(2)LED的動態(tài)顯示方式【相關知識】36各LED的段選線是并到一起的，如果不加控制，在送顯示字模時各LED會顯示同樣的內容，為解決這一問題，應使LED在每一個時間段內只顯示一位，在此期間只使一位LED的位選線有效，則在此期間內只有一位LED顯示，而其他LED不顯示，通過程序或硬件電路控制，各LED在一個顯示周期內分別顯示一段時間，當一個顯示周期足夠短時(小于100ms)，由于人眼的視覺暫留特性，使人感覺每個LED總在亮。這種方式稱動態(tài)掃描顯示方式，完成這種功能可由軟件也可由硬件完成。圖2.9是用MCS-51單片機設計的一個5位共陰極LED動態(tài)顯示電路。8位共陽極顯示器和單片機的接口邏輯如圖2.9所示。P0端口接動態(tài)數(shù)碼管的字形碼筆段（段數(shù)據(jù)口），P2端口接動態(tài)數(shù)碼管的數(shù)位選擇端（掃描口）?！鞠嚓P知識】各LED的段選線是并到一起的，如果不加控制，在37

圖2.9LED動態(tài)顯示電路【相關知識】圖2.9LED動態(tài)顯示電路【相關38二、項目相關的指令1．定義字節(jié)指令偽指令DB指令格式：標號：DB字節(jié)常數(shù)表或ASCII碼字符表功能：從指定的地址單元開始定義若干個字節(jié)的數(shù)值或ASCII碼字符，各數(shù)據(jù)之間用逗號分隔，常用于定義一個數(shù)據(jù)表格存入程序存儲器。在表示ASCII碼字符時需要在字符上加單引號，標號表示數(shù)據(jù)表的首地址。【相關知識】二、項目相關的指令【相關知識】39

【例如】下面的DB指令從0100H單元開始定義了一個10個字節(jié)的數(shù)據(jù)表。

ORG0100HTAB：DB3FH，06H，5BH，4FH，66HDB6DH，7DH，07H，7FH，6FHDB定義的數(shù)據(jù)表一行可以寫多個數(shù)據(jù)，當一行寫不下要分行時，在下一行也必須用DB偽指令開頭。數(shù)據(jù)表首地址為0100H，那么標號TAB=0100H，定義了10個字節(jié)數(shù)據(jù)，(0100H)=3FH，(0101H)=06H，(0102H)=5BH，以此類推，(0109H)=6FH。

2．16位數(shù)據(jù)傳送指令

MOVDPTR，#data16；DPTR←data16這是51單片機唯一的一條16位數(shù)據(jù)傳送指令，其功能是將16位立即數(shù)送入數(shù)據(jù)指針DPTR。【相關知識】【例如】下面的DB指令從0100H單元開始定義了403．程序存儲器傳送指令

MOVCA，＠A+PC;PC←PC+1，A←(A+PC)MOVCA，＠A+DPTR;A←(A+DPTR)這兩條指令都是一字節(jié)指令，并且都為變址尋址方式，其尋址范圍為64KB。程序存儲器傳送指令的助記符是在MOV的后面加C，“C”是Code的第一個字母，是代碼的意思。這兩條指令用于訪問程序存儲器中的數(shù)據(jù)表格，因此可以把它們看成是查表專用指令