B001-Atmega16-数码管

时间：2016-09-28 13:13:37 阅读：285 评论：0 收藏：0 [点我收藏+]

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一步步完成数码管

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开发环境：AVR Studio 4.19 + avr-toolchain-installer-3.4.1.1195-win32.win32.x86
芯片型号：ATmega16
芯片主频：8MHz

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第一步：产生1ms的时基

说明：
1、使用定时器0的CTC中断产生1ms的时基信号，CTC模式下时自动重装初值、比较方便。
2、使用OCF0中断、不需要OC0引脚输出波形。

代码：

Drv_Timer.h中的相关定义：

// ----------------------------------------------------------------------------------------------------------
// 定时器中断模式
typedef enum 
{
    INT_MODE_TOV = 0,
    INT_MODE_OCF = 1,
    INT_MODE_ICF = 2,
    INT_MODE_OCF1A = 3,
    INT_MODE_OCF1B = 4
} TIMER_INT_MODE;

// 定时器比较匹配引脚输出模式
typedef enum 
{
    COM_MODE_NONE   = 0,
    COM_MODE_TOGGLE = 1,
    COM_MODE_CLEAR  = 2,
    COM_MODE_SET    = 3,
} TIMER_COM_MODE;

// 定时器0
typedef enum 
{
    T0_WGM_NOMAL     = 0,
    T0_WGM_PHASE_PWM = 1,
    T0_WGM_CTC       = 2,
    T0_WGM_FAST_PWM  = 3,

    T0_CLK_SOURCE_NONE     = 0,
    T0_CLK_SOURCE_CLK_1    = 1,
    T0_CLK_SOURCE_CLK_8    = 2,
    T0_CLK_SOURCE_CLK_64   = 3,
    T0_CLK_SOURCE_CLK_256  = 4,
    T0_CLK_SOURCE_CLK_1024 = 5,
    T0_CLK_SOURCE_T0_FALL  = 6,
    T0_CLK_SOURCE_T0_RAISE = 7
} TIMER0_MODE;

Drv_Timer.c中的操作函数：

// ==========================================================================================================
// TIMER0 初始化
// 
// 参数：wave_mode       工作模式/波形产生模式选择
//       OC_mode         比较匹配/PWM输出模式选择
//       clk_source      时钟源和预分频选择
// 
// 写TCCR0时需要清除bit7=FOC0
// 
// 定时器溢出周期 T = ((1.0 / 8000000) * 1000000) * clk_source * 256 ( @ 8MHz )
// ==========================================================================================================
void Drv_Timer0_init(const uint8_t wave_mode, const uint8_t com_mode, const uint8_t clk_source)
{
    uint8_t wgm00,wgm01;

    wgm00 =  wave_mode & 0x01;
    wgm01 = (wave_mode & 0x02) >> 1;

    // 写TCCR0时需要将bit7=FOC0清0
    TCCR0 = (wgm00 << 6)|               // 工作模式/波形产生模式选择
            (wgm01 << 3)|
            ((com_mode & 0x03)   << 4)| // 比较匹配/PWM输出模式选择
            ((clk_source & 0x07) << 0); // 时钟源和预分频选择
}

// ==========================================================================================================
// TIMER0 中断使能
// 
// 参数：int_mode  = INT_MODE_TOV 或 INT_MODE_OCF 或 INT_MODE_ICF
//       enable    = ENABLE 或 DISABLE
// 
// 说明：
// 1、OC0引脚要先配置成比较匹配引脚、再修改数据方向寄存器DDB3
// 2、可以单独使能/禁止一种模式的中断
// 
// ==========================================================================================================
void Drv_Timer0_INT_Enable(const uint8_t int_mode, const uint8_t enable)
{
    if(INT_MODE_TOV == int_mode)
    {
        if(DISABLE == enable)
        {
            TIMSK &= ~(1 << TOIE0);
        }
        else
        {
            TIMSK |=  (1 << TOIE0);
        }
        TIFR |= (1 << TOV0);
        return ;
    }
    if(INT_MODE_OCF == int_mode)
    {
        if(DISABLE == enable)
        {
            TIMSK &= ~(1 << OCIE0);
        }
        else
        {
            TIMSK |=  (1 << OCIE0);
        }
        TIFR |= (1 << OCF0);
    }
}

// ==========================================================================================================
//      设置TCNT0和OCR0的值
// 
// (1). 在比较匹配下、OCR0需要在TCNT0被设置之后设置
// ==========================================================================================================
void Drv_Timer0_set_TCNT0_OCR0(const uint8_t tcnt0, const uint8_t ocr0)
{
    TCNT0 = tcnt0;
    OCR0  = ocr0;
}

sys_timer.c中设置定时器0，并在OCF0中断中使用PA1测试定时时间：

#include <avr/interrupt.h>
#include "Drv_Timer.h"
#include "sys_timer.h"

// ==========================================================================================================
//      系统任务定时器
// 
// (1). 使用Timer0产生1ms的时标
//      定时周期 T = ((1.0/8000000)*1000000)*64*(124+1) = 1000us = 1ms
// 
// ==========================================================================================================
void sys_timer_init(void)
{
    // 定时器0初始化：CTC模式、OC0引脚不连接、64预分频
    Drv_Timer0_init(T0_WGM_CTC, COM_MODE_NONE, T0_CLK_SOURCE_CLK_64);
    // 设置初值：TCNT0=0、OCR0=122
    Drv_Timer0_set_TCNT0_OCR0(0, 122);
    // 使能OCF0中断
    Drv_Timer0_INT_Enable(INT_MODE_OCF, ENABLE);
}

// ==========================================================================================================
//      系统定时器中断
// 
// (1). 使用Timer0的CTC中断调度各个任务
// 
// ==========================================================================================================
ISR(TIMER0_COMP_vect)
{
    PORTA ^= (1 << PA1); // 使用PA1测试定时周期
}

main.c中完成初始化，并设置IO：

// ==========================================================================================================
// 主函数
// ==========================================================================================================
#include <avr/io.h>
#include "Drv_Timer.h"
#include "system.h"
#include "sys_timer.h"
#include "config.h"

// ==========================================================================================================
// main函数
// ==========================================================================================================
int main(void)
{
    // ------------------------------------------------------------------------------------------------------
    // 关全局中断
    cli();

    // 系统初始化 ( 包含sys_timer_init() )
    sys_init();

    DDRA  |=   (1 << DDA0) | (1 << DDA1);
    PORTA &= ~((1 << PA0 ) | (1 << PA1 ));

    // OC0/PB3初始化为输出0
    DDRB  |=   (1 << DDB3);
    PORTB &= ~((1 << PB3 ));

    // 开全局中断
    sei();

    // ------------------------------------------------------------------------------------------------------
    while(1)
    {
    }
    return 0;
}

测试结果：

示波器输出如下：

1、PA1引脚输出方波，周期是2*1.0ms，引脚电平每隔1.0ms翻转一次。
使用OCR0=124、计算得到精确的1.0ms，但进入中断函数是需要花费时间的。
所以这里使用稍小的OCR0=122，让从中断产生到进入中断函数为止的时间更精确为1.0ms
有些计时功能会积累时基的误差、越到后面积累的误差越大，所以这里能精确就尽量做的精确些。
到此、1.0ms定时完成。
2、OC0引脚没有波形输出，我们也不需要用到这个引脚，就让他保持普通IO的特性吧。

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第二步：静态显示

说明：

1、这一步需要根据电路图、在指定的数码管上显示指定的符号。

1、数码管驱动电路图：

技术分享

电路中使用的是共阴极数码管：
1个数码管有8个LED，称为8段数码管。

共阴的意思是：
1、8个LED的负极都连接在com引脚
2、8个LED的正极对应8个引脚，编号分别为[Dp,g,f,e,d,c,b,a]

数码管的电压和电流：
点亮1个数码管所需的电流需要查看厂家给的数码管数据手册才知道。
如果没有数据手册，可以预估为10-20mA，电压预估为2V。

和普通LED一样、必要的时候需要加限流电阻。

在动态扫描中、每个数码管都是点亮几毫秒熄灭几十毫秒，并非一直点亮，所以不加限流电阻也行，除非是大电流数码管。

数码管的驱动芯片是74HC138和74HC573，他们的驱动电流足够点亮1个数码管：
技术分享

技术分享

2、共阴极数码管的点亮方式：

1、在引脚a输入高电平，引脚b-Dp输入低电平，在com引脚输入低电平。
那么，段[a]被点亮，段[Dp,g,f,e,d,c,b]都不亮。
也就是说、只有输入状态为高电平的段会被点亮。
2、在引脚b、c输入高电平，引脚a、d-Dp输入低电平，在com引脚输入低电平。
那么，段[b,c]被点亮，段[a,d,e,f,g,Dp]都不亮。
这时得到的图像就是数字‘1‘的图像，对应的段码[Dp,g,f,e,d,c,b,a]=0b00000110=0x06。
3、在引脚a、b、g、e、d输入高电平，引脚c、f、Dp输入低电平，在com引脚输入低电平。
那么，段[a,b,g,e,d]被点亮，段[c,f,Dp]都不亮。
这时得到的图像就是数字‘2‘的图像，对应的段码[Dp,g,f,e,d,c,b,a]=0b01011011=0x5B。
4、也就是说、com口为低电平的数码管被使能，如果它的段选中有不为0的段，这个段就会被点亮。

3、段码：

1、16个十六进制数字[0-9,A-F]的段码如下：

static const uint8_t segment_code[17]=
{
    0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,  // 0 - 9
    0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71,                      // A - F
    0x00                                                // 全部熄灭
};

最后一个值0x00就是全部LED段都不亮，用来熄灭数码管上所有LED段。
在电路中、74HC573的输出和输入保持一致，同时输出电流。

将这些段码赋予PORTB口就可以在74HC573的输出同样的电平数据，使得段[Dp,g,f,e,d,c,b,a]上得到对应的电平，对应的LED段就被点亮。

4、位选：

1、通过拉低某个数码管的com口、来使能这个数码管，这称为位选。
8个com口都连接在74HC138上，输出为低电平的引脚上连接的数码管将被选中。

74HC138的输入输出表如下：
技术分享
在电路中，使用PORTA[2:0]来对应74HC138的输入[A2,A0]。
74HC138的输入[A2,A0]映射到PORTA[2:0]就是下面的数组，用来分别使能第0位到第7位数码管：

static const uint8_t segment_index[8]= { 0,1,2,3,4,5,6,7 };

5、代码：

下面的代码用来在第0号数码管上、显示数字"5"。

Mod_LED_display.c：

#include <avr/interrupt.h>
#include "Mod_LED_Displayer.h"

// 段码(共阴 == 高电平点亮)
static const uint8_t segment_code[17]=
{
    0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,  // 0 - 9
    0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71,                      // A - F
    0x00                                                // 全部熄灭
};

// 位码(低电平使能)(使用74HC138选通位选)
// 分别使能第0号到第7号数码管(与之相与(&)来使能)
static const uint8_t segment_index[8]= { 0,1,2,3,4,5,6,7 };

// ==========================================================================================================
// LED数码管硬件初始化
// 
// ==========================================================================================================
void Mod_LED_display_init(void)
{
    // 数码位选选使能(74HC138芯片使能)
    DDRC  |= (1 << DDC7);
    PORTC |= (1 << PC7 );
    // 段选控制：PORTB初始化为：输出低电平
    DDRB  = 0xFF;
    PORTB = 0x00;
    // 位选控制：PORTA[2:0]初始化为：输出低电平(选中第0号数码管)
    DDRA  |=   (1 << DDA0) |(1 << DDA1) |(1 << DDA2);
    PORTA &= ~((1 << PA0 ) |(1 << PA1 ) |(1 << PA2 ));

    // LED数码管显示固定的数据 ------------------------------------------------------------------------------
    // 清除数码管显示
    PORTB  = segment_code[16];
    // 修改位选
    PORTA |= segment_index[7];
    PORTA &= segment_index[0];  // 第0号数码管
    // 修改显示
    PORTB  = segment_code[5];   // 数字'5'
}

main.c：

// ==========================================================================================================
// 主函数
// ==========================================================================================================
#include <avr/io.h>
#include "Mod_LED_Displayer.h"
#include "sys_timer.h"
#include "system.h"
#include "config.h"

// ==========================================================================================================
// main函数
// ==========================================================================================================
int main(void)
{
    // ------------------------------------------------------------------------------------------------------
    // 关全局中断
    cli();

    // 系统初始化 ( 包含Mod_LED_display_init() )
    sys_init();

    // 开全局中断
    sei();

    // ------------------------------------------------------------------------------------------------------
    while(1)
    {
    }
    return 0;
}

测试结果：

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1、现在可以在任一个数码管上、显示任一个十六进制数了。

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第三步：动态扫描

说明：
1、由静态显示到动态扫描经过了以下步骤：

(1). 在第一步的1ms定时中断中、每隔1000ms在第0号数码管上显示1个数字，

并依次循环显示16个十六进制数，检验所有段码。

(2). 在第一步的1ms定时中断中、每隔1000ms切换到下一个数码管，去显示一个固定的数字，

并依次循环切换这8个数码管，检验所有位码。

(3). 让8位数码管动态显示数值01234567。

也就是切换到第0号数码管时、显示数字‘0‘，后面的一次类推，每隔1ms切换一个数码管。

(4). 最后、让让8位数码管动态显示任意数值，超过8位的数值当然只能显示低8位(十进制)。

最终的代码经过了几次构造，以方便修改用于控制数码管的IO口。

代码如下：

Mod_LED_display.c：

#include <avr/interrupt.h>
#include "Mod_LED_Displayer.h"

// 段码(共阴 == 高电平点亮)
static const uint8_t segment_code[17]=
{
    0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,  // 0 - 9
    0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71,                      // A - F
    0x00                                                // 全部熄灭
};

// 位码(低电平使能)(使用74HC138选通位选)
// 分别使能第0号到第7号数码管(与之相与(&)来使能)
static const uint8_t segment_index[8]= { 0,1,2,3,4,5,6,7 };

// 数码管控制结构
typedef struct 
{
    uint8_t *seg_index; // 位选端口的数据
    uint8_t *seg_code;  // 段选端口的数据
    uint8_t  index;     // 使能第index数码管
    uint8_t  data[sizeof(segment_index)];   // 送给[0:7]号数码管去显示的8个数据
}T_SEG_LED_DISPLAY_CTRL,*pT_SEG_LED_DISPLAY_CTRL;

static T_SEG_LED_DISPLAY_CTRL LED_display_ctrl = { .seg_index = (uint8_t *)(&PORTA),
                                                   .seg_code  = (uint8_t *)(&PORTB),
                                                   .index = 0,
                                                   .data  = { 0,1,2,3,4,5,6,7 }
                                                  };
// 使用指针是为了在代码中使用'->'操作符来替代'.'操作符，更直观
static pT_SEG_LED_DISPLAY_CTRL p_LED_display_ctrl = &LED_display_ctrl;

// ==========================================================================================================
// LED数码管硬件初始化
// 
// ==========================================================================================================
void Mod_LED_display_init(void)
{
    // ------------------------------------------------------------------------------------------------------
    // 数码管位选使能(74HC138芯片使能)
    DDRC  |= (1 << DDC7);
    PORTC |= (1 << PC7 );
    // 段选控制：PORTB初始化为：输出低电平
    DDRB  = 0xFF;
    PORTB = 0x00;
    // 位选控制：PORTA[2:0]初始化为：输出低电平(选中第0号数码管)
    DDRA  |=   (1 << DDA0) |(1 << DDA1) | (1 << DDA2);
    PORTA &= ~((1 << PA0 ) |(1 << PA1 ) | (1 << PA2 ));
}

// ==========================================================================================================
//      LED数码管显示数据的刷新
// 
// (1). 在系统定时器中每隔1ms刷新1次
// 
// ==========================================================================================================
void Mod_LED_display_update(void)
{
#if 1
    // 熄灭当前数码管、用来避免余晖
    *p_LED_display_ctrl->seg_code = segment_code[sizeof(segment_code) - 1];
#endif

    // 切换到下1个数码管
    p_LED_display_ctrl->index++;
    if(p_LED_display_ctrl->index > (sizeof(segment_index) - 1))
    {
        p_LED_display_ctrl->index = 0;
    }

    // 修改位选、修改显示
    *p_LED_display_ctrl->seg_index |= segment_index[sizeof(segment_index) - 1];
    *p_LED_display_ctrl->seg_index &= segment_index[p_LED_display_ctrl->index];
    *p_LED_display_ctrl->seg_code   = segment_code[p_LED_display_ctrl->data[segment_index[p_LED_display_ctrl->index]]];
}

// ==========================================================================================================
// LED数码管显示(十进制)
// 
// ==========================================================================================================
void Mod_LED_display(uint32_t data)
{
    uint8_t temp  = 0;
    uint8_t index = 0;

    for(index = 0; index < sizeof(segment_index); index++)
    {
        // 取出最低位的数据
        if(0 == data) { temp = 0; }
        else          { temp = data % 10UL; }
        // 保存最低位的数据
        p_LED_display_ctrl->data[sizeof(segment_index) - index - 1] = temp;
        // 丢弃最低位的数据
        if(0 != data) { data = data / 10UL; }
    }
}

// ==========================================================================================================
// LED数码管显示(进制)
// 
// 1、可以显示十六进制、以及十六进制以内的进制
// 
// ==========================================================================================================
void Mod_LED_display_hex(uint32_t data, uint8_t hex)
{
    uint8_t temp  = 0;
    uint8_t index = 0;

    if((hex > 16) || (hex < 2)) { return ; }

    for(index = 0; index < sizeof(segment_index); index++)
    {
        if(0 == data) { temp = 0; }
        else          { temp = data % hex; }
        p_LED_display_ctrl->data[sizeof(segment_index) - index - 1] = temp;
        if(0 != data) { data = data / hex; }
    }
}

在sys_timer.c中，每隔1ms刷新一次数码管：

// ==========================================================================================================
//      系统定时器中断(中断周期=1ms)
// 
// (1). 使用Timer0的CTC中断调度各个任务
// 
// ==========================================================================================================
ISR(TIMER0_COMP_vect)
{
    Mod_LED_display_update();
}

main.c如下：

// ==========================================================================================================
// 主函数
// ==========================================================================================================
#include <avr/io.h>
#include "Mod_LED_Displayer.h"
#include "sys_timer.h"
#include "system.h"
#include "config.h"

// ==========================================================================================================
// main函数
// ==========================================================================================================
int main(void)
{
    // ------------------------------------------------------------------------------------------------------
    // 关全局中断
    cli();

    // 系统初始化
    sys_init();

    // 开全局中断
    sei();

    Mod_LED_display(123456789);
//    Mod_LED_display_hex(65536, 15);

    // ------------------------------------------------------------------------------------------------------
    while(1)
    {
    }
    return 0;
}

测试结果：

1、显示中没有余晖(重影)，不亮的段都是白色。

2、操作函数中还提供了一个根据指定的进制来保存和显示数字的函数Mod_LED_display_hex()。

比如Mod_LED_display_hex(65536, 15);就是将十进制数65536按照15进制保存、并显示在数码管上。

数码管上将显示15进制数14641，可以在线进行进制转换、来验证结果：http://tool.oschina.net/hexconvert。

在线转换的结果：

技术分享

3、这里对数码管的操作是一种三段式的操作：初始化 + 前台更新 + 后台API。

技术分享

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第四步：余晖 (重影)

余晖的来源：

1、如果现在正在第0号数码管上显示数字‘E‘(‘E‘的段码是0x79)，然后切换到第1号数码管上去显示数字‘1‘，中间不先将第0号数码管熄灭。

其过程是：修改位码、从第0号数码管切换到第1号数码管，修改段码、将段码由‘E‘的段码0x79改为‘1‘的段码0x06。

切换到第1号数码管只修改了位码，此时的段码依然是‘E‘的段码0x79，此时第1号数码管就会显示数字‘E‘。

接着把段码改为‘1‘的段码0x06，此时、第1号数码管才显示数字‘1‘。

结果是、第1号数码管会先显示一小段时间(几个时钟周期)的数字‘E‘、然后才显示数字‘1‘(1ms)。

显示数字‘1‘的时候、只有段[b,c]被点亮。

显示数字‘E‘的时候、只有段[a,d,e,f,g]会被点亮。

所以、第1号数码管显示数字‘1‘之前，段[a,d,e,f,g]会被点亮一段时间，然后才去点亮段[b,c]，这里有一先一后的顺序。

但对于眼睛来说，由于时间太短，眼睛会认为显示几个时钟周期的数字‘E‘和显示1ms的数字‘1‘是同时发生的。

看的的结果就是、第1号数码管显示数字‘1‘的时候、其他的段[a,d,e,f,g]是微亮的，这就是余晖。

显示数字‘E‘的时间越久、第1号数码管来自第0号数码管的余晖就越明显。

另外、驱动电流越大，数码管越量，余晖也会越亮。

2、上面先修改位选、再修改段选。

如果先修改段选、再修改位选、一样会有余晖产生，如果不先熄灭数码管、让段码为0x00的话。

只是、第1号数码管的余晖来自第2号数码管，而不是第0号数码管。

因为数码管还没有从第1号切换到第2号之前，段码要先改成了第2号数码管要显示的段码。

3、所以在切换数码管之前，需要熄灭数码管，将段码先修改为熄灭显示的段码 0x00。

4、或者、可以关闭数码管，也就是将所有数码管的com口都拉高，熄灭所有数码管。

在段码修改完毕后，再设置下一个数码管的位码，来使能下一个数码管。

上面的电路中、74HC138不能禁止所有数码管，所以只能使用熄灭显示的段码0x00。

使用三极管控制数码管的com口的电路，可以禁止所有数码管。

测试代码：

说明：

1、如果屏蔽下面用于避免余晖的代码，就会有余晖。

2、但为了让余晖更明显，可以在切换到下一个数码管之前，延时几百微妙。

3、下面的代码使用#if 0来使能余晖的产生，并加入延时：

// ==========================================================================================================
//      LED数码管显示数据的刷新
// 
// (1). 在系统定时器中每隔1ms刷新1次
// 
// ==========================================================================================================
void Mod_LED_display_update(void)
{
#if 0
    // 熄灭当前数码管、并保持3个时钟周期的熄灭，用来避免余晖
    *p_LED_display_ctrl->seg_code = segment_code[sizeof(segment_code) - 1];
#endif

    // 切换到下1个数码管
    p_LED_display_ctrl->index++;
    if(p_LED_display_ctrl->index > (sizeof(segment_index) - 1))
    {
        p_LED_display_ctrl->index = 0;
    }

    // 修改位选、修改显示
    *p_LED_display_ctrl->seg_index |= segment_index[sizeof(segment_index) - 1];
    *p_LED_display_ctrl->seg_index &= segment_index[p_LED_display_ctrl->index];
    // 切换数码管后，延时一段时间，看看余晖，在修改段码
    for(volatile int j = 0; j < 20; j++) {}
    // 修改段码
    *p_LED_display_ctrl->seg_code   = segment_code[p_LED_display_ctrl->data[segment_index[p_LED_display_ctrl->index]]];
}

测试结果：

0、从左到右分别是第0号数码管到第7号数码管。

1、在第3号数码管上、可以明显的看到来自第2号数码管(显示数字‘0‘)的余晖。

在第5、6、7号数码管上、也有明显的余晖。

2、第0号数码管上没有余晖，因为它的上一个数码管(第7号)显示的是数字‘1‘，其余晖被第0号数码管自己显示的数字‘0‘覆盖了。

同样的、第1、2、4号数码管上的余晖也是被覆盖了。

3、延时用的for循环中、有个volatile，用来避免编译器优化掉变量j。

如果被优化掉，这段代码就没了，因为这段代码对AVR-GCC编译器来说、没有什么意义。

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第五步：改进后的代码

B001-Atmega16-数码管

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原文地址：http://blog.csdn.net/manon_des_source/article/details/51783675

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B001-Atmega16-数码管

第一步： 产生1ms的时基

代码：

测试结果：

第二步： 静态显示

1、数码管驱动电路图：

2、共阴极数码管的点亮方式：

3、段码：

4、位选：

5、代码：

测试结果：

第三步： 动态扫描

代码如下：

测试结果：

第四步： 余晖 (重影)

余晖的来源：

测试代码：

测试结果：

第五步： 改进后的代码

第一步：产生1ms的时基

第二步：静态显示

第三步：动态扫描

第四步：余晖 (重影)

第五步：改进后的代码