用PROTEUS仿真講解數(shù)碼顯示原理和基礎(chǔ)編程

長(zhǎng)沙市電子工業(yè)學(xué)校 劉國(guó)云

數(shù)碼顯示是《單片機(jī)編程控制技術(shù)》課程中必講的教學(xué)內(nèi)容，同時(shí)也是難點(diǎn)內(nèi)容。該內(nèi)容之所以難，一是老師難教，二是學(xué)生難學(xué)，教學(xué)都難的癥結(jié)在于數(shù)碼顯示管的結(jié)構(gòu)和顯示原理不便于直觀演示和觀察。老師用幾張PPT或幾幀動(dòng)畫(huà)，可以把數(shù)碼顯示管的結(jié)構(gòu)和顯示原理講清楚，部分學(xué)生也能聽(tīng)懂，但由于缺乏體驗(yàn)感，很難激發(fā)大部分學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和參與性，教學(xué)效果不很理想。筆者使用PROTEUS仿真軟件，用發(fā)光二極管設(shè)計(jì)了一個(gè)7字段數(shù)碼顯示管，并通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)或單片機(jī)芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)碼顯示功能，仿真電路如圖1所示。

圖1 用PROTEUS仿真軟件制作的數(shù)碼顯示管和控制電路

筆者首先演示講解了該數(shù)碼管的結(jié)構(gòu)，并演示用兩個(gè)撥碼開(kāi)關(guān)和單片機(jī)芯片控制數(shù)碼顯示的操作方法和效果，講解了數(shù)碼顯示管的極性、顯示原理和編程方法，吸引了學(xué)生的注意力、激發(fā)了探知欲。再組織學(xué)生仿真設(shè)計(jì)上述電路、操作控制數(shù)碼顯示，虛擬仿真和理實(shí)一體化體驗(yàn)式學(xué)習(xí)，較好地提高了教學(xué)效果?，F(xiàn)將制作和應(yīng)用要點(diǎn)介紹如下。

1 電路的仿真設(shè)計(jì)和應(yīng)用

首先要明確仿真電路的設(shè)計(jì)意圖，沒(méi)有目標(biāo)，也就沒(méi)有設(shè)計(jì)的意義。該電路的設(shè)計(jì)意圖就是：直觀演示數(shù)碼管的結(jié)構(gòu)、極性、數(shù)碼顯示原理、用開(kāi)關(guān)或單片機(jī)控制數(shù)碼顯示的操作方法和編程方法，并讓學(xué)生通過(guò)體驗(yàn)式學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣和參與性，提高教學(xué)效果。為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，我設(shè)計(jì)了上述電路。

1.1 7字段數(shù)碼管的仿真設(shè)計(jì)與應(yīng)用

筆者使用發(fā)光二極管拼成a、b、c、d、e、f、g7個(gè)字段，發(fā)光二極管有陽(yáng)極和陰極兩個(gè)管腳，用A表示陽(yáng)極、K表示陰極，陽(yáng)極A和陰極K前面標(biāo)字段符號(hào)，如字段A的陽(yáng)極和陰極分別標(biāo)為：AA、AK。構(gòu)成字段的4個(gè)發(fā)光二極管不能串聯(lián)，只能并聯(lián)，原因是：5V電源無(wú)法驅(qū)動(dòng)4個(gè)串聯(lián)的發(fā)光二極管。為減少連接線，采用了網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)。用網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)替代連接導(dǎo)線的另一個(gè)好處是方便驗(yàn)證單片機(jī)不同端口的字段控制碼。學(xué)生通過(guò)制作數(shù)碼顯示管，記憶深刻的掌握了數(shù)碼顯示管的結(jié)構(gòu)。

1.2 兩種極性數(shù)碼顯示管的仿真設(shè)計(jì)與應(yīng)用

數(shù)碼顯示管有共陰極和共陽(yáng)極兩種極性，學(xué)生應(yīng)用撥碼開(kāi)關(guān)進(jìn)行仿真操作，學(xué)習(xí)如何根據(jù)數(shù)碼顯示管的極性連接電路的方法、控制數(shù)碼管線顯示不同數(shù)碼的操作方法和工作原理。比如：學(xué)生通過(guò)將圖中DSW1和DSW2中的7個(gè)撥碼開(kāi)關(guān)全部接通和斷開(kāi)，直觀明了地掌握什么是共陽(yáng)極數(shù)碼顯示管及其接線方法。他們只要根據(jù)所需顯示的數(shù)碼，撥通DSW2中對(duì)應(yīng)字段的控制開(kāi)關(guān)，就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)碼顯示，輕松地掌握了共陽(yáng)極數(shù)碼顯示管的顯示原理。

1.3 單片機(jī)控制數(shù)碼顯示的仿真設(shè)阿計(jì)與應(yīng)用

本教學(xué)內(nèi)容的重點(diǎn)是用單片機(jī)編程控制數(shù)碼顯示，在了解了數(shù)碼管的結(jié)構(gòu)、極性、顯示原理后，再學(xué)習(xí)單片機(jī)控制數(shù)碼顯示的基礎(chǔ)編程就簡(jiǎn)單多了。單片機(jī)控制字段的端口就相當(dāng)于上述共陽(yáng)極數(shù)碼管的字段控制開(kāi)關(guān)DSW2，讓對(duì)應(yīng)的輸出端口輸出低電平即可實(shí)現(xiàn)顯示。

電路采用80C52芯片P2端口控制數(shù)碼管的7個(gè)字段，用P3.0所接的按鈕做開(kāi)關(guān)或單片機(jī)控制方式的選擇開(kāi)關(guān)。默認(rèn)為開(kāi)關(guān)控制方式，每次按下切換為另一種控制方式。采用網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)連接電路，可以方便修改數(shù)碼管的極性和單片機(jī)控制端口，便于教師變化教學(xué)。

比如：要實(shí)現(xiàn)共陰極數(shù)碼管編程控制，只要將DSW2撥碼開(kāi)關(guān)全部接地，DSW1全部斷開(kāi)，將控制方式選擇為單片機(jī)控制即可實(shí)現(xiàn)其數(shù)碼顯示。單片機(jī)控制數(shù)碼顯示的基礎(chǔ)程序非常簡(jiǎn)單，由于版面限制，筆者就不在此提供了。

2 字段碼的編寫(xiě)和驗(yàn)證

數(shù)碼顯示基礎(chǔ)編程的難點(diǎn)就是根據(jù)單片機(jī)的字段控制端口，編寫(xiě)十六進(jìn)制控制段碼。筆者除了用上述仿真電路，還制作了表1，幫助學(xué)生根據(jù)數(shù)碼顯示管的極性，程式化地編寫(xiě)控制段碼，取得了很好的效果。筆者通過(guò)修改仿真電路中數(shù)碼顯示管的極性及表1中的P2端口所連接的字段，輕松地進(jìn)行舉一反三教學(xué)和學(xué)生練習(xí)。

表1 0-9數(shù)碼、P2真值表與十六進(jìn)制段碼對(duì)應(yīng)表

表1中，共陰極和共陽(yáng)極數(shù)碼顯示管的字段控制碼存在逐位取反關(guān)系，筆者通過(guò)表2進(jìn)一步總結(jié)了它們的和等于FF的關(guān)系，應(yīng)用這種關(guān)系可以幫助我們?cè)诓涣私鈹?shù)碼顯示管極性時(shí)，通過(guò)“～”指令或用FF減去該碼值，來(lái)獲得所需要的段碼。

表2 共陰極和共陽(yáng)極段碼之間的關(guān)系對(duì)應(yīng)表