B001-Atmega16-数码管

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了B001-Atmega16-数码管相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

一步步完成数码管

主要内容：
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：带消息机制的任务函数
第六步：按指定进制显示


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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：


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：


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：

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：

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：


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。

      


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第四步： 余晖 (重影)