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数码管的工作原理与编码显示接口分析

数码管的一种是半导体发光器件，数码管的工作原理是通过单片机的I/O端口进行驱动数码管的各个段码，点亮不同的段码从而形成字符显示出我们要的数字 。
数码管是一类价格便宜、使用简单，通过对其不同的管脚输入相对的电流，使其发亮，从而显示出数字能够显示 时间、日期、温度等所有可用数字表示的参数的器件 。在电器特别是家电领域应用极为广泛，如显示屏、空调、热水器、冰箱等等 。绝大多数热水器用的都是数码管，其他家电也用液晶屏与荧光屏 。
数码管也称LED数码管，不同行业人士对数码管的称呼不一样，其实都是同样的产品 。数码管按段数可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，也就是多一个小数点（DP）这个小数点可以更精确的表示数码管想要显示的内容；按能显示多少个（8）可分为1位、2位、3位、4位、5位、6位、7位等数码管 。
数码管的工作原理与编码显示接口分析
文章插图
常用的LED显示器有LED状态显示器（俗称发光二极管）、LED七段显示器（俗称数码管）和LED十六段显示器 。发光二极管可显示两种状态，用于系统状态显示；数码管用于数字显示十六段显示器用于字符显示 。
数码管结构
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、符号"-"及小数点" 。" 。
数码管的外形结构如下图所示 。数码管又分为共阴极和共阳极两种结构 。
数码管的工作原理与编码显示接口分析
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数码管的工作原理
共阳极数码管的8个发光二极管的阳极（二极管正端）连接在一起 。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出端为低电平时，则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 。
共阴极数码管的8个发光二极管的阴极（二极管负端）连接在一起 。通常，公共阴极接低电平（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，则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 。
数码管驱动方式
直流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 。优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多 。
动态显示驱动是将所有数码管通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示 。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，但究竟是那个数码管会显示出字形，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，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮 。
数码管字形编码
要使数码管显示出相应的数字或字符，必须使段数据口输出相应的字形编码 。对照图1（a），字型码各位定义为：数据线D0与a字段对应，D1与b字段对应……，依此类推 。如使用共阳极数码管，数据为0表示对应字段亮，数据为1表示对应字段暗；如使用共阴极数码管，数据为0表示对应字段暗，数据为1表示对应字段亮 。如要显示"0"，共阳极数码管的字型编码应为：11000000B（即C0H）；共阴极数码管的字型编码应为：00111111B（即3FH） 。依此类推 。
静态显示接口
静态显示是指数码管显示某一字符时，相应的发光二极管恒定导通或恒定截止 。这种显示方式的各位数码管相互独立，公共端恒定接地（共阴极）或接正电源（共阳极） 。每个数码管的8个字段分别与一个8位I/O口地址相连，I/O口只要有段码输出，相应字符即显示出来，并保持不变，直到I/O口输出新的段码 。采用静态显示方式，较小的电流即可获得较高的亮度，且占用CPU时间少，编程简单，显示便于监测和控制，但其占用的口线多，硬件电路复杂，成本高，只适合于显示位数较少的场合 。
动态显示接口
动态显示是一位一位地轮流点亮各位数码管，这种逐位点亮显示器的方式称为位扫描 。通常，各位数码管的段选线相应并联在一起，由一个8位的I/O口控制；各位的位选线（公共阴极或阳极）由另外的I/O口线控制 。动态方式显示时，各数码管分时轮流选通，要使其稳定显示，必须采用扫描方式，即在某一时刻只选通一位数码管，并送出相应的段码，在另一时刻选通另一位数码管，并送出相应的段码 。依此规律循环，即可使各位数码管显示将要显示的字符 。虽然这些字符是在不同的时刻分别显示，但由于人眼存在视觉暂留效应，只要每位显示间隔足够短就可以给人以同时显示的感觉 。
采用动态显示方式比较节省I/O口，硬件电路也较静态显示方式简单，但其亮度不如静态显示方式，而且在显示位数较多时单片机要依次扫描，占用CPU较多的时间 。
常见问题解读
恒流驱动与非恒流驱动对数码管的影响主要有：
显示效果
由于发光二极管基本上属于电流敏感器件，其正向压降的分散性很大，并且还与温度有关，为了保证数码管具有良好的亮度均匀度，就需要使其具有恒定的工作电流，且不能受温度及其它因素的影响 。另外，当温度变化时驱动芯片还要能够自动调节输出电流 的大小以实现色差平衡温度补偿 。
安全性
即使是短时间的电流过载也可能对发光管造成永久性的损坏，采用恒流驱动电路后可防止 由于电流故障所引起的数码管的大面积损坏 。
另外，我们所采用的超大规模集成电路还具有级联延时开关特性，可防止反向尖峰电压对发光二极管的损害 。超大规模集成电路还具有热保护功能，当任何一片的温度超过一定值时可自动关断，并且可在控制室内看到故障显示 。
关于亮度一致性的问题是一个行业内的常见问题 。
影响一致性主要有两个大的因素 。
一是使用原材料芯片的选取，一是使用数码管时采取的控制方式 。
1、原材料--芯片的VF和亮度和波长是一个正态分布，即使筛选过芯片，VF和亮度和波长已在一个很小的范围了，生产出来的产品还是在一个范围内，结果就是亮度不一致 。
2、要保证数码管亮度一样，在控制方式选取上也有差别最好的办法是恒流控制，流过每一个发光二极管的电流都是相同的，这样发光二极管看起来亮度就是一样的了 。如恒压控制，则导致VF不相同的发光二极管分到的电流不相同，所以亮度也不同 。
当然以上二个条件是相辅相成的 。
怎样测量数码管引脚，分共阴和共阳？
【数码管的工作原理与编码显示接口分析】找公共共阴和公共共阳：首先，我们找个电源（3到5伏）和1个1K（几百欧的也行）的电阻，VCC串接个电阻后和GND接在任意2个脚上，组合有很多，但总有一个LED会发光的，找到一个就够了，然后GND不动，VCC（串电阻）逐个碰剩下的脚，如果有多个LED（一般是8个），那它就是共阴的了 。相反用VCC不动，GND逐个碰剩下的脚，如果有多个LED（一般是8个），那它就是共阳的 。也可以直接用数字万用表，红表笔是电源的正极，黑表笔是电源的负极 。

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