数码显示电路的装配与调试技巧

◇教学目标◇

◇任务描述◇

数码管显示电路经常应用在一些广告宣传或家用电器等设备上，它可以显示0～9相应的数字，显示效果明显方便，被广泛应用于我们的生活中。图9-1是一个6位数码管显示电路图，通过单片机编程来实现数码管的显示功能，电路结构和软件编程简单易懂。

图9-1 数码管显示电路图

◇任务要求◇

（1）通过单片机编程来实现数码管0～9的循环显示。

（2）根据电路图设计单面PCB板，元器件布局合理，大面积接地。

（3）单面PCB板的设计和安装，面积小于20 cm×10 cm。

◇相关知识◇

一、AT89S52单片机

AT89S52 是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8 K系统可编程Flash存储器。其使用Atmel 公司高密度、非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能：8 K字节Flash，256字节RAM，32位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位 定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。另外，AT89S52可降至0 Hz静态逻辑操作，支持两种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工 作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。图9-2为AT89S52单片机引脚图。

图9-2 AT89S52单片机引脚图

P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0不具有内部上拉电阻。在Flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验 时，需要外部上拉电阻。

P1 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P1口输出缓冲器能驱动4 个 TTL 逻辑电平。此外，P1.0口和P1.1口分别作为定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和定时器/计数器2 的触发输入（P1.1/T2EX）。在Flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。

P2 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O口，P2口输出缓冲器能驱动4 个 TTL 逻辑电平。对P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入口使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，会输出电流（IIL）。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（如执行MOVX @DPTR）时，P2 口送出高8位地址。在这种应用中，P2 口使用很强的内部上拉发送1。在使用 8位地址（如MOVX @RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在Flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。

P3 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P3口输出缓冲器能驱动4 个 TTL 逻辑电平。P3口亦可作为AT89S52的特殊功能（第二功能）使用。在Flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。

RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上的高电平将使单片机复位。

ALE/PROG：程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。

EA/VPP：外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H～FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接VCC端），CPU则执行内部程序存储器的指令。Flash存储器编程时，该引脚加上+12 V的编程允许电源Vpp，前提是该器件是使用12 V编程电压Vpp。图9-3为AT89S52单片机最小系统图。

图9-3 AT89S52单片机最小系统图

二、74LS240

74LS240是8反相缓冲器/线驱动器，也就是一片芯片上，有8路（个）反相缓冲器/线驱动器，其引脚如图9-4所示。其真值表如表9-1所示。反相的意思是当输入是高电平时，输出就是低电平，当输入是低电平时，输出就是高电平。因为其芯片上有三态门，数据可在使用时打开三态门，所以其可作为缓冲器。线驱动器，有三态门，驱动能力强，可用于总线上驱动用。

图9-4 引脚图

表9-1 74LS240真值表

三、74LS08

74LS08是4二输入与门，即一片74LS08芯片内共有四路两个输入端的与门。逻辑表达式为：Y=AB。图9-5所示为其引脚图，表9-2为表74LS08真值表。

图9-5 引脚图

表9-2 74LS08真值表

四、数码管

数码管，也称LED数码管，是一种可以显示数字和其他信息的电子设备，图9-6为LED数码管引脚定义。按发光二极管单元连接方式可分为共阳极数码管和共阴极数码管。

图9-6 LED数码管引脚定义

共阳极数码管（图9-7）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。共阳极数码管在应用时应将公共极COM接到+5 V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就被点亮；当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。

图9-7 共阳极数码管

共阴极数码管（图9-8）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。共阴极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，相应字段就被点亮；当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。

图9-8 共阴极数码管(www.xing528.com)

数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字。因此根据数码管驱动方式的不同，可以分为静态驱动和动态驱动两种。

静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动。静态驱动的优点是编程简单、显示亮度高；缺点是占用I/O端口多，如驱动5个数码管静态显示，则需要5×8=40根I/O端口来驱动，要知道一个89S51单片机可用的I/O端口才只有32个，实际应用时，必须增加译码驱动器进行驱动，从而增加了硬件电路的复杂性。

动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一。动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划“a，b，c，d，e，f，g，dp”的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制。当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是由哪个数码管显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制。所以，我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就会显示出字形，没有选通的数码管就不会发亮。通过分时轮流控制各个数码管的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为1～2 ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感。动态显示的效果和静态显示的效果是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。

◇软件仿真◇

一、原理图绘制

进入Proteus，从元件库中选择AT89S52单片机、74LS240反相器、74LS08与门数码管、电阻等，并置入元器件显示窗口，再放置到图形编辑窗口。在图形编辑窗口中画好仿真原理图。仿真原理图如图9-9 所示。

9-9 数码管显示电路原理图仿真

二、仿真调试

双击“AT89S52单片机”，在弹出的对话框中找到“Program File”，添加已经编写的程序文件，如图9-10所示。按下“仿真”按钮，观察并记录数码管的显示状态如图9-11所示。

9-10 数码管显示电路原理图仿真（1）

9-11 数码管显示电路原理图仿真（2）

◇任务实施◇

一、电路的安装

（1）焊接。在万能板上对元器件进行布局，并依次焊接。焊接时，注意电解电容及三极管的极性。

（2）检查。检查焊点，看是否有虚焊、漏焊；检查电解电容及三极管的极性，查看是否连接正确。

（3）元件清单（表9-3）。

表9-3 元件清单

二、电路的测试与调整

1．工作原理分析

本电路主要由硬件电路和软件设计两部分组成。

程序如下：

2．调试与排除故障

电路安装完毕，经检查无误后即可通电调试，按表要求调试、测量数据并填表。

◇思考题◇

如果在调试时发生以下故障，请分析原因，写出排除故障的方法。

1．数码管没有正常显示相应的数据。

2．为什么所有的数码管都显示同一个数字？

三、总结

本任务使你学习到了哪些知识？积累了哪些经验？填入表9-4中，有利于提升自己的技能水平。

表9-4 工作总结

四、工作岗位6S处理

工作任务全部完成后，关闭工作台总电源，拆下测量线和连接导线，归还借用工具仪器。组员对工作岗位进行“整理、整顿、清扫、清洁、安全、素养”处理。维护和保养测量仪器、仪表，确保其运行在最佳工作状态。

◇能力拓展◇

本电路的所有数码管只能循环显示数字0～9，效果单一，若需要每个数码管显示不同的数字效果，应该如何编程来实现？为了达到这种显示效果，请小组成员发挥团队协助精神，积极思考，赶快讨论决策，制定计划实施。

◇任务评价◇

表9-5 数码管显示电路评价表