AVR单片机教程——数码管

本文隶属于AVR单片机教程系列。

先解答之前一个思考题：如果不把引脚配置为输出而写高电平，连接LED会怎样？

实验结果是，LED会亮，但相比于输出高电平的情况，亮度很低。这是为什么呢？

通过上一篇教程我们知道，引脚输入输出模式是由寄存器DDRx中DDxn位控制的，可以推断出 pin_mode 函数会改变一个引脚对应的DDxn值，输入为0，输出为1，而其复位后的值为0，即输入，因此如果不把引脚配置为输出，它的模式就是输入。类似地 pin_write 函数会改变PORTxn，其值为函数的第二个参数。

所以不配置输出而写高电平的结果就是，这一引脚的DDxn为0，PORTxn为1，是带上拉电阻的输入模式。上拉电阻相当于VCC接电阻后再接在引脚上，外部电路是引脚接一个电阻再接一个LED到地，总体可以等效为LED被一个电阻限流后接在VCC和地之间，因此LED会亮。

这个电阻的阻值是上拉电阻和本来的限流电阻的阻值之和，上拉电阻是比较大的（根据datasheet P432 Figure30-164可以估算出上拉电阻约40kΩ），相比于限流电阻就是外电阻的输出高电平的情况，LED上的电流小很多，因此亮度也相应低了。

这是一个模拟电路的问题，只用数字电路的分析方法是解决不了的。这个简答的问题也反映了单片机相关知识的综合性。

今天来讲数码管，就是开发板左边那两个日字。

早期数码管也成为辉光灯，依靠气体放电发光，现在一般指7段数码管（因为日字有7段），其本质是许多LED。我们的开发板上是2位数码管，也有1位、3位、4位的；除了7段数码管还有米字数码管，不过比较少见。注意7段数码管其实有8段，每个数字右下角有一个小数点。还有一种4位时钟数码管还有中间两点，但有两个小数点不能点亮。

数码管的8段从上面一段开始顺时针依次为A、B、C、D、E、F，中间为G，小数点称为DP。

各种LED数码管的原理都相同，内部电路连接略有不同。1位数码管有10个引脚，而内部有8个LED，是怎样连接的呢？在数字输出那一篇中提到过共阳和共阴，数码管也是这样的：8个LED的正极（或负极）一起连接到两个引脚上，负极（或正极）分别连接到一个引脚，称为共阳（或共阴）数码管。开发板上的2位数码管中，每一位都是共阴连接的。

8个正极与单片机之间的连接有些复杂，现在无法讲解，不过可以理解为8个由单片机控制的、相互独立的输出引脚，每个分别串联了电阻后连接数码管的正极。左右两位的负极连接到数码管右侧的排针，使用时要把它们连接到单片机引脚上。

如果要让数码管的特定几段亮，应该如何配置9个引脚的电平呢？答案是要亮的段的正极为高电平，其他为低电平，负极也是低电平。另外，如果负极是高电平，则LED正负极之间电压为0或小于0，是不会亮的，这一事实在驱动多位数码管时很重要。注意到负极低电平亮而高电平不亮，与此前使用过的LED不同，写程序的时候不要想当然。

根据手册，我们可以用 segment_dec 等函数设置数码管显示的数据，用 segment_display 来让数码管显示。把显示数据分成设置数据与控制显示，分别由两个函数来完成，往高深讲是将数据与视图分离，而更贴近本篇教程主题的原因是，我们后面将会看到，多位数码管无法仅靠一个函数显示多位数字（至少在顺序控制流下）。

作为数码管的第一个程序，我们先点亮右边的数码管，让它循环显示0~9。左右两位的负极分别连接到单片机4和5号引脚上。

 #include <ee1/segment.h>
 #include <ee1/delay.h>
 
 int main()
 {
     segment_init(PIN_4, PIN_5);
     while ()
         for (uint8_t i = ; i != ; ++i)
         {
             segment_dec(i);
             segment_display(SEGMENT_DIGIT_R);
             delay();
         }
 }

根据上一篇教程的内容，你应该不难推断出 segment_display 对数码管负极做的工作吧。它把要显示的一位的负极所连接的引脚的电平拉低，另一位拉高，这是比较显然的。segment_display 对数码管正极做的工作是根据数据配置数码管8个正极的电平，这里的数据是由 segment_dec 设置的。数据中每一个bit和数码管中一段的亮暗相对应，最低位对应A段而最高位对应DP段（这只是我设计开发板时的连接方式）。那么，显示数字1需要点亮B和C段，其显示数据就是0b00000110，即数字1的段码。segment_dec 等函数根据输入参数，给一个大小为2的数组写入了两个值，分别对应两位数码管要显示的数据。

这里插一句，0b前缀表示二进制数，这是GNU扩展，不属于C标准，C++也从C++14才开始支持这种表示法。按理来说应该尽可能少用编译器扩展，但这个特性实在是太好用了，所以就拿来用了。

库中已经声明了一些段码。segment_digit 为0~9、A~F的段码，segment_dot 表示小数点，它们的定义是：

 const uint8_t segment_digit[] =
 {
     0b00111111, //
     0b00000110, //
     0b01011011, //
     0b01001111, //
     0b01100110, //
     0b01101101, //
     0b01111101, //
     0b00000111, //
     0b01111111, //
     0b01101111, //
     0b01110111, // A
     0b01111100, // B
     0b00111001, // C
     0b01011110, // D
     0b01111001, // E
     0b01110001  // F
 };
 const uint8_t segment_dot = 0b10000000;

这些段码是根据字符形状手动输入的。你可以用相同的方法创造更多字符，也可以在网上找一些工具来完成。

如果（我是说如果）共阴数码管的A~G、DP段分别连接单片机PA0~PA7，负极接低电平，DDRA全为1，那么用一个段码给PORTA赋值，数码管上就能显示对应的数字或字母，或其他图案。这里留个思考题，对于共阳数码管，应该在什么地方作些改动？

以上就是驱动一位数码管的方法。

现在我们来看如何驱动多位数码管。开发板上是2位数码管，实际上多位数码管的驱动方法都是一样的，在此以共阴2位数码管为例。

前面提到共阴多位数码管的每一位都是共阴连接的，那么不同位之间是如何连接的呢？有一些2位数码管的两位之间没有任何联系，整个器件至少有18个引脚，这个数字已经有些大了。而有一种电路连接可以做到在1位数码管的基础上，每增加一位，只需多一个引脚，见下图：

增加的这个引脚就是新的一位的负极，而其每一段的正极与第一位是共用的。对于不同位上的同一段，不难发现它们是共阳连接的。位是共阴的，段是共阳的，处于习惯上的考虑，这样的数码管称为共阴数码管。

然而。这样节省引脚的接法是有代价的，就是你在一个时刻只能独立控制8个LED，即一位的8段（根据对称性，你也可以控制2位的同一段，但这样更受限制）。你无法做到的是点亮第1位的A段和第2位的B段，同时其他段都不亮。为什么呢？点亮第1位的A段，需要使共阳A段为高电平而共阴第1位为低电平，同理B段为高电平，第2位为低电平，结果就是第1位的B段和第2为的A段也被同时点亮了。在这样的方案下，两位数码管只能显示同一个数字。

我们需要一些别的办法。根据前一部分的内容，分别显示两位中的任意一位都是可以做到的。如果用户想看到两个数字，程序可以在第1秒显示左边的数字，第2秒显示右边的数字，用户至少是可以理解的，尽管这种方法相当糟糕。为什么是1秒而不是10秒呢？1秒的情况下用户平均等待0.5秒可以看到两个数字的信息，10秒的话就是5秒等待，用户不愿意。

可是现在用户连0.5秒都不愿意等了，怎么办？一定要把等待时间压缩到0吗？用户是人，人眼的刷新率不太高，只要每秒有24幅图像，它（其实是大脑）就认为这些图像是连续的。所以只要这一等待时间比人眼获取图像的间隔要小，用户就不会再有怨言了。

现在你来做用户。你能看到两个数字，两个数字呈现的时间间隔是一段很短的时间，短到你分辨不出它到底有没有一段间隔。这意味着什么？两个数字同时显示了出来。在此背后，数码管的控制器每隔一小段时间切换一个数字来显示，这种驱动方式成为动态扫描。

我们来写个程序验证一下这种方案。在前一个程序的基础上，我们让左边一位显示0。

 #include <ee1/segment.h>
 #include <ee1/delay.h>
 
 int main()
 {
     segment_init(PIN_4, PIN_5);
     while ()
     for (uint8_t i = ; i != ; ++i)
     {
         segment_dec(i);
         for (uint8_t j = ; j != ; ++j)
         {
             segment_display(SEGMENT_DIGIT_L);
             delay();
             segment_display(SEGMENT_DIGIT_R);
             delay();
         }
     }
 }

在这个程序中，数码管刷新间隔设置为2毫秒（1毫秒*2位）。实际上这一间隔在10毫秒以下即可，人眼感受不到差别。在这个程序中你甚至可以不写延时（相应地循环次数要增加很多倍），刷新间隔就很小，但其他应用中单片机除了驱动数码管还有别的工作，如果这些工作的运行时间是不固定的，就不能用它们替换掉延时，因为会导致数码管亮度不均衡。应该加入一个比运行时间长得多的延时来保证间隔大致相同，然而这一方案在其他工作运行时间达到10毫秒这一量级时就不能使用了。

在使用动态扫描来控制数码管时，你会发现一种从前所未有的麻烦，尤其是当与按键等输入相结合时，如作业第2题。以前使用的LED等设备，只需调用一次函数，其状态就能一直保持，直到再调用相应函数；而动态扫描是动态的，即你需要不断去控制它，这就是麻烦的根源所在。单片机当然有别的方案来解决这些问题，我们以后再讲。

今天的作业：

1. 保持1毫秒的延时，将显示切换的时间从0.5秒改为1秒（这有什么难的，不是吗？）；

2. 实现以下功能：按下一个按键时，数码管显示的十六进制数字加1；保持按下1000毫秒后，每200毫秒数字加1；再加入另一个按键，但它的效果是数字减1。