单片机：实现动态显示七段数码管（附带源码）

news2024/12/25 10:57:27

单片机实现动态显示七段数码管

动态显示七段数码管是指通过不断切换数码管的显示位置和内容，使得数码管的各个数字看起来是同时显示的。通常我们通过控制数码管的扫描方式（逐个显示每个数字）来实现动态显示。每个数字的显示都需要在很短的时间内切换，达到人眼无法察觉的程度，从而实现多个数字同时显示的效果。

本项目将展示如何在单片机上实现动态显示七段数码管，通过定时器控制每个数码管的显示，依次显示不同的数字。

1. 项目需求分析

目标：

动态显示：通过单片机控制多个七段数码管进行动态显示。
显示内容：实现显示0到9的数字，模拟时钟、计数器等功能。
硬件：使用多个七段数码管与单片机连接，通过GPIO端口控制。

功能需求：

动态扫描显示：通过定时器中断或者程序控制轮流显示数码管，模拟多个数字同时显示的效果。
数码管控制：控制数码管显示不同的数字（0-9）。

2. 硬件设计

2.1 单片机选择

选择51系列单片机（如AT89C51）作为开发平台，原因是该单片机具有足够的I/O端口，适合控制多个数码管，并且资源较为丰富，便于开发。

2.2 数码管设计

使用的是共阴七段数码管，每个数码管由7个段（a-g）组成，可以通过单片机的GPIO口控制。每个数码管的段通过对应的GPIO端口进行控制，决定显示哪些部分的亮起或熄灭。

2.3 数码管连接方式

假设我们连接了4个数码管，通过4个GPIO口控制每个数码管的段选（a-g）。另外，使用额外的端口控制每个数码管的位选，达到动态扫描显示的效果。

2.4 数码管段选数据表

每个数字（0-9）对应的七段数码管的显示，可以使用一个数组来表示每个数字的段选状态（即每个数字的显示对应于7个段的开关状态）。

// 数码管段选数据（共阴，0表示亮，1表示灭）
unsigned char code digit[] = {
    0x3F,  // 0
    0x06,  // 1
    0x5B,  // 2
    0x4F,  // 3
    0x66,  // 4
    0x6D,  // 5
    0x7D,  // 6
    0x07,  // 7
    0x7F,  // 8
    0x6F   // 9
};

3. 软件设计

3.1 定时器中断

我们使用定时器中断来实现数码管的动态扫描。定时器定时触发中断，每次中断发生时，我们会依次切换不同的数码管进行显示。

3.2 代码实现

#include <reg51.h>  // 包含51系列单片机的寄存器定义文件

// 数码管段选数据（共阴，0表示亮，1表示灭）
unsigned char code digit[] = {
    0x3F,  // 0
    0x06,  // 1
    0x5B,  // 2
    0x4F,  // 3
    0x66,  // 4
    0x6D,  // 5
    0x7D,  // 6
    0x07,  // 7
    0x7F,  // 8
    0x6F   // 9
};

// 定义数码管位选端口
sbit DIG1 = P2^0;  // 数码管1控制位选
sbit DIG2 = P2^1;  // 数码管2控制位选
sbit DIG3 = P2^2;  // 数码管3控制位选
sbit DIG4 = P2^3;  // 数码管4控制位选

// 定义段选端口
sbit SEG_A = P1^0;
sbit SEG_B = P1^1;
sbit SEG_C = P1^2;
sbit SEG_D = P1^3;
sbit SEG_E = P1^4;
sbit SEG_F = P1^5;
sbit SEG_G = P1^6;

// 数码管显示函数
void display_digit(unsigned char position, unsigned char number) {
    // 先关闭所有数码管
    DIG1 = 1;
    DIG2 = 1;
    DIG3 = 1;
    DIG4 = 1;

    // 控制数码管显示指定位置的数字
    switch (position) {
        case 1: DIG1 = 0; break;
        case 2: DIG2 = 0; break;
        case 3: DIG3 = 0; break;
        case 4: DIG4 = 0; break;
    }

    // 根据数字显示对应的段选
    unsigned char seg = digit[number];  // 获取对应数字的段选值
    SEG_A = (seg >> 0) & 0x01;
    SEG_B = (seg >> 1) & 0x01;
    SEG_C = (seg >> 2) & 0x01;
    SEG_D = (seg >> 3) & 0x01;
    SEG_E = (seg >> 4) & 0x01;
    SEG_F = (seg >> 5) & 0x01;
    SEG_G = (seg >> 6) & 0x01;
}

// 定时器中断服务函数
void Timer0_ISR(void) interrupt 1 {
    static unsigned char pos = 1;  // 当前显示的数码管位置
    static unsigned char num[4] = {0, 0, 0, 0};  // 当前显示的数字数组

    // 切换数码管显示位置
    if (pos == 1) {
        display_digit(1, num[0]);
        pos = 2;
    } else if (pos == 2) {
        display_digit(2, num[1]);
        pos = 3;
    } else if (pos == 3) {
        display_digit(3, num[2]);
        pos = 4;
    } else {
        display_digit(4, num[3]);
        pos = 1;
    }

    // 模拟数字增加，方便查看效果
    num[0]++;
    if (num[0] == 10) {
        num[0] = 0;
        num[1]++;
        if (num[1] == 10) {
            num[1] = 0;
            num[2]++;
            if (num[2] == 10) {
                num[2] = 0;
                num[3]++;
                if (num[3] == 10) {
                    num[3] = 0;
                }
            }
        }
    }
}

// 定时器初始化
void Timer0_Init() {
    TMOD = 0x01;  // 定时器0模式1，16位定时器
    TH0 = 0xFC;   // 设置定时器初值
    TL0 = 0x66;
    ET0 = 1;      // 使能定时器0中断
    EA = 1;       // 开启总中断
    TR0 = 1;      // 启动定时器0
}

void main() {
    // 初始化定时器0
    Timer0_Init();

    // 主循环，所有工作都在中断中进行
    while (1) {
        // 此处可以加入其他任务或进入低功耗模式
    }
}

4. 代码解释

数码管显示函数：display_digit函数用于控制指定位置的数码管显示对应的数字。它通过判断position参数来决定哪个数码管显示，之后根据number参数获取对应的段选值并控制七段显示器的每个段（a-g）。
定时器中断服务函数：Timer0_ISR是定时器0的中断服务函数。每次定时器中断时，它会依次切换显示的数码管，并更新显示的数字。为了方便观察效果，我们模拟了一个数字从0到9999的递增显示。
定时器初始化：Timer0_Init函数设置定时器0的工作模式为16位定时器模式，并使能定时器中断。在定时器中断中，我们每隔一定时间切换不同的数码管进行显示。
主程序：在主程序中，我们初始化定时器并进入一个空的while(1)循环，因为所有的操作都由定时器中断来处理。