基于单片机LED数码管共阴极显示电路课程设计资料

物理与电子工程学院

《单片机原理与接口技术》课程设计报告书

设计题目：基于单片机LED数码管共阴极显示电路

专业：自动化

班级： 14级接本班

学生姓名:李超

学号: 2010140343108

指导教师：成燕平

2014年6月9日

物理与电子工程学院课程设计任务书

专业：自动化班级： 14级接本1班

随着计算机技术的发展，现代的计算机都是大规模集成电路计算机它们具有功能强、结构紧凑、系统可靠等特点，其发展趋势是巨型化、微型化、网络化及智能化。微型化是计算机发展的重要方向，也就是把计算机的运算器、控制器、存储器、I/O接口四个组成部分集成在一个硅片内，于是就出现了一个以大规模集成电路为主要组成的微型计算机即单片机(Single Chip Microcomputer)。正是由于单片机技术的发展，才能使LED七段数码管能够在减少驱动器的情况下能够直接被驱动。由于LED数码管显示技术的优势使得它被广泛应用在工业过程控制系统、智能仪表，智能产品等领域。本论文重点介绍了LED(light emission diode)数码管显示技术，并且编写了这种显示技术在单片机中实现的关键编码以及提供了参考原理简图。

关键词：LED技术；计算机硬件；单片机；数码管

1 引言 (1)

2 设计的目的 (2)

3 电路的设计与分析 (2)

3.1电路的总体设计 (2)

3. 2数码管的工作原理 (3)

3.3电路的原理框图 (5)

3.4计数电路的分析与设计 (6)

4 译码显示电路的设计与分析 (7)

4 .1译码电路的设计 (7)

4.2译码电路的分析 (8)

5调试及运行结果分析 (9)

5.1调试及运行 (9)

5.2结果分析 (9)

5.3总电路仿真 (10)

6心得体会 (11)

参考文献 (12)

附录 (13)

1 引言

用单片机驱动LED数码管有很多方法，按显示方式可分静态显示和动态（扫描）显示；按译码方式可分硬件译码和软件译码。静态显示数据稳定，占用很少的CPU时间。动态显示需要CPU时刻对显示器件进行数据刷新，显示数据有闪烁感，占用的CPU时间多。LED数码管的外围电路一般需要一个限流电阻和加大驱动电流的晶体管。LED数码管是由发光二级管显示字段组成的显示器，有“8”字段和“米”字段之分，这种显示器有共阳极和共阴极两种。实际上不上不用驱动电路即可达到正常亮度，为了可靠性设计可采用晶体管构成驱动电路。

2 设计的目的

在单片机的产品设计中，人机界面是非常重要的部分，而且随着系统的日益复杂，以及人们对产品的人机交互能力的要求不断提升，常握单片机系统中的人机界面基础设计能力成为了学习单片机的基础课程，而4X4键盘的操作和LED 数码管的动态显示是人机界面设计的基础内容，掌握这些基础设计能力，加深对人机界面的认识，同时提高人机界面系统设计能力。

3 电路的设计与分析

3.1电路的总体设计

设计要求依次显示自然数列1、2、3、4、5、6、7、8、9，奇数列1、3、5、7、9，偶数列0、2、4、6、8，音乐数列0、1、0、1、2、3、4、5、6、7，列出下列关系：

自然数列奇数列偶数列音乐数列

0000 0001 0000 0000

0001 0011 0010 0001

0010 0101 0100 0000

0011 0111 0110 0001

0100 1001 1000 0010

0101 0011

0110 0100

0111 0101

1000 0110

1001 0111

通过上面的数列可发现如下规律：奇数列最末位都为1；偶数列最末位都为0,音乐数列的最高位都为0.因此该设计的关键是对74LS153的输入端的强制置数的处理，设计要求产生奇数，实际上就是将第一个74LS153的1C1强制置1；要求产生偶数，实际上就是把第一个74LS153的1C2强制置0；要求产生0-7的

音乐符号，实际就是把第二个74LS153的2C3强制置0；也就是说产生十进制的的计数一直是不变的，它内部的技术依然是0-9的计数，我们只是在外部改变了它的输出而已。

用一个555构成多谐振荡器产生大约1HZ的脉冲，脉冲可以使74LS160正常工作循环产生0—9的十进制数作为74LS153的输入，用74LS161的低两位输出作为两个74LS153的地址输入控制其输出。74LS160每循环0—9一次就会产生进位输出为74LS161提供一个脉冲，使其计数一次，74LS161在此处做为一个四进制的计数器。在脉冲作用下，74LS161的低两位循环产生00、01、10、11从而使74LS153输出相应的十进制数再经74LS48译码最终使数码管按要求依次显示出数字0、1、2、3、4、5、6、7、8、9（自然数列），1、3、5、7、9（奇数列），0、2、4、6、8（偶数列）和0、1、2、3、4、5、6、7、0、1（音乐符号数列），然后又依次显示出自然数列、奇数列、偶数列和音乐符号数列……如此周而复始，不断循环。

3. 2数码管的工作原理

数码管由8 个发光二极管（以下简称字段）构成，通过不同的组合可用来显示数字0～9，字符A～F、H、L、P、R、U、Y 等符号及小数点“.”。数码管又分为共阴极和共阳极两种类型。共阳极数码管中8 个发光二极管的阳极（二极管正端）连接一起,即为共阳极接法，简称共阳数码管。通常,公共阳极接高电平（一般接电源），其它管脚接段驱动电路输出端。当某段驱动电路的输入端为低电平时，该端所连接的字段导通并点亮。根据发光字段的不同组合可显示出各种数字或字符。此时，要求段驱动电路能吸收额定的段导通电流，还需根据外接电源及额定段导通电流来确定相应的限流电阻。共阴极数码管中8 个发光二极管的阴极（二极管负端）连接在一起，即为共阴极接法，简称共阴数码管。通常，共阴极接低电平（一般接地），其它管脚接段驱动电路输出端。当某

段驱动电路的输出端为高电平时，该端所连接的字符导通并点亮，根据发光字段的不同组合可显示出各种数字或字符。同样，要求段驱动电路能提供额定的段导通电流，还需根据外接电源及额定段导通电流来确定相应的限流电阻。

3.3电路的原理框图

3.4计数电路的分析与设计

该设计用到了74LS160和74LS161两个计数器，其中74LS160用来产生0～9的十进制数作为数据选择器的输入，74LS161的输出低两位作为数据选择器的地址选择其实是将其作为了一个四进制的计数器，循环产生00、01、

10、11进而控制了数据选择器的输出，终使数码管按要求产生循环数列。

下面是74LS160的介绍：

异步清零端/MR1 为低电平时，不管时钟端CP信号状态如何，都可以完成清零功能。 160的预置是同步的。当置入控制器/PE为低电平时，在CP上升沿作用下，输出端Q0-Q3与数据输入端P0-P3一致。对于54/74160，当CP由低至高跳变或跳变前，如果计数器控制端CEP、CET为高电平，则/PE 应避免由低至高电平的跳变，而54/74LS160无此种限制。 160的计数是同步的，靠CP同时加在四个触发器上而实现的。当CEP、CET均为高电平时，在CP上升沿作用下Q0-Q3同时变化，从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。对于54/74LS160的CEP、CET跳变与CP无关。当计数溢出时，进位输出端（TC）输出一个高电平脉冲，其宽度为Q0的高电平部分。对于74LS160，在CP出现前，即使CEP、CET、/MR发生变化，电路的功能也不受影响。

图3-2 74LS160外部引脚图

4 译码显示电路的设计与分析

4 .1译码电路的设计

数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管。共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管。共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就会被点亮。计数器用来产生十进制计数，其输出端信号加到译码器输入端，经译码后可以在输出端产生所需的控制信号。本电路计数器译码器采用74LS48，译码驱动电路如图3-4。它们分别为可预置4位二进制同步可逆计数器和八选一数据选择器。电路的工作原理是不规则时钟脉冲信号加到计数器74LS160的计数向上引脚，计数器控自然忘序递增计数，其输出端Qd,Qc,Qa,Qb按自然忘序递增到1000时，由于清除和Qd相连接当Qd为1时计数器清等然后又重复递增计数，不断循环进行。而计数器的输出瑞Qc,Qb,Qa接到74LS153的输入端，在Qc，Qb，Qa的作用下价它们的每一种组合方式对应于输出端的一个引脚状态.在任意时刻只有一个端口为高电平其余喘口全为低电平.而且这种变化同样是按照自然递增的顺序循环进行。根据这种结果，可以把每一路输出用以控制半导体数码管从而可以达到循环显示数字的目的。

图3-5 74IS48的引脚

4.2译码电路的分析

7448七段显示译码器输出高电平有效，用以驱动共阴极显示器。该集成显示译码器设有多个辅助控制端，以增强器件的功能。7448的LRBI、BI/RBO,简要说明如下：灭灯输入BI/RBO ，BI/RBO是特殊控制端，有时作为输入，有时作为输出。当BI/RBO作输入使用且BI＝0时，无论其它输入端是什么电平，所有各段输入a～g均为0，所以字形熄灭。试灯输入LT ：当LT＝0时，BI/RBO是输出端，且RBO＝1，此时无论其它输入端是什么状态，所有各段输出a～g均为1,显示字形8。该输入端常用于检查74IS48本身及显示器的好坏。当LT＝1，RBI＝0且输入代码DCBA＝0000时，各段输出a～g均为低电平，与BCD码相应的字形0熄灭，故称“灭零”。利用LT=1与RBI=0可以实现某一位的“消隐”。此时BI/RBO是输出端，且RBO=0。BI/RBO作为输出使用时，受控于LT和RBI。当LT＝1且RBI＝0，输入代码DCBA=0000时，RBO=0；若LT=0或者LT＝1且RBI＝1，则RBO=1。该端主要用于显示多位数字时，多个译码器之间的连接。从功能表还可看出，对输入代码0000，译码条件是：LT和RBI同时等于1，而对其它输入代码则仅要求LT＝1，这时候，译码器各段a～g输出的电平是由输入BCD码决定的，并且满足显示字形的要求

译码驱动电路

5调试及运行结果分析

5.1调试及运行

本设计应用Proteus6及KEIL51软件,首先根据自己设计的电路图用Proteus6软件画出电路模型，关于这个软件的使用通过查一些资料和自己的摸索学习；然后我们用KEIL51软件对所编写的程序进行编译、链接，如果没有错误和警告便可生成程序的hex文件，将此文件加到电路图上使软硬件结合运行，最后进行端口电压的对比测试，测试的第一路对比见图4-1中标准电压值采用Proteus6软件中的模拟电压表测得。

5.2结果分析

接通电源后数码管可以按要求依次循环显示出数字2、0、1、5间隔几秒后，然后又依次显示出数列2、0、1 5…如此周而复始，不断循环。并且打开电源自动复位，从自然数列开始显示。实现了预期的设计要求。

5.3总电路仿真

图4-3 总电路仿真

6心得体会

课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.随着科学技术发展的日新日异，单片机已经成为当今计算机应用中空前活跃的领域，在生活中可以说得是无处不在。因此作为二十一世纪的大学来说掌握单片机的开发技术是十分重要的。

回顾起此次单片机课程设计，我仍感慨颇多，的确，从选题到定稿，从理论到实践，在这努力的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，比如说不懂一些元器件的使用方法，对单片机掌握得不好，还有就是C语言，还是需要努力学习……通过这次课程设计之后，一定把以前所学过的知识重新温故。

课程设计真的有点累，然而，当我一着手清理自己的设计成果，漫漫回味这几周的心路历程，一种少有的成功喜悦即刻使倦意顿消．虽然这是我刚学会走完的第一步，也是人生的一点小小的胜利，然而它令我感到自己成熟的许多，另我有了一中”春眠不知晓”的感悟，通过课程设计，使我深深体会到，干任何事都必须耐心，细致．课程设计过程中，许多计算有时不免令我感到有些心烦意乱。有几次因为不小心我出错，只能毫不情意地重来．但一想起老师对我们耐心的教导，想到今后自己应当承担的社会责任，想到世界上因为某些细小失误而出现的令世人无比震惊的事故，我不禁时刻提示自己，一定要养成一种高度负责，认真对待的良好习惯．这次课程设计使我在工作作风上得到了一次难得的磨练。

参考文献

[1]徐爱钧,徐阳.Keil单片机高级语言应用编程与实践[M].电子工业出版社,2013.12

[2] 张国勋.缩短ICL7135A/D采样程序时间的一种方法［J］.电子技术应用.1993.第一期

[3] 高峰.单片微型计算机与接口技术[M].北京科学出版社,2003.

[4] 刘伟,赵俊逸,黄勇.一种基予C8051F单片机的SOC型数据采录器的设计与实现

[5]宋雪松,李冬明,催长胜.51单片机（C语言版）[M].清华大学出版社,2014.4

[6]汤嘉立,李林，胡羽等.单片机应用技术实例教程[M].人民邮电出版社,2014.11

[7]徐爱钧.单片机原理实用教程-基于Proteus虚拟仿真（第2版）[M],2012.12

[8]徐爱钧,徐阳.Keil单片机高级语言应用编程与实践[M].电子工业出版社,2013.12

附录

课程设计中的程序如下：

下面是数码管动态显示的程序：

ORG 0000H

MOV 30H,#2

MOV 31H,#0

MOV 32H,#1

MOV 33H,#5 ;预置显示数据为2015

MOV DPTR,#TAB ;段选码表首地址

Start: MOV R0,#30H ;数据缓冲区首址

MOV R1,#01H ;共阴初始位选码

MOV R2,#4 ;数码管个数

LOOP: MOV A,@R0 ;取待显示数据

MOVC A,@A+DPTR;查显示码

MOV P2,R1 ;送出显示段码

MOV P0,A ;送出位选码

LCALL DELAY ;延时200us左右

INC R0 ;修改地址指针

MOV A,R1

RL A

MOV R1,A ;移位位选码

DJNZ R2,LOOP ; 四位未显示完，继续

SJMP Start ;显示完4位，进入下一轮DELAY: MOV R6,#250H

DL0: MOV R4 ,#60

DL1: MOV R5, #60

DJNZ R5,$

DJNZ R4,DL1

DJNZ R6,DL0

RET

TAB: DB 0C0H, 0F9H, 0A4H, 0B0H, 99H , 92H DB 82H, 0F8H, 80H, 90H, 88H , 83H END

课程设计成绩评定表