《单片机一体化应用技术基础》项目五 数码管一体化应用设计

单片机一体化应用技术基础

本项目主要介绍利用单片机引脚输出控制LED数码管显示，通过仿真实例、标准PCB板LED设计与制作，介绍对常见LED数码管的综合设计与应用。项目五

数码管一体化应用设计

利用ProteusISIS、ProtelDXP2004两平台完成两位LED数码管的原理图、PCB板连接设计。结合单片机标准PCB板，40路快充工作站PCB主板，分别进行2个、4个LED数码管从仿真设计到实际PCB设计显示输出控制的一体化程序设计。

通过KeilC完成“521”（我爱你）的LED数码管仿真设计、键盘控制显示LED数码管程序的设计与编译，并进行仿真调试，最终完成HEX文件的准备。项目五

数码管一体化应用设计◎教学目标

通过本项目的学习，设计出一个属于自己的“倒计时显示的交通信号灯”，进一步完善单片机系统电路一体化应用思维的构建。◎教学提示

通过三个平台的综合一体化软、硬件设计，重点培养学生进行单片机系统数码显示电路的动手制作，独立完成数码管电路仿真运行和数码管PCB设计及综合程序设计。项目五

数码管一体化应用设计眼见为识——LED数码管就在我们身边生活中常见的LED数码管及应用如下图(a)、(b)、(c)所示。（a）各款LED数码管

（b）LED数码管显示屏（c）应用大量LED数码管的全国电子大赛电路板任务一初识LED数码管

LED数码管及其内部电路如下图所示。眼见为识——LED数码管就在我们身边任务一初识LED数码管融会贯通——LED数码管电气符号及封装

在不同的电子CAD设计软件中，LED数码管电气符号不尽相同，如下图所示。任务一初识LED数码管理实并进——LED数码管静态连接

LED数码管静态显示连接的优点是被显示数据只要送入并行口后就不再需要CPU干预，因而显示效果稳定。此连接的缺点是LED数码管占用单片机端口资源较多。在下图图中，LED数码管采用共阳极连接，字形段码通过P0端口输出控制，仿真程序运行点亮LED数码管显示字形“H”。任务一初识LED数码管LED数码管共阳极连接及显示字符“H”理实并进——LED数码管静态连接任务一初识LED数码管“LED数码管共阳.c”源程序编译通过窗口理实并进——LED数码管静态连接任务一初识LED数码管加载“LED数码管共阳.HEX”程序对话框理实并进——LED数码管静态连接任务一初识LED数码管快乐升级——LED数码管引脚测量

用万用表测量LED数码管找公共共阴端和公共共阳端。

首先，找个电源（3V～5V）和不同规格的电阻，VCC串接一只电阻后和GND接在数码管的任意2个引脚上，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，用VCC（串电阻）逐个碰剩下的引脚，如果有多个LED（一般是8个）发光，那它就是共阴的。相反VCC不动，用GND逐个碰剩下的引脚，如果有多个LED（一般是8个）发光，那它就是共阳的。任务一初识LED数码管利用ProtelDXP2004设计完成如下图所示标准单片机系统电路原理图。

眼见为识——LED数码管电路设计任务二

数码动态显示原理图设计利用ProtelDXP2004设计完成如下图所示的LED数码.PCBDOC布线电路板图。

眼见为识——LED数码管电路设计任务二

数码动态显示原理图设计利用Proteus设计完成如下图所示的两位数码动态扫描显示字符显示原理图。

眼见为识——LED数码管电路设计任务二

数码动态显示原理图设计利用Proteus设计完成如下图所示的八位数码动态扫描显示字符显示原理图。

眼见为识——LED数码管电路设计任务二

数码动态显示原理图设计融汇贯通——静态LED数码管原理图设计

利用ProtelDXP2004，打开项目四中的“心”形LED彩灯电路电路原理图，将其另存。然后通过系统MiscellaneousDevice库添加14.2mmLED数码管，Libraries库如右图所示。

任务二

数码动态显示原理图设计添加14.2mmLED数码管后的电路原理图如下图所示。融汇贯通——静态LED数码管原理图设计任务二

数码动态显示原理图设计总线、分支线及标号添加完成的LED数码管效果图如下图所示。融汇贯通——静态LED数码管原理图设计任务二

数码动态显示原理图设计理实并进——LED数码管动态显示设计一、完成“眼见为识”P0端口两位LED数码管动态扫描显示设计程序见任务四。主要操作步骤如下：1.选择“7SEG-MPX2-CC-BLUE”LED器件。任务二

数码动态显示原理图设计2.参考上一步或结合项目三中的仿真元器件添加、删除、移动、复制、旋转等相关基本操作，完成排阻RN1（100Ω）添加、导线连接、段码、位码控制标号及对应端口标号的添加。完成结果如右图所示。理实并进——LED数码管动态显示设计任务二

数码动态显示原理图设计二、设计一个由8位LED数码管组成的1个字符滚动屏基本操作同上面的例子。完成结果如下图所示。理实并进——LED数码管动态显示设计任务二

数码动态显示原理图设计完成后的用二进制拨码开关控制显示电路原理图理实并进——LED数码管动态显示设计任务二

数码动态显示原理图设计8路同相三态双向总线收发器构成显示电路的实例。

快乐升级——LED数码管PCB设计

接下来，我们进一步将本任务“融汇贯通”中的单片机系统电路原理图进行标准的LED数码管PCB设计。核心步骤如下：1.打开“5-2-1LED数码管.SCHDOC”原理图，单击Design|UpdatePCBDocument5-2-1LED数码管.PcbDoc命令，如下图所示。

任务二

数码动态显示原理图设计2.执行项目更改操作。任务二

数码动态显示原理图设计快乐升级——LED数码管PCB设计执行的更改操作更新网络表对话框3.向PCB编辑区导入LED数码管和电阻。导入LED数码管和电阻PCB编辑窗口任务二

数码动态显示原理图设计快乐升级——LED数码管PCB设计4.更新K1～K4四个按键和RST键封装效果图。任务二

数码动态显示原理图设计快乐升级——LED数码管PCB设计5.完成100%布线的Messages反馈信息框。任务二

数码动态显示原理图设计快乐升级——LED数码管PCB设计课外阅读——PCB布线规则设置

导线布设：应尽量走短线，特别是对小信号而言，10mil左右。导线形状：同一层导线改变方向时，应走斜线。电源线与地线的设计：40～150mil或更高，高频线用地线屏蔽。多层板走线方向：相互垂直，层间耦合面积最小；禁止平行走线。焊盘设计要合理控制。任务二

数码动态显示原理图设计眼见为识——作品展示一、循环显示“89S52”仿真设计Proteus仿真设计电路原理图及程序仿真运行效果如下图所示。“89S52”仿真电路原理图设计LED数码管显示“89”效果任务三

实战LED数码管电路板LED发光二极管显示“S”效果LED数码管显示“89”效果眼见为识——作品展示任务三

实战LED数码管电路板一、循环显示“89S52”仿真设计Proteus仿真设计电路原理图及程序仿真运行效果如下图所示。二、LED发光二极管和LED数码管显示器实物电路板设计手工板全貌LED发光二极管和LED数码管显示器完成“89S52”实物电路板过程显示，如下图所示。

眼见为识——作品展示任务三

实战LED数码管电路板二、LED发光二极管和LED数码管显示器实物电路板设计LED发光二极管和LED数码管显示器完成“89S52”实物电路板过程显示，如右图所示。

眼见为识——作品展示任务三

实战LED数码管电路板融汇贯通---材料准备

首先，准备好项目四中的“心”形LED彩灯手工电路板，以及一些相关材料：LED发光二极管（13个），LED数码管（2只，型号为LG5011BSR。

这里我们特别准备了导线——电脑中的排线、网线，不仅节约购买材料的成本，而且排线也非常的实用、好用，信号传输相当好！电脑中的排线实物如下图所示。任务三

实战LED数码管电路板理实并进---实战操作一、元器件布局摆放二、导线焊接各种“导线”实际焊接效果LED并联后的正极性端连接手工板电源任务三

实战LED数码管电路板三、“S”的焊接及连接

组成“S”形的二极管正负极性端的连接效果如下图。理实并进---实战操作任务三

实战LED数码管电路板四、数码管及插针实际安装焊接效果如前面图所示。五、共阳极公共端（VCC）实际电源分配图理实并进---实战操作任务三

实战LED数码管电路板六、LED数码管线序连接

依据本项目任务一中的数码管元件结构符号，将a,b,c,d,e,f,g,dp焊接插针导线。七、P0、P2端口导线焊接P0、P2端口导线与扩展插针焊接实物图理实并进---实战操作任务三

实战LED数码管电路板快乐升级——“521”（我爱你）硬件设计一、“521”（我爱你）硬件仿真设计

在“心”形设计基础上，用LED数码管显示器完成“521”（我爱你）的仿真电路原理图设计，如图（a）所示。（a）“心”形的“521”（我爱你）仿真电路原理图任务三

实战LED数码管电路板二、“521”（我爱你）硬件PCB设计

接下来进行Protel

“521”(我爱你)PCB电路板数码原理图的设计，如下图所示。LED数码管及插针端口标注完成快乐升级——“521”（我爱你）硬件设计任务三

实战LED数码管电路板二、“521”（我爱你）硬件PCB设计

利用Protel完成“521”(我爱你)PCB电路板图的设计，如右图所示.“心”形加LED数码管“521”PCB及3D设计快乐升级——“521”（我爱你）硬件设计任务三

实战LED数码管电路板眼见为识——数字显示1.利用Protel设计完成的标准单片机Pcb板，将程序烧录到AT89S52芯片中，加电显示效果如下面两图所示。

任务四“心”中“521”程序编译与烧录2.打开项目四中的“心”形LED花样流水灯仿真原理图设计，通过适当的修改，在P0、P2、P3端口添加三位LED数码管，加载程序仿真运行心中“521”数字彩灯同时闪亮，效果如下图所示。眼见为识——数字显示任务四“心”中“521”程序编译与烧录融汇贯通——LED数码管显示控制一、两位LED数码管动态显示“78”程序设计

源程序代码编辑窗口任务四“心”中“521”程序编译与烧录

仿真运行电路原理图如下面两图所示。个位显示数字8运行效果十位显示数字7运行效果融汇贯通——LED数码管显示控制任务四“心”中“521”程序编译与烧录一、两位LED数码管动态显示“78”程序设计二、八位LED数码管动态显示数字“0～7”程序设计

程序编辑及编译通过窗口融汇贯通——LED数码管显示控制任务四“心”中“521”程序编译与烧录二、八位LED数码管动态显示数字“0～7”程序设计

显示数字“3”的仿真电路运行效果融汇贯通——LED数码管显示控制任务四“心”中“521”程序编译与烧录理实并进——LED数码管实际应用设计一、LED数码管和LED二极管显示“89S52”程序设计

1.电路原理图，见本项目任务三中的“89S52”仿真电路原理图。2.程序分析：因为电路原理图中LED数码管采用静态端口显示方法连接，故程序控制显示稳定，只关注延时和并联的LED。3.用较简便的代码去控制各个端口的输出，参考源程序代码见教材。任务四“心”中“521”程序编译与烧录二、“心”与“521”（我爱你）花样显示程序设计

LED部分亮和显示”52”运行效果图数码管只显示“521”运行效果图理实并进——LED数码管实际应用设计任务四“心”中“521”程序编译与烧录快乐升级——LED数码管程序设计升级一、8位二进制拨码开关控制显示“000～255”程序设计

程序初始运行拨低四位码开关显示数值任务四“心”中“521”程序编译与烧录二、学生出勤记录器程序设计

学生出勤记录器原理图快乐升级——LED数码管程序设计升级任务四“心”中“521”程序编译与烧录

程序源代码如下：快乐升级——LED数码管程序设计升级任务四“心”中“521”程序编译与烧录眼见为识——交通信号灯倒计时显示控制

采用两位动态共阳极的LED数码管进行交通灯时间的倒计时显示输出，完成LED数码管倒计时的交通灯显示仿真电路原理图如下图所示。

任务五

倒计时交通灯设计与仿真

手工交通灯电路板设计的仿真电路原理图（LED采用静态连接）及仿真运行效果如下图所示。

南北绿灯15s倒计时开始原理图及仿真运行效果眼见为识——交通信号灯倒计时显示控制任务五

倒计时交通灯设计与仿真

南北绿灯15s倒计时标准PCB板、手工板运行效果眼见为识——交通信号灯倒计时显示控制任务五

倒计时交通灯设计与仿真

手工交通灯电路板设计的仿真电路原理图（LED采用静态连接）及仿真运行效果如下图所示。融会贯通——AT89S52的定时/计数器1．AT89S52片内集成了3个16位定时/计数器定时，就是设定计数时间，计满设定时间立即停止计数，并立即向CPU发出设定时间到达信号，请求CPU进一步处理，从而实现定时功能。当定时/计数器设定为定时方式时，其计数脉冲来源于时钟振荡器的12分频。当振荡频率确定后，则机器周期也就确定。2、定时/计数器的控制与状态寄存器TMOD-定时/计数器0和1的工作方式寄存器，如下表所示。任务五

倒计时交通灯设计与仿真理实并进——LED数码管程序设计及电路仿真运行任务一：实现LED数码管9s计时显示效果。程序代码见教材或参考教学资料包。9s计时的仿真电路原理图任务五

倒计时交通灯设计与仿真任务一：实现LED数码管9s计时显示效果。仿真电路运行效果如下图。9s计时的仿真电路运行效果图理实并进——LED数码管程序设计及电路仿真运行任务五

倒计时交通灯设计与仿真任务二：利用单片机标准PCB电路板扩展插针，连接手工LED交通灯电路板，进行仿真设计，并进行交通灯实物调试。手工交通灯电路板设计的仿真电路原理图理实并进——LED数码管程序设计及电路仿真运行任务五

倒计时交通灯设计与仿真任务二：利用单片机标准PCB电路板扩展插针，连接手工LED交通灯电路板。确认连接P1端口、标准电源VCC（PCB板上的+5V标号）的导线连接位置，特别注意P1端口扩展插针的位置及标号顺序，如下图所示。确认P1端口、标准电源的导线连接位置

手工LED交通灯连接标准PCB板的实物效果理实并进——LED数码管程序设计及电路仿真运行任务五

倒计时交通灯设计与仿真任务二：利用单片机标准PCB电路板扩展插针，连接手工LED交通灯电路板，加电试运行程序，单片机扩展插针连接手工LED交通灯运行过程效果如下图（a）、（b）所示。(a)南北路口黄灯3s倒计时开始显示效果(b)南北路口红灯10s倒计时开始显示效果理实并进——LED数码管程序设计及电路仿真运行任务五

倒计时交通灯设计与仿真快乐升级——定时器编程控制

定时器编程主要是对定时/计数器进行初始化。由于定时/计数器的功能是由软件编程控制的，所以在启动它之前，CPU必须将一些命令控制字写入定时/计数器中，这个过程称为定时/计数器的初始化。例1

设系统时钟频率为12MHz，用定时/计数器T0编程实现从P2.0输出周期为500μs的方波。任务五

倒计时交通灯设计与仿真例2设系统时钟频率为12MHz，编程实现从P2.1输出周期为1s的方波。

以上例题分析及程序设计，请参考教材。眼见为识——4×4键盘设计1.利用ProteusISIS平台完成4ⅹ4仿真键盘、LED数码管显示输出的设计原理图，如下图所示。

任务六

4ⅹ4键盘设计与仿真2.利用ProtelDXP2004平台，完成STC90C58RD+单片机控制40路快充设备中四位LED数码管及4ⅹ4键盘设计部分的原理图及PCB图，如下图所示。四位LED数码管及4ⅹ4键盘设计部分的原理图LED数码管及4ⅹ4键盘设计部分PCB板图眼见为识——4×4键盘设计任务六

4ⅹ4键盘设计与仿真2.利用ProtelDXP2004平台，完成STC90C58RD+单片机控制40路快充设备中四位LED数码管及4ⅹ4键盘设计部分的PCB实物图、焊接图，如下图所示。四位LED数码管及4ⅹ4键盘设计部分板图及实物焊接图（含敷铜）眼见为识——4×4键盘设计任务六

4ⅹ4键盘设计与仿真融汇贯通——细说电阻一、上拉电阻P0端口为什么要加上拉电阻呢？

因为P0端口作为I/O口输出的时候输出低电平为0，输出高电平为高组态（并非5V，相当于悬空状态）。也就是说P0端口不能真正的输出高电平给所接的负载提供电流，因此必须接上拉电阻（将电阻连接到VCC），由电源通过这个上拉电阻给负载提供电流。二、贴片电阻贴片电阻在实际电子产品设计中已经大量使用。为客户制作实际电子产品，在满足客户需要的情况下，公司要求我们要考虑设计制作和产品开发成本。红外热释感应LED灯PCB焊接板实物图任务六

4ⅹ4键盘设计与仿真理实并进——4ⅹ4键盘程序设计及电路仿真运行任务一：矩阵键盘设计的原理

按键的控制方式：先判断是否有键按下，如有，再判断哪一键按下，并得到键码值，然后根据键码值转向不同的功能程序。矩阵式结构键盘比独立式按键要复杂，所以识别也要复杂一些。最常用的识别方法是键盘行列扫描法。核心是判别闭合键的键号。P1端口交叉线（键盘）示意图各键和对应的键码值表任务六

4ⅹ4键盘设计与仿真任务二：键盘控制输出0～F

实现16个键盘对应0～F这16个数字和字符，这