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第5章显示和键盘接口技术单片机应用系统经常需要连接一些外部设备，其中键盘和显示器是构成人机对话的一种基本方式，使用最为频繁。本章将介绍常用的显示器件及键盘工作原理，以及它们如何与单片机连接，如何相互传送信息等技术。5.1单片机与LED数码管接口主要知识点：1.LED数码管的结构及原理2.LED数码管静态显示技术3.LED数码管动态显示技术5.1.1LED数码管的结构及原理一、LED数码管的结构在单片机系统中，经常采用LED数码管来显示单片机系统的工作状态、运算结果等各种信息，LED数码管是单片机人机对话的一种重要输出设备。5.1.1LED数码管的结构及原理二、LED数码管的工作原理LED数码管可分为共阳极和共阴极两种结构。它们的内部结构分别如下图所示：5.1.1LED数码管的结构及原理必要提示：如何判断数码管的结构是共阳极还是共阴极，以及如何用万用表测试数码管的极性及好坏呢？其实我们只要通过判断任意段与公共端连接的二极管的极性，就可以判断出所使用数码管是共阳极的还是共阴极的。这个大家可以自己使用万用表测试得试试看。5.1.1LED数码管的结构及原理三、LED数码管的字型编码从以上表格中可以看出，对于同一个字符，共阳极和共阴极数码管的字型编码是互反的。5.1.2LED数码管静态显示以下是两位数码管静态显示的接口电路，两个共阳极数码管的段码分别由单片机的P1和P2口来控制，com公共端都接在+5V电源上。5.1.2LED数码管静态显示静态显示是指当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的公共端恒定接地(共阴极)或+5V电源(共阳极)。每个数码管的8个段控制引脚分别与一个8位的端口相连。只要I/O端口有显示字型码输出，数码管就显示给定的字符，并保持不变，直到I/O端口输出新段码。5.1.2LED数码管静态显示经验提示：采用静态显示方式，从较小的电流就可获得较高的亮度，且占用CPU的时间少，编程简单，显示便于监测和控制，但占用单片机的I/O端口线多，n位数码管的静态显示需占用n个8位的I/O端口，所以限制了单片机连接数码管的个数，同时硬件电路复杂，成本高，适合显示位数较少的场合。我们可以通过任务20(使用两位数码管设计的00~59s简易秒表)来了解数码管静态显示方式的接口电路和编程方法。5.1.3LED数码管动态显示以下是用动态显示方式点亮6位共阳极数码管的电路图。图中将各个共阳极数码管相应的段选控制端并联在一起，仅用一个P1口控制，用八同相三态缓冲器/线驱动器74LS245驱动。各位数码管的公共端，也称做“位选端”，由P0口控制，用六反相器74LS04驱动。5.1.3LED数码管动态显示5.1.3LED数码管动态显示下面我们来编制在6位数码管上稳定显示“012345”6个字符的动态显示程序。动态显示技术是一种按位轮流点亮各位数码管的显示方式，即在某一时段，只让其中一位数码管的“位选端”有效，并送出相应的字符显示编码。此时，其他位的数码管因“位选端”无效而都处于熄灭状态；下一时段按顺序选通另外一位数码管，并送出相应的字型显示编码，按此规律循环下去，即可使各位数码管分别间断地显示出相应的字符。这一过程称为动态扫描显示。5.1.3LED数码管动态显示下面我们来针对以上电路编制一段程序，其功能就是上图中的6位数码管上稳定显示“012345”6个字符。5.1.3LED数码管动态显示5.1.3LED数码管动态显示5.1.3LED数码管动态显示与静态显示方式相比，当显示位数较多时，动态显示方式可节省I/O端口资源，硬件电路简单；但其显示的亮度低于静态显示方式；由于CPU要不断地依次运行扫描显示程序，将占用CPU更多的时间。若显示位数较少，采用静态显示方式更加简便。5.1.3LED数码管动态显示请大家思考：如果在LED数码管动态显示程序中，把延时50ms函数修改为延时1s，LED数码管显示会有什么变化，为什么？答案是6个数码管上轮流显示“012345”，间隔时间为1s，不能稳定显示。具体原因是人的眼睛存在“视觉驻留效应”，必须保证每位数码管显示间断的时间间隔小于眼睛的驻留时间，才可以给人一种稳定显示的视觉效果，如果延时时间太长，每位数码管闪动频率太慢，就不能产生稳定的显示效果。5.2LED大屏幕显示器和接口主要知识点：1.LED大屏幕显示器的结构和原理2.LED大屏幕显示器接口3.LED大屏幕显示器扩展5.2.1LED大屏幕显示器结构及原理LED大屏幕显示器不仅能显示文字，还可显示图形、图像，并且能产生各种动画效果，是广告宣传、新闻传播的有力工具。LED大屏幕显示器不仅有单色显示，还有彩色显示，其应用越来越广泛，已渗透到人们的日常生活之中。LED点阵显示器是把很多LED发光二极管按矩阵方式排列在一起，通过对每个LED进行发光控制，完成各种字符或图形的显示。最为常见的LED点阵显示模块有5×7(5列7行)，7×9(7列9行)，8×8(8列8行)结构。5.2.1LED大屏幕显示器结构及原理LED点阵由一个一个的点（LED发光二极管）组成，总点数为行数与列数之积，引脚数为行数与列数之和。我们将一块8×8的LED点阵剖开来看，其内部等效电路如下图所示。它由8行8列LED构成，对外共有16个引脚，其中8根行线(Y0~Y7)用数字0~7表示，8根列线(X0~X7)用字母A~H表示。5.2.1LED大屏幕显示器结构及原理5.2.1LED大屏幕显示器结构及原理从图中可以看出，要点亮跨接在某行某列的LED发光二极管的条件是：对应的行输出高电平，对应的列输出低电平。如果在很短的时间内依次点亮多个发光二极管，我们就可以看到多个发光二极管稳定点亮，即看到要显示的数字、字母或其他图形符号，这就是动态显示原理。5.2.1LED大屏幕显示器结构及原理下面介绍如何用LED大屏幕稳定显示一个字符。假设需要显示“大”字，则8×8点阵需要点亮的位置如下图所示。5.2.1LED大屏幕显示器结构及原理显示字符“大”的过程如下：先给第一行送高电平（行高电平有效），同时给8列送11110111（列低电平有效）；然后给第二行送高电平，同时给8列送11110111，……最后给第八行送高电平，同时给8列送11111111。每行点亮延时时间为1ms，第八行结束后再从第一行开始循环显示。利用视觉驻留现象，人们看到的就是一个稳定的“大”字。5.2.2LED大屏幕显示器接口一、一个8×8LED点阵与单片机的接口用单片机控制一个8×8LED点阵需要使用两个并行端口，一个端口控制行线，另一个端口控制列线。显示过程以行扫描方式进行，扫描显示过程是每次显示一行8个LED，显示时间称为行周期，8行扫描显示完成后开始新一轮扫描，这段时间称为场周期。行与行之间的延时1~2ms。延时时间受50Hz闪烁频率的限制，不能太大，应保证扫描所有8行(即一帧数据)所用时间之和在20ms以内。5.2.2LED大屏幕显示器接口二、LED大屏幕显示的扩展5.2.2LED大屏幕显示器接口如以上电路所示，该电路是由4片8×8LED点阵组成的16×16LED点阵与单片机之间的接口电路。其中片(1)与片(2)的行并联在一起组成ROW0~ROW7，片(3)与片(4)的行并联在一起组成ROW8~ROW15；片(1)与片(3)的列并联在一起组成COL0~COL7，片(2)与片(4)的列并联在一起组成COL8~COL15，然后用P1和P3外加驱动74LS245控制行信号ROW0~ROW15，用P0和P2外加限流电阻控制列信号COL0~COL15。行与行之间延时1ms，保证扫描所有16行所用时间之和在20ms以内。