led数码管显示方法及原理

对于人机交互式单片机系统来说，不仅需要响应用户输入，同时也需要将一些测控信息输出显示。这些显示信息可以提供实时的数据或图形结果，以便于掌握系统的状态并进行分析处理。目前，在单片机中最常用的是LED数码管显示。其成本低廉、使用简便，可以显示数字或几个特定的字符。本章将主要介绍LED数码管的种类与结构，以及使用51系列单片机如何实现显示，包括静态显示和动态显示。本章还通过实例介绍了单个LED和多个LED的使用方法。

1 LED数码管概述：

• LED即发光二极管，英文全称为Light Emitting Diode。单独的发光二极管便是一个最简单的LED，通过控制其的亮灭来作为信号指示，一般用于电源指示灯、工作状态指示等。单个的发光二极管使用比较简单。
• LED数码管是由若干个发光二极管组成的显示字段的显示器件，一般简称为数码管。当数码管中的某个发光二极管导通的时候，相应的一个字段便发光，不导通的则不发光。LED数码管可以根据控制不同组合的二极管导通，来显示各种数据和字符。
• 单片机应用系统中使用最多的是7段LED，其可以显示十进制数字以及一些英文字符。7段LED显示模块可以分为共阴极和共阳极两种，下面分别进行介绍。

1.1  7段共阳极LED结构及显示段码

• 7段共阳极LED数码管是由7个条形发光二极管和一个小数点位构成，其引脚配置，如图所示，其内部结构，如图所示。从图中可以看出，其中7个发光二极管构成字形“8”，可以用来显示数字，另一个发光二极管构成小数点。因此，这种数码管有时也被称为8段LED数码管显示器。


1.2 7段共阴极LED结构及显示段码

• 共阴极7段LED数码管和共阳极LED数码管结构类似，其引脚配置，如图所示。从图中可以看出7段LED数码管同样由8个发光二极管组成，其中7个发光二极管构成字形“8”，另一个发光二极管构成小数点。

• 共阴极7段LED数码管的内部结构，如图所示。其中所有发光二极管的阴极为公共端，接GND。如果发光二极管的阳极极为高电平的时候，发光二极管导通，该字段发光；反之，如果发光二极管的阳极为低电平的时候，发光二极管截止，该字段不发光。



2 单个LED驱动实例

• 前面介绍了LED数码管的结构及其显示方式。LED数码管主要用于显示数字和一些特定的字符。这里通过一个具体的实例介绍一下，如何使用51系列单片机来进行数字和字母的显示。

2.1 电路图

• 本例主要用来使用共阳极LED数码管显示数字或字符，读者可以从中掌握LED数码管的基本操作方法。这里给出完整的电路原理图，如图所示。

 
2.2 程序设计

• 这里采用LED的静态显示的方式，根据按键的不同，使LED数码管有不同的显示输出。
• 1．创建项目
• 2．程序代码


 
3 多个LED驱动方式

• 在实际的单片机应用系统中，使用单个LED数码管的情况比较少，经常需要同时使用多个LED数码管来显示大于1位的数据或字符串。以4个LED数码管并列使用的情况为例。这4个数码管可以显示-999~9999之间的任何数字，也可以同时显示4个字符构成的字符串。可见使用多个LED数码管可以大大扩展显示的信息量。

• 对于使用单个LED数码管的场合，直接用单片机的一个并行口便可以控制显示。如果仍然采用这种方法来控制显示N个LED数码管显然是不太可能的，因为典型的8051单片机只有4个I/O并口，而且有些I/O口还需要用作其他用途。而对于一些多引脚的型号，通常也不够为每个LED分配一个I/O并口用于显示。此时便需要根据系统资源占用情况，来选用合理的显示控制方式。

3.1 静态驱动显示

• LED数码管静态显示方式是指，当数码管显示某个字符的时候，相应字段的发光二极管恒定地导通或者截止，即亮灭是完全不变的。在这种情况下，多个LED是同时显示的。

• 这里以4个共阴极LED数码管为例，如图所示。其公共端接GND，每个LED数码管的字段引脚分别接单片机的P0、P1、P2、P3端口，这样便可以为每个数码管单独赋值操作。


3.2 动态驱动显示

• 动态显示是指每隔一段时间循环点亮每个LED数码管，每次只有一个LED被点亮。根据人眼的视觉暂留效应，当循环点亮的速度很快的时候，可以认为各个LED是稳定显示的。

• 动态显示的硬件连接比较简单。这里使用了8个LED数码管，将所有LED的8段引脚并联在一起，连接到8位的I/O数据总线上。而各个LED的共阳极引脚或共阴极引脚分别由另一组I/O线控制， 从图中可以看出，使用两个8位的I/O端口便可以动态显示8位LED数码管。其中一个并口作为LED数码管的控制引脚，另一个并口作为公共的数据总线。
 
• 程序中采用扫描显示的方式，即在同一时刻，只使用一个LED显示数据。通过为共阴极LED（或共阳极LED）的公共引脚赋低电平（或高电平），从而选择某个LED显示。如此循环，使每个LED显示该LED应显示的数据，并进行适当的延时，形成视觉暂留效果。这样便可以达到动态显示的目的。

3.3 LED驱动器

• 前面介绍的LED的动态驱动显示在程序设计上比较复杂，实际上可以将相应的LED扫描动态显示电路交由特定功能的芯片来完成。目前，市场上有多种LED数码管显示驱动芯片。MAXIM公司生产的MAX7219显示驱动器。


4 多个LED驱动实例

• 前面介绍了各种驱动多个LED数码管的方法，其中以外接LED驱动器最为方便，占用单片机资源少，而且程序控制简单。这里便以实例讲解如何使用MAX7219芯片和51系列单片机来驱动多个LED数码管。

4.1 LED驱动器电路图
• 系统完整的电路图，如图所示。这里的单片机选用ATMEL公司的新型单片机AT89S51，也可以采用其他兼容的51系列单片机，如AT89S52、AT89C51、8051等。


 4.2 程序设计
• 本例的程序功能是演示MAX7219的各个寄存器操作，以及控制8个LED数码管显示数字及字符。


5 小结

• 本章详细介绍了LED数码管显示器件，包括共阳极7段LED数码管和共阴极7段LED数码管，然后介绍了LED的静态显示技术及其应用实例。本章还重点讲解了LED数码管的动态显示技术，包括静态驱动、动态驱动和LED驱动器驱动。最后通过一个具体的实例讲解了使用LED驱动器控制多个LED的显示。LED数码管显示是单片机系统中常用的显示接口，读者应该熟练掌握其使用方法。