红金龙吸味第五章LED主题多任务环境下的数码管编程设计.docx
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红金龙吸味第五章LED主题多任务环境下的数码管编程设计
“从单片机初学者迈向单片机工程师”之LED主题讨论周
第五章--多任务环境下的数码管编程设计
数码管在实际应用中非常广泛,尤其是在某些对成本有限制的场合。
编写一个好用的LED程序并不是那么的简单。
曾经有人这样说过,如果用数码管和按键,做一个简易的可以调整的时钟出来,那么你的单片机就算入门了60%了。
此话我深信不疑。
我遇到过很多单片机的爱好者,他们问我说单片机我已经掌握了,该如何进一步的学习下去呢?
我并不急于回答他们的问题,而是问他们:
会编写数码管的驱动程序了吧?
“嗯”。
会编写按键程序了吧?
“嗯”。
好,我给你出一个小题目,你做一下。
用按键和数码管以及单片机定时器实现一个简易的可以调整的时钟,要求如下:
8位数码管显示,显示格式如下
时-分-秒
XX-XX-XX
要求:
系统有四个按键,功能分别是调整,加,减,确定。
在按下调整键时候,显示时的两位数码管以1Hz频率闪烁。
如果再次按下调整键,则分开始闪烁,时恢复正常显示,依次循环,直到按下确定键,恢复正常的显示。
在数码管闪烁的时候,按下加或者减键可以调整相应的显示内容。
按键支持短按,和长按,即短按时,修改的内容每次增加一或者减小一,长按时候以一定速率连续增加或者减少。
结果很多人,很多爱好者一下子都理不清楚思路。
其实问题的根源在于没有以工程化的角度去思考程序的编写。
很多人在学习数码管编程的时候,都是照着书上或者网上的例子来进行试验。
殊不知,这些例子代码仅仅只是具有一个演示性的作用,拿到实际中是很难用的。
举一个简单的例子。
下面这段程序是在网上随便搜索到的:
while
(1)
{
for(num=0;num<9;num++)
{
P0=table[num];
P2=code[num];
delayms
(2);
}
}
看出什么问题来了没有,如果没有看出来请仔细想一下,如果还没有想出来,请回过头去,认真再看一遍“学会释放CPU”这一章的内容。
这个程序作为演示程序是没有什么问题的,但是实际应用的时候,数码管显示的内容经常变化,而且还有很多其它任务需要执行,因此这样的程序在实际中是根本就无法用的,更何况,它这里也调用了delayms
(2)这个函数来延时2ms这更是令我们深恶痛绝
本章的内容正是探讨如何解决多任务环境下(不带OS)的数码管程序设计的编写问题。
理解了其中的思想,无论要求我们显示的形式怎么变化(如数码管闪烁,移位等),我们都可以很方便的解决问题。
数码管的显示分为动态显示和静态显示两种。
静态显示是每一位数码管都用一片独立的驱动芯片进行驱动。
比较常见的有74LS164,74HC595等。
利用这类芯片的好处就是可以级联,留给单片机的接口只需要时钟线,数据线,因此比较节省I/O口。
如下图所示:
利用74LS164级联驱动8个单独的数码管静态显示的优点是程序编写简单。
但是由于涉及到的驱动芯片数量比较多,同时考虑到PCB的布线等等因素,在低成本要求的开发环境下,单纯的静态驱动并不合适。
这个时候就可以考虑到动态驱动了。
动态驱动的图如下所示(以EE21开发板为例)
由上图可以看出。
8个数码管的段码由一个单独的74HC573驱动。
同时每一个数码管的公共端连接在另外一个74HC573的输出上。
当送出第一位数码管的段码内容时候,同时选通第一位数码管的位选,此时,第一位数码管就显示出相应的内容了。
一段时间之后,送出第二位数码管段码的内容,选通第二位数码管的位选,这时显示的内容就变成第二位数码管的内容了……依次循环下去,就可以看到了所有数码管同时显示了。
事实上,任意时刻,只有一位数码管是被点亮的。
由于人眼的视觉暂留效应以及数码管的余辉效应,当数码管扫描的频率非常快的时候,人眼已经无法分辨出数码管的变化了,看起来就是同时点亮的。
我们假设数码管的扫描频率为50Hz,则完成一轮扫描的时间就是1/50=20ms。
我们的系统共有8位数码管,则每一位数码管在一轮扫描周期中点亮的时间为20/8=2.5ms。
动态扫描对时间要求有一点点严格,否则,就会有明显的闪烁。
假设我们程序中所有任务如下:
while
(1)
{
LedDisplay();//数码管动态扫描
ADProcess();//AD采集处理
TimerProcess();//时间相关处理
DataProcess();//数据处理
}
LedDisplay()这个任务的执行时间,如同我们刚才计算的那样,50Hz频率扫描,则该函数执行的时间为20ms。
假设ADProcess()这个任务执行的的时间为2ms,TimerProcess()这个函数执行的时间为1ms,DataProcess()这个函数执行的时间为10ms。
那么整个主函数执行一遍的总时间为20+2+1+10=33ms。
即LedDisplay()这个函数的扫描频率已经不为50Hz了,而是1/33=30.3Hz。
这个频率数码管已经可以感觉到闪烁了,因此不符合我们的要求。
为什么会出现这种情况呢?
我们刚才计算的50Hz是系统只有LedDisplay()这一个任务的时候得出来的结果。
当系统添加了其它任务后,当然系统循环执行一次的总时间就增加了。
如何解决这种现象了,还是离不开我们第二章所讲的那个思想。
系统产生一个2.5ms的时标消息。
LedDisplay(),每次接收到这个消息的时候,扫描一位数码管。
这样8个时标消息过后,所有的数码管就都被扫描一遍了。
可能有朋友会有这样的疑问:
ADProcess()以及DataProcess()等函数执行的时间还是需要十几ms啊,在这十几ms的时间里,已经产生好几个2.5ms的时标消息了,这样岂不是漏掉了扫描,显示起来还是会闪烁。
能够想到这一点,很不错,这也就是为什么我们要学会释放CPU的原因。
对于ADProcess(),TimerProcess(),DataProcess(),等任务我们依旧要采取此方法对CPU进行释放,使其执行的时间尽可能短暂,关于如何做到这一点,在以后的讲解如何设计多任务程序设计的时候会讲解到。
下面我们基于此思路开始编写具体的程序。
首先编写Timer.c文件。
该文件中主要为系统提供时间相关的服务。
必要的头文件包含。
#include
#include"MacroAndConst.h"
为了方便计算,我们取数码管扫描一位的时间为2ms。
设置定时器0为2ms中断一次。
同时声明一个位变量,作为2ms时标消息的标志
bitg_bSystemTime2Ms=0;//2msLED动态扫描时标消息
初始化定时器0
voidTimer0Init(void)
{
TMOD&=0xf0;
TMOD|=0x01;//定时器0工作方式1
TH0=0xf8;//定时器初始值
TL0=0xcc;
TR0=1;
ET0=1;
}
在定时器0中断处理程序中,设置时标消息。
voidTime0Isr(void)interrupt1
{
TH0=0xf8;//定时器重新赋初值
TL0=0xcc;
g_bSystemTime2Ms=1;//2MS时标标志位置位
}
然后我们开始编写数码管的动态扫描函数。
新建一个C源文件,并包含相应的头文件。
#include
#include"MacroAndConst.h"
#include"Timer.h"
先开辟一个数码管显示的缓冲区。
动态扫描函数负责从这个缓冲区中取出数据,并扫描显示。
而其它函数则可以修改该缓冲区,从而改变显示的内容。
uint8g_u8LedDisplayBuffer[8]={0};//显示缓冲区
然后定义共阳数码管的段码表以及相应的硬件端口连接。
codeuint8g_u8LedDisplayCode[]=
{
0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,
0x80,0x90,0x88,0x83,0xC6,0xA1,0x86,0x8E,
0xbf,//'-'号代码
};
sbitio_led_seg_cs=P1^4;
sbitio_led_bit_cs=P1^5;
#defineLED_PORTP0
再分别编写送数码管段码函数,以及位选通函数。
staticvoidSendLedSegData(uint8dat)
{
LED_PORT=dat;
io_led_seg_cs=1;//开段码锁存,送段码数据
io_led_seg_cs=0;
}
staticvoidSendLedBitData(uint8dat)
{
uint8temp;
temp=(0x01<LED_PORT=temp;
io_led_bit_cs=1;//开位码锁存,送位码数据
io_led_bit_cs=0;
}
下面的核心就是如何编写动态扫描函数了。
如下所示:
voidLedDisplay(uint8*pBuffer)
{
staticuint8s_LedDisPos=0;
if(g_bSystemTime2Ms)
{
g_bSystemTime2Ms=0;
SendLedBitData(8);//消隐,只需要设置位选不为0~7即可
if(pBuffer[s_LedDisPos]=='-')//显示'-'号
{
SendLedSegData(g_u8LedDisplayCode[16]);
}
else
{
SendLedSegData(g_u8LedDisplayCode[pBuffer[s_LedDisPos]]);
}
SendLedBitData(s_LedDisPos);
if(++s_LedDisPos>7)
{
s_LedDisPos=0;
}
}
}
函数内部定义一个静态的变量s_LedDisPos,用来表示扫描数码管的位置。
每当我们执行该函数一次的时候,s_LedDisPos的值会自加1,表示下次扫描下一个数码管。
然后判断g_bSystemTime2Ms时标消息是否到了。
如果到了,就开始执行相关扫描,否则就直接跳出函数。
SendLedBitData(8);的作用是消隐。
因为我们的系统的段选和位选是共用P0口的。
在送段码之前,必须先关掉位选,否则,因为上次位选是选通的,在送段码的时候会造成相应数码管的点亮,尽管这个时间很短暂。
但是因为我们的数码管是不断扫描的,所以看起来还是会有些微微亮。
为了消除这种影响,就有必要再送段码数据之前关掉位选。
if(pBuffer[s_LedDisPos]=='-')//显示'-'号这行语句是为了显示’-’符号特意加上去的,大家可以看到在定义数码管的段码表的时候,我多加了一个字节的代码0xbf:
codeuint8g_u8LedDisplayCode[]=
{
0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,
0x80,0x90,0x88,0x83,0xC6,0xA1,0x86,0x8E,
0xbf,//'-'号代码
};
通过SendLedSegData(g_u8LedDisplayCode[pBuffer[s_LedDisPos]]);送出相应的段码数据后,然后通过SendLedBitData(s_LedDisPos);打开相应的位选。
这样对应的数码管就被点亮了。
if(++s_LedDisPos>7)
{
s_LedDisPos=0;
}
然后s_LedDisPos自加1,以便下次执行本函数时,扫描下一个数码管。
因为我们的系统共有8个数码管,所以当s_LedDisPos>7后,要对其进行清0。
否则,没有任何一个数码管被选中。
这也是为什么我们可以用
SendLedBitData(8);//消隐,只需要设置位选不为0~7即可
对数码管进行消隐操作的原因。
下面我们来编写相应的主函数,并实现数码管上面类似时钟的效果,如显示10-20-30
即10点20分30秒。
Main.c
#include
#include"MacroAndConst.h"
#include"Timer.h"
#include"Led7Seg.h"
sbitio_led=P1^6;
voidmain(void)
{
io_led=0;//发光二极管与数码管共用P0口,这里禁止掉发光二极管的锁存输出
Timer0Init();
g_u8LedDisplayBuffer[0]=1;
g_u8LedDisplayBuffer[1]=0;
g_u8LedDisplayBuffer[2]='-';
g_u8LedDisplayBuffer[3]=2;
g_u8LedDisplayBuffer[4]=0;
g_u8LedDisplayBuffer[5]='-';
g_u8LedDisplayBuffer[6]=3;
g_u8LedDisplayBuffer[7]=0;
EA=1;
while
(1)
{
LedDisplay(g_u8LedDisplayBuffer);
}
}
将整个工程进行编译,看看效果如何
动起来
既然我们想要模拟一个时钟,那么时钟肯定是要走动的,不然还称为什么时钟撒。
下面我们在前面的基础之上,添加一点相应的代码,让我们这个时钟走动起来。
我们知道,之前我们以及设置了一个扫描数码管用到的2ms时标。
如果我们再对这个时标进行计数,当计数值达到500,即500*2=1000ms时候,即表示已经逝去了1S的时间。
我们再根据这个1S的时间更新显示缓冲区即可。
听起来很简单,让我们实现它吧。
首先在Timer.c中声明如下两个变量:
bitg_bTime1S=0;//时钟1S时标消息
staticuint16s_u16ClockTickCount=0;//对2ms时标进行计数
再在定时器中断函数中添加如下代码:
if(++s_u16ClockTickCount==500)
{
s_u16ClockTickCount=0;
g_bTime1S=1;
}
从上面可以看出,s_u16ClockTickCount计数值达到500的时候,g_bTime1S时标消息产生。
然后我们根据这个时标消息刷新数码管显示缓冲区:
voidRunClock(void)
{
if(g_bTime1S)
{
g_bTime1S=0;
if(++g_u8LedDisplayBuffer[7]==10)
{
g_u8LedDisplayBuffer[7]=0;
if(++g_u8LedDisplayBuffer[6]==6)
{
g_u8LedDisplayBuffer[6]=0;
if(++g_u8LedDisplayBuffer[4]==10)
{
g_u8LedDisplayBuffer[4]=0;
if(++g_u8LedDisplayBuffer[3]==6)
{
g_u8LedDisplayBuffer[3]=0;
if(g_u8LedDisplayBuffer[0]<2)
{
if(++g_u8LedDisplayBuffer[1]==10)
{
g_u8LedDisplayBuffer[1]=0;
g_u8LedDisplayBuffer[0]++;
}
}
else
{
if(++g_u8LedDisplayBuffer[1]==4)
{
g_u8LedDisplayBuffer[1]=0;
g_u8LedDisplayBuffer[0]=0;
}
}
}
}
}
}
}
}
这个函数的作用就是对每个数码管缓冲位的值进行判断,判断的标准就是我们熟知的24小时制。
如秒的个位到了10就清0,同时秒的十位加1….诸如此类,我就不一一详述了。
同时,我们再编写一个时钟初始值设置函数,这样,可以很方便的在主程序开始的时候修改时钟初始值。
voidSetClock(uint8nHour,uint8nMinute,uint8nSecond)
{
g_u8LedDisplayBuffer[0]=nHour/10;
g_u8LedDisplayBuffer[1]=nHour%10;
g_u8LedDisplayBuffer[2]='-';
g_u8LedDisplayBuffer[3]=nMinute/10;
g_u8LedDisplayBuffer[4]=nMinute%10;
g_u8LedDisplayBuffer[5]='-';
g_u8LedDisplayBuffer[6]=nSecond/10;
g_u8LedDisplayBuffer[7]=nSecond%10;
}
然后修改下我们的主函数如下:
voidmain(void)
{
io_led=0;//发光二极管与数码管共用P0口,这里禁止掉发光二极管的锁存输出
Timer0Init();
SetClock(10,20,30);//设置初始时间为10点20分30秒
EA=1;
while
(1)
{
LedDisplay(g_u8LedDisplayBuffer);
RunClock();
}
}
编译好之后,下载到我们的实验板上,怎么样,一个简单的时钟就这样诞生了。
至此,本章所诉就告一段落了。
至于如何完成数码管的闪烁显示,就像本章开头所说的那个数码管时钟的功能,就作为一个思考的问题留给大家思考吧。
同时整个LED篇就到此结束了,在以后的文章中,我们将开始学习如何编写实用的按键扫描程序。
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