《單片機一體化應用技術基礎》項目五 數(shù)碼管一體化應用設計

單片機一體化應用技術基礎

本項目主要介紹利用單片機引腳輸出控制LED數(shù)碼管顯示，通過仿真實例、標準PCB板LED設計與制作，介紹對常見LED數(shù)碼管的綜合設計與應用。項目五

數(shù)碼管一體化應用設計

利用ProteusISIS、ProtelDXP2004兩平臺完成兩位LED數(shù)碼管的原理圖、PCB板連接設計。結合單片機標準PCB板，40路快充工作站PCB主板，分別進行2個、4個LED數(shù)碼管從仿真設計到實際PCB設計顯示輸出控制的一體化程序設計。

通過KeilC完成“521”（我愛你）的LED數(shù)碼管仿真設計、鍵盤控制顯示LED數(shù)碼管程序的設計與編譯，并進行仿真調試，最終完成HEX文件的準備。項目五

數(shù)碼管一體化應用設計◎教學目標

通過本項目的學習，設計出一個屬于自己的“倒計時顯示的交通信號燈”，進一步完善單片機系統(tǒng)電路一體化應用思維的構建?！蚪虒W提示

通過三個平臺的綜合一體化軟、硬件設計，重點培養(yǎng)學生進行單片機系統(tǒng)數(shù)碼顯示電路的動手制作，獨立完成數(shù)碼管電路仿真運行和數(shù)碼管PCB設計及綜合程序設計。項目五

數(shù)碼管一體化應用設計眼見為識——LED數(shù)碼管就在我們身邊生活中常見的LED數(shù)碼管及應用如下圖(a)、(b)、(c)所示。（a）各款LED數(shù)碼管

（b）LED數(shù)碼管顯示屏（c）應用大量LED數(shù)碼管的全國電子大賽電路板任務一初識LED數(shù)碼管

LED數(shù)碼管及其內部電路如下圖所示。眼見為識——LED數(shù)碼管就在我們身邊任務一初識LED數(shù)碼管融會貫通——LED數(shù)碼管電氣符號及封裝

在不同的電子CAD設計軟件中，LED數(shù)碼管電氣符號不盡相同，如下圖所示。任務一初識LED數(shù)碼管理實并進——LED數(shù)碼管靜態(tài)連接

LED數(shù)碼管靜態(tài)顯示連接的優(yōu)點是被顯示數(shù)據(jù)只要送入并行口后就不再需要CPU干預，因而顯示效果穩(wěn)定。此連接的缺點是LED數(shù)碼管占用單片機端口資源較多。在下圖圖中，LED數(shù)碼管采用共陽極連接，字形段碼通過P0端口輸出控制，仿真程序運行點亮LED數(shù)碼管顯示字形“H”。任務一初識LED數(shù)碼管LED數(shù)碼管共陽極連接及顯示字符“H”理實并進——LED數(shù)碼管靜態(tài)連接任務一初識LED數(shù)碼管“LED數(shù)碼管共陽.c”源程序編譯通過窗口理實并進——LED數(shù)碼管靜態(tài)連接任務一初識LED數(shù)碼管加載“LED數(shù)碼管共陽.HEX”程序對話框理實并進——LED數(shù)碼管靜態(tài)連接任務一初識LED數(shù)碼管快樂升級——LED數(shù)碼管引腳測量

用萬用表測量LED數(shù)碼管找公共共陰端和公共共陽端。

首先，找個電源（3V～5V）和不同規(guī)格的電阻，VCC串接一只電阻后和GND接在數(shù)碼管的任意2個引腳上，組合有很多，但總有一個LED會發(fā)光的，找到一個就夠了。

然后GND不動，用VCC（串電阻）逐個碰剩下的引腳，如果有多個LED（一般是8個）發(fā)光，那它就是共陰的。相反VCC不動，用GND逐個碰剩下的引腳，如果有多個LED（一般是8個）發(fā)光，那它就是共陽的。任務一初識LED數(shù)碼管利用ProtelDXP2004設計完成如下圖所示標準單片機系統(tǒng)電路原理圖。

眼見為識——LED數(shù)碼管電路設計任務二

數(shù)碼動態(tài)顯示原理圖設計利用ProtelDXP2004設計完成如下圖所示的LED數(shù)碼.PCBDOC布線電路板圖。

眼見為識——LED數(shù)碼管電路設計任務二

數(shù)碼動態(tài)顯示原理圖設計利用Proteus設計完成如下圖所示的兩位數(shù)碼動態(tài)掃描顯示字符顯示原理圖。

眼見為識——LED數(shù)碼管電路設計任務二

數(shù)碼動態(tài)顯示原理圖設計利用Proteus設計完成如下圖所示的八位數(shù)碼動態(tài)掃描顯示字符顯示原理圖。

眼見為識——LED數(shù)碼管電路設計任務二

數(shù)碼動態(tài)顯示原理圖設計融匯貫通——靜態(tài)LED數(shù)碼管原理圖設計

利用ProtelDXP2004，打開項目四中的“心”形LED彩燈電路電路原理圖，將其另存。然后通過系統(tǒng)MiscellaneousDevice庫添加14.2mmLED數(shù)碼管，Libraries庫如右圖所示。

任務二

數(shù)碼動態(tài)顯示原理圖設計添加14.2mmLED數(shù)碼管后的電路原理圖如下圖所示。融匯貫通——靜態(tài)LED數(shù)碼管原理圖設計任務二

數(shù)碼動態(tài)顯示原理圖設計總線、分支線及標號添加完成的LED數(shù)碼管效果圖如下圖所示。融匯貫通——靜態(tài)LED數(shù)碼管原理圖設計任務二

數(shù)碼動態(tài)顯示原理圖設計理實并進——LED數(shù)碼管動態(tài)顯示設計一、完成“眼見為識”P0端口兩位LED數(shù)碼管動態(tài)掃描顯示設計程序見任務四。主要操作步驟如下：1.選擇“7SEG-MPX2-CC-BLUE”LED器件。任務二

數(shù)碼動態(tài)顯示原理圖設計2.參考上一步或結合項目三中的仿真元器件添加、刪除、移動、復制、旋轉等相關基本操作，完成排阻RN1（100Ω）添加、導線連接、段碼、位碼控制標號及對應端口標號的添加。完成結果如右圖所示。理實并進——LED數(shù)碼管動態(tài)顯示設計任務二

數(shù)碼動態(tài)顯示原理圖設計二、設計一個由8位LED數(shù)碼管組成的1個字符滾動屏基本操作同上面的例子。完成結果如下圖所示。理實并進——LED數(shù)碼管動態(tài)顯示設計任務二

數(shù)碼動態(tài)顯示原理圖設計完成后的用二進制撥碼開關控制顯示電路原理圖理實并進——LED數(shù)碼管動態(tài)顯示設計任務二

數(shù)碼動態(tài)顯示原理圖設計8路同相三態(tài)雙向總線收發(fā)器構成顯示電路的實例。

快樂升級——LED數(shù)碼管PCB設計

接下來，我們進一步將本任務“融匯貫通”中的單片機系統(tǒng)電路原理圖進行標準的LED數(shù)碼管PCB設計。核心步驟如下：1.打開“5-2-1LED數(shù)碼管.SCHDOC”原理圖，單擊Design|UpdatePCBDocument5-2-1LED數(shù)碼管.PcbDoc命令，如下圖所示。

任務二

數(shù)碼動態(tài)顯示原理圖設計2.執(zhí)行項目更改操作。任務二

數(shù)碼動態(tài)顯示原理圖設計快樂升級——LED數(shù)碼管PCB設計執(zhí)行的更改操作更新網(wǎng)絡表對話框3.向PCB編輯區(qū)導入LED數(shù)碼管和電阻。導入LED數(shù)碼管和電阻PCB編輯窗口任務二

數(shù)碼動態(tài)顯示原理圖設計快樂升級——LED數(shù)碼管PCB設計4.更新K1～K4四個按鍵和RST鍵封裝效果圖。任務二

數(shù)碼動態(tài)顯示原理圖設計快樂升級——LED數(shù)碼管PCB設計5.完成100%布線的Messages反饋信息框。任務二

數(shù)碼動態(tài)顯示原理圖設計快樂升級——LED數(shù)碼管PCB設計課外閱讀——PCB布線規(guī)則設置

導線布設：應盡量走短線，特別是對小信號而言，10mil左右。導線形狀：同一層導線改變方向時，應走斜線。電源線與地線的設計：40～150mil或更高，高頻線用地線屏蔽。多層板走線方向：相互垂直，層間耦合面積最?。唤蛊叫凶呔€。焊盤設計要合理控制。任務二

數(shù)碼動態(tài)顯示原理圖設計眼見為識——作品展示一、循環(huán)顯示“89S52”仿真設計Proteus仿真設計電路原理圖及程序仿真運行效果如下圖所示。“89S52”仿真電路原理圖設計LED數(shù)碼管顯示“89”效果任務三

實戰(zhàn)LED數(shù)碼管電路板LED發(fā)光二極管顯示“S”效果LED數(shù)碼管顯示“89”效果眼見為識——作品展示任務三

實戰(zhàn)LED數(shù)碼管電路板一、循環(huán)顯示“89S52”仿真設計Proteus仿真設計電路原理圖及程序仿真運行效果如下圖所示。二、LED發(fā)光二極管和LED數(shù)碼管顯示器實物電路板設計手工板全貌LED發(fā)光二極管和LED數(shù)碼管顯示器完成“89S52”實物電路板過程顯示，如下圖所示。

眼見為識——作品展示任務三

實戰(zhàn)LED數(shù)碼管電路板二、LED發(fā)光二極管和LED數(shù)碼管顯示器實物電路板設計LED發(fā)光二極管和LED數(shù)碼管顯示器完成“89S52”實物電路板過程顯示，如右圖所示。

眼見為識——作品展示任務三

實戰(zhàn)LED數(shù)碼管電路板融匯貫通---材料準備

首先，準備好項目四中的“心”形LED彩燈手工電路板，以及一些相關材料：LED發(fā)光二極管（13個），LED數(shù)碼管（2只，型號為LG5011BSR。

這里我們特別準備了導線——電腦中的排線、網(wǎng)線，不僅節(jié)約購買材料的成本，而且排線也非常的實用、好用，信號傳輸相當好！電腦中的排線實物如下圖所示。任務三

實戰(zhàn)LED數(shù)碼管電路板理實并進---實戰(zhàn)操作一、元器件布局擺放二、導線焊接各種“導線”實際焊接效果LED并聯(lián)后的正極性端連接手工板電源任務三

實戰(zhàn)LED數(shù)碼管電路板三、“S”的焊接及連接

組成“S”形的二極管正負極性端的連接效果如下圖。理實并進---實戰(zhàn)操作任務三

實戰(zhàn)LED數(shù)碼管電路板四、數(shù)碼管及插針實際安裝焊接效果如前面圖所示。五、共陽極公共端（VCC）實際電源分配圖理實并進---實戰(zhàn)操作任務三

實戰(zhàn)LED數(shù)碼管電路板六、LED數(shù)碼管線序連接

依據(jù)本項目任務一中的數(shù)碼管元件結構符號，將a,b,c,d,e,f,g,dp焊接插針導線。七、P0、P2端口導線焊接P0、P2端口導線與擴展插針焊接實物圖理實并進---實戰(zhàn)操作任務三

實戰(zhàn)LED數(shù)碼管電路板快樂升級——“521”（我愛你）硬件設計一、“521”（我愛你）硬件仿真設計

在“心”形設計基礎上，用LED數(shù)碼管顯示器完成“521”（我愛你）的仿真電路原理圖設計，如圖（a）所示。（a）“心”形的“521”（我愛你）仿真電路原理圖任務三

實戰(zhàn)LED數(shù)碼管電路板二、“521”（我愛你）硬件PCB設計

接下來進行Protel

“521”(我愛你)PCB電路板數(shù)碼原理圖的設計，如下圖所示。LED數(shù)碼管及插針端口標注完成快樂升級——“521”（我愛你）硬件設計任務三

實戰(zhàn)LED數(shù)碼管電路板二、“521”（我愛你）硬件PCB設計

利用Protel完成“521”(我愛你)PCB電路板圖的設計，如右圖所示.“心”形加LED數(shù)碼管“521”PCB及3D設計快樂升級——“521”（我愛你）硬件設計任務三

實戰(zhàn)LED數(shù)碼管電路板眼見為識——數(shù)字顯示1.利用Protel設計完成的標準單片機Pcb板，將程序燒錄到AT89S52芯片中，加電顯示效果如下面兩圖所示。

任務四“心”中“521”程序編譯與燒錄2.打開項目四中的“心”形LED花樣流水燈仿真原理圖設計，通過適當?shù)男薷模赑0、P2、P3端口添加三位LED數(shù)碼管，加載程序仿真運行心中“521”數(shù)字彩燈同時閃亮，效果如下圖所示。眼見為識——數(shù)字顯示任務四“心”中“521”程序編譯與燒錄融匯貫通——LED數(shù)碼管顯示控制一、兩位LED數(shù)碼管動態(tài)顯示“78”程序設計

源程序代碼編輯窗口任務四“心”中“521”程序編譯與燒錄

仿真運行電路原理圖如下面兩圖所示。個位顯示數(shù)字8運行效果十位顯示數(shù)字7運行效果融匯貫通——LED數(shù)碼管顯示控制任務四“心”中“521”程序編譯與燒錄一、兩位LED數(shù)碼管動態(tài)顯示“78”程序設計二、八位LED數(shù)碼管動態(tài)顯示數(shù)字“0～7”程序設計

程序編輯及編譯通過窗口融匯貫通——LED數(shù)碼管顯示控制任務四“心”中“521”程序編譯與燒錄二、八位LED數(shù)碼管動態(tài)顯示數(shù)字“0～7”程序設計

顯示數(shù)字“3”的仿真電路運行效果融匯貫通——LED數(shù)碼管顯示控制任務四“心”中“521”程序編譯與燒錄理實并進——LED數(shù)碼管實際應用設計一、LED數(shù)碼管和LED二極管顯示“89S52”程序設計

1.電路原理圖，見本項目任務三中的“89S52”仿真電路原理圖。2.程序分析：因為電路原理圖中LED數(shù)碼管采用靜態(tài)端口顯示方法連接，故程序控制顯示穩(wěn)定，只關注延時和并聯(lián)的LED。3.用較簡便的代碼去控制各個端口的輸出，參考源程序代碼見教材。任務四“心”中“521”程序編譯與燒錄二、“心”與“521”（我愛你）花樣顯示程序設計

LED部分亮和顯示”52”運行效果圖數(shù)碼管只顯示“521”運行效果圖理實并進——LED數(shù)碼管實際應用設計任務四“心”中“521”程序編譯與燒錄快樂升級——LED數(shù)碼管程序設計升級一、8位二進制撥碼開關控制顯示“000～255”程序設計

程序初始運行撥低四位碼開關顯示數(shù)值任務四“心”中“521”程序編譯與燒錄二、學生出勤記錄器程序設計

學生出勤記錄器原理圖快樂升級——LED數(shù)碼管程序設計升級任務四“心”中“521”程序編譯與燒錄

程序源代碼如下：快樂升級——LED數(shù)碼管程序設計升級任務四“心”中“521”程序編譯與燒錄眼見為識——交通信號燈倒計時顯示控制

采用兩位動態(tài)共陽極的LED數(shù)碼管進行交通燈時間的倒計時顯示輸出，完成LED數(shù)碼管倒計時的交通燈顯示仿真電路原理圖如下圖所示。

任務五

倒計時交通燈設計與仿真

手工交通燈電路板設計的仿真電路原理圖（LED采用靜態(tài)連接）及仿真運行效果如下圖所示。

南北綠燈15s倒計時開始原理圖及仿真運行效果眼見為識——交通信號燈倒計時顯示控制任務五

倒計時交通燈設計與仿真

南北綠燈15s倒計時標準PCB板、手工板運行效果眼見為識——交通信號燈倒計時顯示控制任務五

倒計時交通燈設計與仿真

手工交通燈電路板設計的仿真電路原理圖（LED采用靜態(tài)連接）及仿真運行效果如下圖所示。融會貫通——AT89S52的定時/計數(shù)器1．AT89S52片內集成了3個16位定時/計數(shù)器定時，就是設定計數(shù)時間，計滿設定時間立即停止計數(shù)，并立即向CPU發(fā)出設定時間到達信號，請求CPU進一步處理，從而實現(xiàn)定時功能。當定時/計數(shù)器設定為定時方式時，其計數(shù)脈沖來源于時鐘振蕩器的12分頻。當振蕩頻率確定后，則機器周期也就確定。2、定時/計數(shù)器的控制與狀態(tài)寄存器TMOD-定時/計數(shù)器0和1的工作方式寄存器，如下表所示。任務五

倒計時交通燈設計與仿真理實并進——LED數(shù)碼管程序設計及電路仿真運行任務一：實現(xiàn)LED數(shù)碼管9s計時顯示效果。程序代碼見教材或參考教學資料包。9s計時的仿真電路原理圖任務五

倒計時交通燈設計與仿真任務一：實現(xiàn)LED數(shù)碼管9s計時顯示效果。仿真電路運行效果如下圖。9s計時的仿真電路運行效果圖理實并進——LED數(shù)碼管程序設計及電路仿真運行任務五

倒計時交通燈設計與仿真任務二：利用單片機標準PCB電路板擴展插針，連接手工LED交通燈電路板，進行仿真設計，并進行交通燈實物調試。手工交通燈電路板設計的仿真電路原理圖理實并進——LED數(shù)碼管程序設計及電路仿真運行任務五

倒計時交通燈設計與仿真任務二：利用單片機標準PCB電路板擴展插針，連接手工LED交通燈電路板。確認連接P1端口、標準電源VCC（PCB板上的+5V標號）的導線連接位置，特別注意P1端口擴展插針的位置及標號順序，如下圖所示。確認P1端口、標準電源的導線連接位置

手工LED交通燈連接標準PCB板的實物效果理實并進——LED數(shù)碼管程序設計及電路仿真運行任務五

倒計時交通燈設計與仿真任務二：利用單片機標準PCB電路板擴展插針，連接手工LED交通燈電路板，加電試運行程序，單片機擴展插針連接手工LED交通燈運行過程效果如下圖（a）、（b）所示。(a)南北路口黃燈3s倒計時開始顯示效果(b)南北路口紅燈10s倒計時開始顯示效果理實并進——LED數(shù)碼管程序設計及電路仿真運行任務五

倒計時交通燈設計與仿真快樂升級——定時器編程控制

定時器編程主要是對定時/計數(shù)器進行初始化。由于定時/計數(shù)器的功能是由軟件編程控制的，所以在啟動它之前，CPU必須將一些命令控制字寫入定時/計數(shù)器中，這個過程稱為定時/計數(shù)器的初始化。例1

設系統(tǒng)時鐘頻率為12MHz，用定時/計數(shù)器T0編程實現(xiàn)從P2.0輸出周期為500μs的方波。任務五

倒計時交通燈設計與仿真例2設系統(tǒng)時鐘頻率為12MHz，編程實現(xiàn)從P2.1輸出周期為1s的方波。

以上例題分析及程序設計，請參考教材。眼見為識——4×4鍵盤設計1.利用ProteusISIS平臺完成4ⅹ4仿真鍵盤、LED數(shù)碼管顯示輸出的設計原理圖，如下圖所示。

任務六

4ⅹ4鍵盤設計與仿真2.利用ProtelDXP2004平臺，完成STC90C58RD+單片機控制40路快充設備中四位LED數(shù)碼管及4ⅹ4鍵盤設計部分的原理圖及PCB圖，如下圖所示。四位LED數(shù)碼管及4ⅹ4鍵盤設計部分的原理圖LED數(shù)碼管及4ⅹ4鍵盤設計部分PCB板圖眼見為識——4×4鍵盤設計任務六

4ⅹ4鍵盤設計與仿真2.利用ProtelDXP2004平臺，完成STC90C58RD+單片機控制40路快充設備中四位LED數(shù)碼管及4ⅹ4鍵盤設計部分的PCB實物圖、焊接圖，如下圖所示。四位LED數(shù)碼管及4ⅹ4鍵盤設計部分板圖及實物焊接圖（含敷銅）眼見為識——4×4鍵盤設計任務六

4ⅹ4鍵盤設計與仿真融匯貫通——細說電阻一、上拉電阻P0端口為什么要加上拉電阻呢？

因為P0端口作為I/O口輸出的時候輸出低電平為0，輸出高電平為高組態(tài)（并非5V，相當于懸空狀態(tài)）。也就是說P0端口不能真正的輸出高電平給所接的負載提供電流，因此必須接上拉電阻（將電阻連接到VCC），由電源通過這個上拉電阻給負載提供電流。二、貼片電阻貼片電阻在實際電子產品設計中已經(jīng)大量使用。為客戶制作實際電子產品，在滿足客戶需要的情況下，公司要求我們要考慮設計制作和產品開發(fā)成本。紅外熱釋感應LED燈PCB焊接板實物圖任務六

4ⅹ4鍵盤設計與仿真理實并進——4ⅹ4鍵盤程序設計及電路仿真運行任務一：矩陣鍵盤設計的原理

按鍵的控制方式：先判斷是否有鍵按下，如有，再判斷哪一鍵按下，并得到鍵碼值，然后根據(jù)鍵碼值轉向不同的功能程序。矩陣式結構鍵盤比獨立式按鍵要復雜，所以識別也要復雜一些。最常用的識別方法是鍵盤行列掃描法。核心是判別閉合鍵的鍵號。P1端口交叉線（鍵盤）示意圖各鍵和對應的鍵碼值表任務六

4ⅹ4鍵盤設計與仿真任務二：鍵盤控制輸出0～F

實現(xiàn)16個鍵盤對應0～F這16個數(shù)字和字符，這