摘要：针对单片机原理课程中数码管动态显示方式的教学难点，设计了一种可通过按键改变扫描频率的教具，直观展示了动态扫描的工作原理。教具以8051单片机为核心，涵盖了系统的软硬件设计和数码管的动态驱动原理。该教具与单片机原理课程联系紧密，使用简单，能激发学生学习兴趣，促进学生能力牵移。
关键词：数码管；教具；单片机；动态扫描
中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）04-0141-03
数码管的显示分为静态驱动方式和动态扫描方式。静态驱动的方法使用了单片机较多的I/O口，一般将需要显示的内容存储在寄存器中，接线方式直观，理解较为简单。在显示模块设计或基于单片机的简单应用中，一般采用动态扫描方法驱动多位数码管，学生理解与编程有一定的困难[1-3]。为配合课堂教育改革，将翻转课堂引入教学实践，需要引导学生探究数码管的显示方式，掌握数码管的动态驱动方式，我们设计了数码管动态显示教具[4-6]。
1 总体设计
该教具的硬件由单片机STC89C52为核心，I/O口扩展了4位8字数码管、按键和有源蜂鸣器构成[7]。通过按键的按压可以动态改变扫描频率，通过蜂鸣器发出声音提醒扫描频率发生了改变，系统结构如图1所示。
在STC89C52最小系统板的基础上，在P0口和P2口扩展了4位共阳极8字数码管，采用扫描方式驱动，扫描的频率由间隔时间决定。初始状态，扫描频率为每秒2次，可以清晰看到4位数码管依次被点亮。当触发按键时，数码管的扫描频率将增加，同时蜂鸣器发声，提示频率已经修改。每按一次按键，扫描会加快一倍，共10级，当扫描频率接近25次/秒时，4位数码管的数字将稳定显示[8]。
2 硬件设计
如图1，STC单片机最小系统共扩展了3个I/O器件。图1中的按键对应于图2的K1。图1中的蜂鸣器对应于图2中的P3.7引脚的扩展部分：R2、R3、S8550、Buzzer。4位共阳极数码管模块对应于图2的右上角的限流电阻RN1（阻值为510欧姆的排阻）、74LS245和4只0.5英寸的共阳极数码管。74LS245是双向总数驱动芯片，用于增强单片机P2口的驱动能力。图2中数码管下方“ABCDEFG”为字型码驱动引脚，“DP”为小数点驱动；“1234”为4个数码管的字选线，共阳极接法。当P2接高电平时，通过U2的驱动，可以直接驱动0.5英寸的数码管。当P2.0为高电平，P0口输出低电平，将点亮第1位数码管，P2.1为高电平时，将点亮第2位数码管，依次类推。P0口送不同的字型码即可显示不同的字符[8]。制作印刷电路板（PCB）布线时，将数码管的字型码驱动和位线尽量在PCB的同一面上，并且将“字型码驱动”和“位选”放在丝印层上，以方便学生研究学习。
3 软件设计
动态扫描利用了人眼的视觉暂留效应，时间大约是0.1～0.4ms，一般刷新率取24以上，即每秒钟每个数码管必须被点亮24次以上，人眼才能看到稳定的图像[9]。显然扫描是不能中断的，假如有4位数码管需要驱动，扫描的最大间隔是1/24/4，即10ms，如果单片机在扫描时需要处理其它事件，中断的时间必须小于这个值，否则显示就不稳定。本教具设计了一个按键K1，用于改变扫描频率；设计了一个有源蜂鸣器，用来提示频率发生了改变。按键不能采用扫描的方式读取，而是采用了外部中断的方式，节省了执行时间。蜂鸣器的打开时间采用定时器来控制，按键中断启动定时器，打开蜂鸣器。定时器时间一到，由定时中断关闭蜂鸣器。软件开发基于Keil C51，设计阶段采用Proteus仿真，软件处理流程如图3所示。
3.1 数码管的动态扫描方式
扫描流程[10]如图3（a）所示。
数码管的字型码为：
uchar code DSY_CODE[]=
{
0xc0，0xf9，0xa4，0xb0，0x99，0x92，0x82，0xf8，0x80，0x90，0x88，0x83，0xc6，0xa1，0x86，0x8e
}； //0-9，A-F
扫描间隔采用数组预定义：
unsigned char intVal[]={250，200，100，50，25，12，10，9，8，7}；//扫描间隔
数码管显示的字符序号放在数组lcd中：
Unsigned char lcd[]={1，2，3，4}； //初始显示为"1，2，3，4"
图3（a）中“送位选”指的是依次送P2.0， P2.1， P2.2， P2.3高电平，即依次点亮1至4位数码管，当扫描的频率超过人眼的视觉暂留时间后，即可看到稳定的数字显示。
3.2 按鍵K1的触发，修改扫描频率
K1按键采用外部中断方式触发[11]。中断服务程序将修改数码管的扫描间隔：250，200，100，50，25，12，10，9，8，7，单位为毫秒。每按一次，扫描间隔减少约一半。为看清动态显示过程，后面的几次间隔逐渐减小。为了吸引学生的注意，每按一次按键，让蜂鸣器发出声音。蜂鸣器采用有源蜂鸣器，P3.7输出低电平，驱动三极管Q1工作于饱和态，BUZ1发声。K1按键中断服务程序中同时启动定时器T0，在T0定时器溢出中断中关闭蜂鸣器，达到发声的短延时。
3.3 蜂鸣器发声，提示频率改变
在T0定时器中断服务程序[12]中令P3.7为高电平，三极管Q1工作于截止态，BUZ1停止发声。由于按键和蜂鸣器处理采用了中断和定时器的方法，语句执行时间极短，不影响数码管的动态扫描效果。
4 结语
数码管动态显示是单片机的重要输出方式，本设计以8051最小系统为基础，扩展了按键输入和蜂鸣器输出模块，调用了外部中断和定时器中断，将各个知识点有机地联系在一起，形成了一套集声光电一体的教学演示模板，清晰展示了数码管动态显示原理，激发了学生学习兴趣，方便了教师的使用，提高了实验课程的教学效果。
参考文献
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