1.1 LED数码管简介
发光二极管LED是能将电信号转换成光信号的发光器件，7段LED数码管则是在一定形状的绝缘材料上，利用单只LED组合排列成的“8”字型，分别引出它们的电极，点亮相应的笔段来显示出0-9的数字。
1.1.1 LED数码管的结构与特性
LED数码管根据LED的接法不同分为共阴和共阳两类，了解这些特性，对编程是很重要的，不同类型的数码管，除了它们的硬件电路有差异外，编程方法也是不同的。共阴和共阳极数码管的外形及内部电路如图1.1所示，它们的发光原理是一样的，只是电源极性不同。
图1.1 数码管外形和内部电路
将多只LED的阴极连在一起即为共阴式，而将多只LED的阳极连在一起即为共阳式。以共阴式为例，若把阴极接地，在相应段的阳极接上正电源，该段即会发光。
LED数码管的主要特点如下：
l）能在低电压、小电流条件下驱动发光，能与CMOS、TTL电路兼容；
2）发光响应时间极短(<0.1μs)，高频特性好，单色性好，亮度高；
3）体积小，重量轻，抗冲击性能好；
4）寿命长，使用寿命在10万小时以上，甚至可达100万小时，成本低。
LED数码管被广泛用作数字仪器仪表、数控装置、计算机的数显器件。
1.1.2 LED数码管原理说明
LED数码管中各段发光二极管的伏安特性和普通二极管类似，只是正向压降较大，正向电阻也较大。在一定范围内，其正向电流与发光亮度成正比。由于常规的数码管用电电流只有1～2 mA，最大极限电流也只有10～30 mA，所以它的输入端在5 V电源或高于TTL高电平(3.5 V)的电路信号相接时，一定要串加限流电阻，以免损坏器件。
1.2 74HC595简介
74HC595是具有8位移位寄存器和一个存储器，三态输出功能。移位寄存器和存储器是分别的时钟。数据在SHCP的上升沿输入，在STCP的上升沿进入到存储寄存器中去。如果两个时钟连在一起，则移位寄存器总是比存储寄存器早一个脉冲。移位寄存器有一个串行移位输入（DS），和一个串行输出（Q7’），和一个异步的低电平复位（MR），存储寄存器有一个并行8位的，具备三态的总线输出，当使能OE时（为低电平），存储寄存器的数据输出到总线。
图1.2 74HC595引脚图
74HC595引脚排布如图1.2所示，引脚功能见表1.1。
表1.1 74HC595引脚功能
1.3 设计原理
本设计采用LPC2103自带的硬件SPI接口与74HC595进行数据传输。74HC595将LPC2103发送过来的8位串行数据转换成8位并行数据，用以驱动数码管。本设计中采用共阳数码管。原理图如图1.3所示。
图1.3 原理图
1.4 电路制作流程
1.4.1 元器件选择
1.4.2 布局
分析原理图，需要仔细考虑元器件的布局与走线，合理的布局会减少走线的难度。本设计为了方便走线，数码管和74HC595采用自由连接方式（如图1.4所示），而没有采用顺序连接方式（如图1.5所示）。这大大降低了走线难度。但一定程度上会增加软件设计的工作量，后文将对此进行说明。
图1.4 自由连接
图1.5 顺序连接
1.4.3 焊接
在合理布局的基础，焊接相对容易很多。本设计中数码管和74HC595采用自由连接的方式，避免了交叉线焊接的麻烦，这样在整个板子焊接完成后没有用到跳线或者飞线。万能板焊接时可采用“拖锡”的方式，可使得整体效果美观，同时也保证了硬件连接的可靠性，如图1.6所示。
板子焊接完成后，实物如图1.7所示。
图1.7 完成效果
HC595电路与EasyARM2103开发板连接，实物如图1.8所示。
图1.8 整体效果图
上述布局和焊接的思想可合理的应用在单面电路板的设计中。
1.5 程序设计
在前面的电路设计时，数码管和74HC595采用自由连接的方式（如图1.4所示），所以段码不能采用标准段码，需另行设计。下面介绍一种生成段码表的简单方法。
? 1）测试步骤一
首先发送字符‘0xFE’，参考代码如下文所示。
实验现象：数码管笔段a被点亮。
实验现象分析：当向74HC595发送‘0xFE’时，Q0引脚输出低电平，Q1~Q7输出高电平。可以得出Q0引脚在硬件上对应数码管笔段a，低电平驱动数码管笔段发光。
? 2）测试步骤二
发送字符‘0xFD’，更改上文代码为：
实验现象：数码管笔段a熄灭，笔段b被点亮。
实验现象分析：当向74HC595发送‘0xFD’时，Q1引脚输出低电平，Q0、Q2~Q7输出高电平。从而可以判断出Q1引脚硬件上对应数码管笔段b，低电平驱动笔段发光。
? 3）测试步骤三
在了解如何驱动a、b笔段发光的基础之上，更改测试字符，依次向74HC595发送0xBF、0xDF、0xEF、0xFB、0xF7、0x7F六个数据，即可分别点亮c、d、e、f、g、dp六个笔段。
? 4）测试结论
参考以上测试方法，用户在不清楚硬件电路连接的情况下，逐次向74HC595发送测试数据，即可理清74HC595引脚与数码管笔段的对应关系。同时，也可得出数码管笔段与测试字符的对应关系，如表1.2所列。
表1.2 段码表数值
注意：不同的硬件电路，段码表的测试数据有所区别，表1.2仅适合本文的硬件电路，但笔段测试方法是相同的。
为了在7端数码管显示数字或者字符，控制器送出的字符需要进行转换，真值表的计算如表1.3所列。表中列出了7段数码管上能够显示的常用字符的真值表。如果用户需要显示其它字符，可跟根据表中所示的方法设置。
表1.3 七段共阳数码管真值表
本示例程序使用LPC2103的硬件SPI接口，设置LPC2103为SPI主机模式，与74HC595进行通讯。SPI初始化见程序清单1.1。
程序清单1.1 SPI初始化程序
LPC2103通过硬件SPI接口把数据发送给74HC595，数据发送程序见程序清单1.2。
程序清单1.2 数据发送程序
实验现象：数码管循环显示0~F，LPC2103字样,参见程序清单1.3。 |
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