阴阳脚数码管

news2024/12/28 20:01:07

1.小故事

最近，我接到了一个既“清肺”又“烧脑”的新任务，设计一个低功耗蓝牙肺活量计。在这个项目中我们借鉴了一款蓝牙跳绳的硬件设计方案，特别是它的显示方案——数码管。

在电子工程领域，初学者往往从操作LED开始，随后进阶到控制数码管，由此可见，数码是非常基础，使用非常广泛的一个电子元件。

在这里插入图片描述
然而，刚拿到这个4位数码管时，我注意到了一个不寻常的特点：这个4位数码管仅有7个引脚，而传统4位数码管至少需要12个引脚，最初，我误以为该数码管内部集成了某种芯片，所以才导致引脚简化。

但是，当供应商提供资料时，我才发现它内部并没有芯片，它就是通过普通IO脚控制的数码管，但是这种数码管并不是我们常见的数码管，供应商给的名字是：阴阳脚数码管（单排数码管）！
在这里插入图片描述
顿时，我被这霸气名字所吸引，决定探究一番，经过查阅资料、搭建电路、编写程序，不出意外地，我成功点亮了这个阴阳脚数码管。

这个阴阳脚数码管十分有趣，于是我记录下这段简短开发经历，既是对自己学习的总结，也是希望将这个过程分享朋友们。

2.常见的数码管电路

众所周知，常见的数码管分为两大类：共阴数码、共阳数码。如下图所示：在这里插入图片描述
数码管内部由二极管组成，当给二极管加正向电压时，二极管点亮，下图是4位数码管的内部电路图（这个数码管有个12引脚）。
在这里插入图片描述

3.阴阳脚数码管电路

阴阳脚数码管的电路图很奇怪，4位数码管电路图如下：在这里插入图片描述
根据电路图，不难发现 1脚和2脚之间接了一个二极管，2脚和1脚之间又接了一个二极管。正是这种神奇的操作，一个引脚即接了一个发光二极管的阳极（正极），同时还接了其他发光二极管的阴极（负极），因此这种数码管就被称为阴阳脚数码管。在这里插入图片描述

4.工作原理

阴阳脚数码管工作原理是什么？
阴阳脚数码管使用了二极管的单向导通性，前文说到数码管的 1脚和2脚之间接了一个二极管1，2脚和1脚之间又接了一个二极管2，工作原理如下图：在这里插入图片描述
为什么会有阴阳脚数码管？它的优势是什么？在这里插入图片描述
阴阳脚数码管的优势是：控制引脚少，功耗低。
控制引脚少

对于阴阳脚数码管，两个引脚可以控制2个LED ，3个引脚可以控制6个LED，7个引脚可以控制48个LED！

引脚和控制LED数量的关系是一种组合关系！这就意味着，控制同样数量的LED，阴阳脚数码的控制引脚更少。在这里插入图片描述
低功耗

由于阴阳脚数码管的同一个引脚接了多个LED，例如7个引脚的阴阳脚数码管，其中1个脚最多可以接12个LED！通常情况下阴阳脚数码管同一时刻只会有1个发光二极管被点亮，而普通二极管最多会有8个发光二极管被点亮，因此阴阳脚数码管功耗低（亮度低）。在这里插入图片描述

5.程序设计

代码设计思路是：

1、设置一组大小为36的IO控制数组，这个数组中存放这控制36组LED的IO引脚。

2、设置一个大小为36的显示缓存，每个数据对应一个LED的状态。

3、设计一个循环显示36个LED状态的函数。

4、设计一个0~9这10个数值转换为7段数码管的映射函数。

5、将4位数转换映射到36个显示缓存。
在这里插入图片描述
注意事项：需要亮的LED通过两个引脚的高低电平点亮，其它的IO口一定要设为悬浮输入模式。

代码如下

/*
*********************************************************************************************************
Includes 
*********************************************************************************************************
*/
#include "FreeRTOS.h"
#include "impedance_bsp.h"
#include "stm32f10x.h"
#include "task.h"
/*
********************************************************************************************************
Define
*********************************************************************************************************
*/
//数码管中的LED总数
#define LED_NUM (36)
//数码管的IO总数
#define IO_NUM (7)
//数码管中的一位显示8中的段码数量
#define SEG_NUM (7)
/*
*********************************************************************************************************
Variables
*********************************************************************************************************
*/
//定义单片机IO引脚，归一化操作
uint16_t led_pin_buff[IO_NUM] =
{
    GPIO_Pin_4,
    GPIO_Pin_5,
    GPIO_Pin_7,
    GPIO_Pin_0,
    GPIO_Pin_1,
    GPIO_Pin_2,
    GPIO_Pin_12    

};
//定义单片机IO口，归一化操作
GPIO_TypeDef *led_port_buff[IO_NUM]=
{
    GPIOA,
    GPIOA,
    GPIOA,
    GPIOB,
    GPIOB,
    GPIOB,
    GPIOB    
};
//通常情况下控制外设IO不会是同花顺（同一个IO口的依次相连的引脚，
//因此我们定义一个数组，将数码管的物理引脚按照顺序填入数组。

//大小为36的LED正极控制IO数组，1个数值对应1个LED ， 1代表脚1 ，7代表脚7
uint8_t positive_io_buff[LED_NUM]=
{
1,1,4,5,1,2,3,
2,2,5,2,2,3,4,
5,3,4,6,6,4,5,
7,6,5,6,4,6,5,
3,7,6,1,3,1,3,
7
};
//大小为36的LED负极控制IO数组，1个数值对应1个LED， 1代表脚1 ，7代表脚7
uint8_t negative_io_buff[LED_NUM]=
{
2,3,1,1,4,1,1,
3,4,2,6,5,2,2,
4,5,5,1,3,3,3,
6,7,6,4,6,5,7,
6,3,2,5,4,6,7,
2
};

//大小为36显示缓存，1个缓存对应1个LED
uint8_t display_cache[LED_NUM]=
{
0,0,0,0,0,0,0,
0,0,0,0,0,0,0,
0,0,0,0,0,0,0,
0,0,0,0,0,0,0,
0,0,0,0,0,0,0,
0    
};

//数码管 0~ 9 的段码映射值  10 为空显示
uint8_t led_table[11]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x00};
// 0x3f = 0x0011 1111
//数组中的每个数值，对应4位数码管中的一个数码管显示内容，
uint8_t display_data[4] ={0,0,0,0};

/*
*********************************************************************************************************
Function 
*********************************************************************************************************
*/
/*
*********************************************************************************************************
Function 
*********************************************************************************************************
*/
/***********************************************************************************************************
* @描述    :  初始化led_gpio_init的IO口
***********************************************************************************************************/
void led_bsp_init(void)
{    
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;    
    /* 使能SPI引脚相关的时钟 */
    RCC_APB2PeriphClockCmd ( RCC_APB2Periph_GPIOA|RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE );

    /* 普通IO即可 */
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4|GPIO_Pin_5|GPIO_Pin_7;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    /* 普通IO即可 */
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0|GPIO_Pin_1|GPIO_Pin_2|GPIO_Pin_12;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);        
}
/***********************************************************************************************************
* @描述    :  IO全部设置为悬浮模式
***********************************************************************************************************/
void led_gpio_clear(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0|GPIO_Pin_1|GPIO_Pin_2|GPIO_Pin_12;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4|GPIO_Pin_5|GPIO_Pin_7;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
}
/***********************************************************************************************************
* @描述    :  设置IO口
***********************************************************************************************************/
void led_gpio_set( GPIO_TypeDef * port ,uint16_t pin)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = pin;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_Init(port, &GPIO_InitStructure);    
}
/***********************************************************************************************************
* @描述    :  设置一个LED状态
***********************************************************************************************************/
void set_one_led_state(uint8_t num , uint8_t state)
{
    //IO全部设置为悬浮模式
    led_gpio_clear();

    //将本次对应LED的IO口设置为输出
    led_gpio_set(led_port_buff[ positive_io_buff[num] - 1 ] , led_pin_buff[ positive_io_buff[num] - 1] );
    led_gpio_set(led_port_buff[ negative_io_buff[num] - 1 ] , led_pin_buff[ negative_io_buff[num] - 1] );

    // 显示缓存为1 则点亮LED
    if( state == 1)
    {
        GPIO_SetBits( led_port_buff[ positive_io_buff[num] - 1 ]    , led_pin_buff[ positive_io_buff[num] - 1]  );
    }
    else
    {
        GPIO_ResetBits( led_port_buff[ positive_io_buff[num] - 1 ] , led_pin_buff[ positive_io_buff[num] - 1]  );
    }
    //无论LED亮或者灭 负极IO都为低0
    GPIO_ResetBits( led_port_buff[ negative_io_buff[num] - 1 ] , led_pin_buff [ negative_io_buff[num] - 1] );
}

/***********************************************************************************************************
硬件层
***********************************************************************************************************/


/***********************************************************************************************************
* @描述    :  根据缓存数据刷新LED亮灭状态
***********************************************************************************************************/
void refresh_led(void)
{
    uint8_t i;
    //设置LED_NUM个LED状态
    for(i = 0 ; i < LED_NUM ; i++)
    {        
        set_one_led_state(i,display_cache[i]);

        vTaskDelay(1);        
    }
}
/***********************************************************************************************************
* @描述    :  段码值映射
***********************************************************************************************************/
void led_8bit_mapping(uint8_t *buff ,uint8_t value)
{
    uint8_t i;
    for(i = 0 ; i < SEG_NUM ; i++)
        buff[i] = 0;
    for(i = 0 ; i < SEG_NUM ; i++)
    {
        if((led_table[value] & (0x01<<i)) != 0)
            buff[i]     = 1;    
    }    
}
/***********************************************************************************************************
* @描述    :  4位数据转换成段码
***********************************************************************************************************/
void data_mapping_cache(uint8_t *buff)
{
    uint8_t i;
    for(i = 0 ; i < 4 ; i++)
    {    
        led_8bit_mapping(&display_cache[i*SEG_NUM] , buff[i]);    
    }
}
/***********************************************************************************************************
* @描述    : LED显示数据
***********************************************************************************************************/
void led_show_data(uint8_t *buff)
{
    //数据映射到LED显示缓存
    data_mapping_cache(buff);
    //LED更新显示内容
    refresh_led();
}
/***********************************************************************************************************
数据显示
***********************************************************************************************************/

/***********************************************************************************************************
* @描述    :  led测试
***********************************************************************************************************/
void led_test(void)
{
    static  uint32_t clk_num = 0;
    uint8_t i;
    //用于测试 数据变化
    if((clk_num++%70)==0)
    {
        for(i = 0 ; i < 4 ; i++)
        {        
            display_data[i]++;
            if(display_data[i] > 10)
                display_data[i] = 0;        
        }
    }

    //显示数据
    led_show_data(display_data);
    //延时
    vTaskDelay(1);
}
/***********************************************END*********************************************************/

6.总结

1、介绍了阴阳脚数码管。
2、学习了阴阳脚数码管工作原理。
3、学习了阴阳脚数码管驱动代码。

7.打油诗

在这里插入图片描述
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