原標(biāo)題：基于AT89C2051串口的LED數(shù)碼管顯示電路設(shè)計(jì)方案

基于AT89C2051單片機(jī)與74LS164的LED數(shù)碼管顯示電路設(shè)計(jì)方案

在當(dāng)今的電子技術(shù)領(lǐng)域，LED數(shù)碼管因其高亮度、低功耗、長壽命和易于驅(qū)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種數(shù)字顯示場合，如儀器儀表、家用電器、工業(yè)控制等。本設(shè)計(jì)方案將深入探討如何利用經(jīng)典的AT89C2051單片機(jī)與74LS164串入并出移位寄存器相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、高效的LED數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示控制。AT89C2051是一款經(jīng)濟(jì)高效、功能強(qiáng)大的8位微控制器，其內(nèi)置的Flash存儲器使其程序開發(fā)和修改變得異常便捷；而74LS164則是一款常用的串行輸入并行輸出的移位寄存器，能夠有效地?cái)U(kuò)展單片機(jī)的輸出端口，簡化硬件電路設(shè)計(jì)，特別適用于多位LED數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)。本方案將從電路原理、元器件選型、功能分析、設(shè)計(jì)考慮及軟硬件協(xié)同等方面進(jìn)行全面闡述，旨在為讀者提供一個(gè)清晰、實(shí)用的設(shè)計(jì)指導(dǎo)。

1. 設(shè)計(jì)目標(biāo)與系統(tǒng)概述

本設(shè)計(jì)方案旨在構(gòu)建一個(gè)能夠精確顯示數(shù)字的LED數(shù)碼管顯示系統(tǒng)。該系統(tǒng)將接收來自AT89C2051單片機(jī)的控制信號，并通過74LS164進(jìn)行串行數(shù)據(jù)到并行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，最終驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管顯示預(yù)設(shè)的數(shù)字或字符。考慮到實(shí)際應(yīng)用，我們通常會(huì)選擇共陰極或共陽極數(shù)碼管，并相應(yīng)地調(diào)整驅(qū)動(dòng)方式。本方案將以常見的共陰極數(shù)碼管為例進(jìn)行闡述。整個(gè)系統(tǒng)將由以下幾個(gè)主要部分組成：核心控制器（AT89C2051單片機(jī)）、數(shù)據(jù)顯示驅(qū)動(dòng)（74LS164）、顯示單元（LED數(shù)碼管）、電源模塊以及必要的輔助電路（如復(fù)位電路、晶振電路等）。通過合理的硬件設(shè)計(jì)和軟件編程，我們將實(shí)現(xiàn)多位LED數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)掃描顯示，從而最大限度地節(jié)約單片機(jī)的I/O口資源，并降低系統(tǒng)的整體功耗。動(dòng)態(tài)掃描顯示技術(shù)，也稱為分時(shí)復(fù)用技術(shù)，其核心思想是利用人眼的視覺暫留效應(yīng)，快速輪流點(diǎn)亮不同位的數(shù)碼管，使得肉眼看起來所有位都在同時(shí)顯示，從而避免了為每一位數(shù)碼管都單獨(dú)配置一組驅(qū)動(dòng)電路的復(fù)雜性和成本。

2. 核心控制器：AT89C2051單片機(jī)

元器件型號優(yōu)選：AT89C2051

選擇理由與器件功能： AT89C2051是美國ATMEL公司生產(chǎn)的一款高性能、低功耗CMOS 8位微控制器，它與經(jīng)典的80C51指令集完全兼容。選擇AT89C2051作為核心控制器，主要基于以下幾個(gè)方面的考量：

• 引腳數(shù)量和成本優(yōu)勢： AT89C2051采用20引腳封裝，相比于傳統(tǒng)的40引腳51系列單片機(jī)，其引腳數(shù)量更少，這意味著更小的PCB面積和更低的BOM成本，尤其適合空間受限和成本敏感的應(yīng)用場景。盡管引腳數(shù)量減少，但其核心功能并未縮減，足以滿足本次LED數(shù)碼管顯示的需求。

• 內(nèi)置Flash存儲器： AT89C2051內(nèi)置2KB的Flash可編程和可擦除只讀存儲器（EEPROM），這使得程序開發(fā)和燒錄過程極為方便，無需外部EPROM或EEPROM，簡化了硬件設(shè)計(jì)。Flash存儲器可以反復(fù)擦寫，便于程序的調(diào)試和更新。

• 資源集成度高： 除了Flash存儲器，AT89C2051還集成了128字節(jié)的內(nèi)部RAM、15條可編程I/O線（Port 1和Port 3的部分引腳）、一個(gè)串行通信接口（UART）、兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器（Timer 0和Timer 1）以及一個(gè)片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路。這些豐富的內(nèi)置資源為LED數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)提供了足夠的硬件支持，特別是定時(shí)器資源，對于實(shí)現(xiàn)LED的動(dòng)態(tài)掃描顯示至關(guān)重要。

• 低功耗特性： AT89C2051具有空閑模式和掉電模式，可以有效地降低功耗，延長電池供電產(chǎn)品的續(xù)航時(shí)間，這對于一些便攜式或?qū)挠袊?yán)格要求的應(yīng)用來說是一個(gè)顯著的優(yōu)勢。

• 成熟的技術(shù)和廣泛的應(yīng)用： 51系列單片機(jī)作為嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域最經(jīng)典的架構(gòu)之一，擁有大量的開發(fā)資料、成熟的開發(fā)工具和豐富的應(yīng)用案例，這大大降低了開發(fā)難度和學(xué)習(xí)成本。對于初學(xué)者或需要快速實(shí)現(xiàn)原型驗(yàn)證的項(xiàng)目來說，AT89C2051是一個(gè)非常友好的選擇。

• 工作電壓范圍寬： AT89C2051通常支持較寬的工作電壓范圍（如2.7V至6V），使其能夠適應(yīng)不同的電源環(huán)境。

在本次設(shè)計(jì)中，AT89C2051將負(fù)責(zé)生成顯示數(shù)據(jù)，并通過其I/O口（通常是P1口）以串行方式將數(shù)據(jù)發(fā)送給74LS164。同時(shí)，它還將控制74LS164的時(shí)鐘線和復(fù)位線，并利用定時(shí)器中斷來精確控制數(shù)碼管的掃描頻率和亮滅時(shí)間，確保顯示效果的穩(wěn)定性和無閃爍感。

3. 串行數(shù)據(jù)到并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器：74LS164

元器件型號優(yōu)選：74LS164

選擇理由與器件功能： 74LS164是一款八位串行輸入/并行輸出（SIPO）移位寄存器，它在LED數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)電路中扮演著至關(guān)重要的角色。選擇74LS164的原因如下：

• I/O口擴(kuò)展： 單片機(jī)的I/O口資源有限，特別是對于引腳較少的AT89C2051。74LS164通過串行輸入方式，可以將單片機(jī)的兩個(gè)I/O口（一個(gè)用于數(shù)據(jù)輸入，一個(gè)用于時(shí)鐘脈沖）擴(kuò)展為八個(gè)并行輸出口。這意味著僅僅使用單片機(jī)的兩個(gè)引腳，就可以控制8個(gè)LED段或位的通斷，大大節(jié)省了單片機(jī)的寶貴I/O資源。這對于需要驅(qū)動(dòng)多位LED數(shù)碼管的應(yīng)用來說是極其高效的。

• 數(shù)據(jù)鎖存功能： 74LS164內(nèi)部含有八個(gè)D觸發(fā)器，這些觸發(fā)器可以將串行輸入的數(shù)據(jù)逐位移入并并行輸出。當(dāng)新的數(shù)據(jù)被移入時(shí)，原有的數(shù)據(jù)會(huì)保持在并行輸出端，直到新的時(shí)鐘脈沖到來，這種鎖存功能確保了在移位過程中，輸出數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，避免了顯示閃爍或混亂。

• 簡化布線： 采用串行通信可以減少單片機(jī)與外部器件之間的連接線數(shù)量，簡化PCB的布線難度，降低EMC（電磁兼容性）干擾的風(fēng)險(xiǎn)。

• 成本效益高： 74LS164是一種非常成熟且廣泛應(yīng)用的數(shù)字IC，其生產(chǎn)成本低廉，市場供應(yīng)充足，價(jià)格極具競爭力。

• 易于驅(qū)動(dòng)： 74LS164是TTL（晶體管-晶體管邏輯）系列的集成電路，其輸入輸出電平與5V供電的AT89C2051兼容良好，無需額外的電平轉(zhuǎn)換電路。

器件功能詳解： 74LS164有兩個(gè)數(shù)據(jù)輸入端（DATA A和DATA B）和一個(gè)時(shí)鐘輸入端（CLK），以及一個(gè)清零輸入端（CLR）。它的核心功能是將串行輸入的位數(shù)據(jù)，在每個(gè)時(shí)鐘脈沖的上升沿，從DATA A或DATA B輸入端移入內(nèi)部的寄存器，并同時(shí)將寄存器中的數(shù)據(jù)并行輸出到QA-QH這八個(gè)輸出端。

• 數(shù)據(jù)輸入（DATA A/B）： 74LS164通常使用其中一個(gè)數(shù)據(jù)輸入端（例如DATA A）來接收來自單片機(jī)的數(shù)據(jù)信號。另一個(gè)輸入端可以固定為高電平或作為使能端。

• 時(shí)鐘輸入（CLK）： 單片機(jī)通過輸出時(shí)鐘脈沖到CLK端，控制數(shù)據(jù)移位的節(jié)奏。每個(gè)時(shí)鐘脈沖的上升沿都會(huì)將數(shù)據(jù)從輸入端移入一位。

• 清零輸入（CLR）： CLR引腳是異步清零端，當(dāng)CLR為低電平時(shí)，所有輸出端（QA-QH）將立即被清零為低電平，不依賴于時(shí)鐘脈沖。這在初始化或需要快速清除顯示時(shí)非常有用。

• 并行輸出（QA-QH）： 這八個(gè)輸出端將直接連接到LED數(shù)碼管的段選線。當(dāng)對應(yīng)位被設(shè)置為高電平或低電平時(shí)，將驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管的相應(yīng)段發(fā)光或熄滅。

在本次設(shè)計(jì)中，AT89C2051將P1口的某個(gè)引腳配置為數(shù)據(jù)輸出引腳（例如P1.0），連接到74LS164的DATA A端；將P1口的另一個(gè)引腳配置為時(shí)鐘輸出引腳（例如P1.1），連接到74LS164的CLK端。通過這兩個(gè)引腳的協(xié)同工作，AT89C2051可以高效地向74LS164發(fā)送8位并行數(shù)據(jù)。

4. 顯示單元：LED數(shù)碼管

元器件型號優(yōu)選：共陰極數(shù)碼管（如F5161AS、5611AS等）

選擇理由與器件功能： LED數(shù)碼管是本顯示電路的最終顯示載體。選擇共陰極數(shù)碼管主要基于以下原因：

• 驅(qū)動(dòng)方式的匹配性： 74LS164的并行輸出端在正常工作時(shí)可以輸出高電平或低電平。對于共陰極數(shù)碼管，當(dāng)段選線（連接到74LS164的輸出端）為高電平且公共陰極接地時(shí)，對應(yīng)的LED段就會(huì)點(diǎn)亮。這種驅(qū)動(dòng)方式與74LS164的輸出特性非常匹配，使得電路設(shè)計(jì)更加直觀和簡潔。

• 市場普遍性： 共陰極數(shù)碼管在市場上應(yīng)用更為廣泛，型號選擇多樣，采購方便，價(jià)格合理。

• 顯示效果： LED數(shù)碼管具有自發(fā)光特性，亮度高，視角寬，對比度好，即使在光線較強(qiáng)的環(huán)境下也能清晰顯示。

器件功能詳解： 一個(gè)單位的LED數(shù)碼管通常由7段（a, b, c, d, e, f, g）LED以及一個(gè)小數(shù)點(diǎn)（dp）LED組成。每個(gè)LED段都對應(yīng)一個(gè)發(fā)光二極管。

• 共陰極數(shù)碼管： 在共陰極數(shù)碼管中，所有LED段的陰極都連接在一起，形成一個(gè)公共陰極引腳。這個(gè)公共陰極引腳需要連接到電源的低電平（通常是地）。當(dāng)需要點(diǎn)亮某個(gè)LED段時(shí)，需要給對應(yīng)的段選引腳施加高電平，形成正向偏壓，從而使電流流過LED并使其發(fā)光。

• 段選線： 這些引腳（a, b, c, d, e, f, g, dp）分別控制數(shù)碼管的各個(gè)筆段和小數(shù)點(diǎn)。在本設(shè)計(jì)中，它們將連接到74LS164的并行輸出端（QA-QH）。

• 位選線（對于多位數(shù)碼管）： 對于多位LED數(shù)碼管，除了段選線外，每位數(shù)碼管還有一個(gè)公共引腳（共陰極），稱為位選線。在動(dòng)態(tài)掃描顯示中，單片機(jī)通過控制這些位選線的通斷，來決定哪一位數(shù)碼管被點(diǎn)亮。例如，對于共陰極數(shù)碼管，位選線通常通過一個(gè)PNP型三極管（或PMOS管）連接到電源，單片機(jī)通過控制三極管的基極（或MOS管的柵極）來選擇導(dǎo)通或截止，從而實(shí)現(xiàn)對數(shù)碼管公共陰極的通斷控制。

5. 電源模塊與輔助電路

電源模塊：元器件型號優(yōu)選：7805線性穩(wěn)壓器

選擇理由與器件功能： 電子電路的穩(wěn)定運(yùn)行離不開穩(wěn)定的電源。7805是一款非常常用的三端正向線性穩(wěn)壓器，能將輸入電壓（通常高于5V）穩(wěn)定地輸出5V直流電壓。

• 穩(wěn)壓效果好： 7805具有良好的輸出電壓穩(wěn)定性，可以有效地濾除輸入電壓的波動(dòng)和紋波，為AT89C2051和74LS164提供純凈、穩(wěn)定的5V工作電壓，確保芯片的正常運(yùn)行和顯示效果的穩(wěn)定性。

• 使用簡單： 7805只需要很少的外圍元件（通常是輸入和輸出端的濾波電容），即可構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的5V電源電路，簡化了電源部分的設(shè)計(jì)。

• 成本低廉： 7805是一款非常成熟且量產(chǎn)的器件，價(jià)格非常經(jīng)濟(jì)。

• 過流/過熱保護(hù)： 7805內(nèi)部集成了過流和過熱保護(hù)電路，可以提高電路的可靠性，防止因過載或過熱導(dǎo)致的損壞。

輔助電路：

• 晶振電路：元器件型號優(yōu)選：11.0592MHz無源晶振，2個(gè)22pF陶瓷電容

  選擇理由與器件功能： 晶振為AT89C2051提供精確的時(shí)鐘源，決定了單片機(jī)運(yùn)行的速度和定時(shí)器的精度。

• 提供時(shí)鐘： AT89C2051的運(yùn)行需要外部時(shí)鐘信號，晶振配合兩個(gè)電容構(gòu)成一個(gè)振蕩電路，為單片機(jī)提供穩(wěn)定的時(shí)鐘脈沖，確保指令執(zhí)行、定時(shí)器計(jì)數(shù)和串行通信的準(zhǔn)確性。

• 標(biāo)準(zhǔn)頻率： 11.0592MHz是51系列單片機(jī)常用的晶振頻率，它能使UART（串行通信）產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的波特率，便于與PC或其他設(shè)備進(jìn)行通信。

• 穩(wěn)定性： 晶振的頻率穩(wěn)定性直接影響單片機(jī)系統(tǒng)的整體性能。無源晶振具有較高的頻率精度和穩(wěn)定性。

• 復(fù)位電路：元器件型號優(yōu)選：10uF電解電容，10KΩ電阻，復(fù)位按鈕（可選）

  選擇理由與器件功能： 復(fù)位電路用于在系統(tǒng)上電或出現(xiàn)故障時(shí)，將單片機(jī)復(fù)位到初始狀態(tài)，確保程序的可靠執(zhí)行。

• 上電復(fù)位： RC（電阻-電容）復(fù)位電路可以在系統(tǒng)上電時(shí)，自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)短暫的低電平復(fù)位脈沖，使單片機(jī)正確啟動(dòng)。10uF電容和10KΩ電阻的組合可以提供足夠的復(fù)位時(shí)間。

• 手動(dòng)復(fù)位： 加入一個(gè)復(fù)位按鈕，可以在需要時(shí)手動(dòng)復(fù)位單片機(jī)，方便調(diào)試和故障排除。

• 可靠性： 良好的復(fù)位電路是確保單片機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。

• 限流電阻：元器件型號優(yōu)選：220Ω - 1KΩ電阻（根據(jù)數(shù)碼管亮度需求和實(shí)際測試調(diào)整）

  選擇理由與器件功能： 在每個(gè)LED數(shù)碼管的段選線與74LS164的輸出端之間串聯(lián)一個(gè)限流電阻是必不可少的。

• 保護(hù)LED： LED是電流敏感型器件，如果沒有限流電阻，當(dāng)LED兩端電壓超過其正向?qū)妷簳r(shí)，電流會(huì)急劇增大，可能導(dǎo)致LED過流燒毀。限流電阻可以限制流過LED的電流，使其工作在額定電流范圍內(nèi)，延長其壽命。

• 控制亮度： 通過調(diào)整限流電阻的阻值，可以改變流過LED的電流，從而調(diào)節(jié)數(shù)碼管的顯示亮度。阻值越大，電流越小，亮度越低；反之，阻值越小，電流越大，亮度越高。

• 電流均勻： 確保每個(gè)LED段的亮度基本一致。

6. 電路原理與連接

以下是基于上述元器件的電路連接示意和原理說明：

1. AT89C2051單片機(jī)：

• VCC和GND：連接到5V電源和地。

• XTAL1和XTAL2：連接11.0592MHz晶振和兩個(gè)22pF電容。

• RST（復(fù)位）：連接復(fù)位電路，包括10uF電容、10KΩ電阻和可選的復(fù)位按鈕。

• P1.0（或P1.X）：配置為串行數(shù)據(jù)輸出引腳，連接到74LS164的DATA A（或DATA B）輸入端。

• P1.1（或P1.Y）：配置為時(shí)鐘輸出引腳，連接到74LS164的CLK輸入端。

• P3口（或P1口剩余引腳）：對于多位數(shù)碼管，P3口或P1口的其他引腳將用于控制數(shù)碼管的位選，通常通過PNP三極管驅(qū)動(dòng)。

2. 74LS164移位寄存器：

• VCC和GND：連接到5V電源和地。

• DATA A（或DATA B）：連接到AT89C2051的串行數(shù)據(jù)輸出引腳（例如P1.0）。

• CLK：連接到AT89C2051的時(shí)鐘輸出引腳（例如P1.1）。

• CLR：連接到高電平（不使用清零功能時(shí)）或通過一個(gè)I/O口控制（需要清零功能時(shí)）。在本設(shè)計(jì)中，通常連接到高電平，因?yàn)榍辶悴僮骺梢酝ㄟ^軟件控制數(shù)據(jù)輸出來實(shí)現(xiàn)。

• QA-QH：連接到LED數(shù)碼管的段選引腳（a, b, c, d, e, f, g, dp），每個(gè)輸出端與對應(yīng)的LED段之間串聯(lián)一個(gè)限流電阻。例如，QA連接到段a，QB連接到段b，以此類推。

3. LED數(shù)碼管（共陰極）：

• 段選引腳（a, b, c, d, e, f, g, dp）：通過限流電阻連接到74LS164的QA-QH輸出端。

• 公共陰極：對于單位數(shù)碼管，直接接地。對于多位數(shù)碼管，每個(gè)數(shù)碼管的公共陰極通過一個(gè)PNP三極管（例如S8550或2N3906）或PMOS管連接到電源。單片機(jī)通過控制三極管的基極電流（或MOS管的柵極電壓）來控制其導(dǎo)通與否，從而選擇點(diǎn)亮哪一位數(shù)碼管。例如，當(dāng)P3.2輸出低電平，通過基極電阻使PNP三極管導(dǎo)通，對應(yīng)的數(shù)碼管公共陰極被拉低，該數(shù)碼管被點(diǎn)亮。

4. 動(dòng)態(tài)掃描顯示原理：

• 假設(shè)要顯示“123”，需要3位數(shù)碼管。

• 步驟1： 單片機(jī)將“1”的段碼（對應(yīng)數(shù)碼管段a-g的亮滅組合）通過串行方式發(fā)送給74LS164。

• 步驟2： 74LS164接收并并行輸出這些段碼，點(diǎn)亮第一位數(shù)碼管對應(yīng)的段。同時(shí)，單片機(jī)將第一位數(shù)碼管的位選線置為有效（例如，將控制第一位數(shù)碼管公共陰極的三極管導(dǎo)通）。此時(shí)，只有第一位數(shù)碼管顯示“1”。

• 步驟3： 經(jīng)過極短的時(shí)間（通常為幾毫秒），單片機(jī)關(guān)閉第一位數(shù)碼管的位選（三極管截止）。

• 步驟4： 接著，單片機(jī)將“2”的段碼發(fā)送給74LS164。

• 步驟5： 74LS164輸出“2”的段碼，同時(shí)單片機(jī)將第二位數(shù)碼管的位選線置為有效。此時(shí)，只有第二位數(shù)碼管顯示“2”。

• 步驟6： 重復(fù)上述過程，依次點(diǎn)亮第三位數(shù)碼管顯示“3”。

• 循環(huán)： 單片機(jī)以極高的頻率（例如，每秒掃描幾十次到上百次）在所有數(shù)碼管之間快速循環(huán)執(zhí)行上述過程。由于人眼的視覺暫留效應(yīng)，當(dāng)掃描頻率足夠高時(shí)，人眼無法分辨出數(shù)碼管是逐位點(diǎn)亮的，而是感覺所有數(shù)碼管都在同時(shí)顯示，從而實(shí)現(xiàn)了多位顯示。

7. 軟件設(shè)計(jì)思路

軟件部分是實(shí)現(xiàn)LED數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示的關(guān)鍵。主要包括以下幾個(gè)模塊：

1. 初始化模塊：

• 配置AT89C2051的I/O口：將連接74LS164的P1口引腳設(shè)置為輸出模式。

• 配置定時(shí)器：選擇一個(gè)定時(shí)器（例如Timer 0）設(shè)置為工作模式1（16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器模式），并設(shè)置合適的初值，使其能夠以所需的掃描頻率產(chǎn)生中斷。

• 開啟中斷：使能定時(shí)器中斷和全局中斷。

2. 數(shù)碼管段碼表：

• 在程序中定義一個(gè)查找表（數(shù)組），存儲0-9以及小數(shù)點(diǎn)等字符對應(yīng)的7段碼。例如，對于共陰極數(shù)碼管，顯示數(shù)字“0”的段碼可能為0x3F (二進(jìn)制00111111)，其中1表示點(diǎn)亮，0表示熄滅。

3. 顯示數(shù)據(jù)緩沖區(qū)：

• 定義一個(gè)數(shù)組來存儲當(dāng)前需要顯示在每位數(shù)碼管上的數(shù)字或字符。例如，如果顯示“123”，則數(shù)組可能存儲[1, 2, 3]。

4. 動(dòng)態(tài)掃描中斷服務(wù)程序：

• 這是軟件的核心部分，通常在定時(shí)器中斷中執(zhí)行。

• 掃描指針： 定義一個(gè)變量作為掃描指針，每次中斷時(shí)指向下一位數(shù)碼管。

• 位選控制： 根據(jù)掃描指針的值，控制對應(yīng)位選三極管的通斷，使其導(dǎo)通（點(diǎn)亮當(dāng)前位）。同時(shí)，關(guān)閉前一位數(shù)碼管的位選。

• 段碼發(fā)送： 根據(jù)顯示數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中當(dāng)前位的數(shù)據(jù)，從段碼表中查找對應(yīng)的段碼。然后，將該段碼通過串行方式逐位發(fā)送給74LS164。發(fā)送過程需要配合時(shí)鐘脈沖，即每發(fā)送一位數(shù)據(jù)，就產(chǎn)生一個(gè)時(shí)鐘脈沖。

• 更新掃描指針： 掃描指針遞增，如果達(dá)到最大位數(shù)，則回繞到第一位，實(shí)現(xiàn)循環(huán)掃描。

5. 主程序：

• 調(diào)用初始化函數(shù)。

• 在主循環(huán)中，可以根據(jù)需要更新顯示數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的內(nèi)容，例如從傳感器讀取數(shù)據(jù)，或者進(jìn)行其他計(jì)算。

• 主循環(huán)不直接控制顯示，而是通過修改顯示數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的內(nèi)容，由中斷服務(wù)程序來自動(dòng)刷新顯示。

串行發(fā)送子程序示例（偽代碼）：

void Send_74LS164_Data(unsigned char data) {
    unsigned char i;
    for (i = 0; i < 8; i++) {
        // 先發(fā)送高位或低位，取決于具體實(shí)現(xiàn)，這里假設(shè)從最高位開始發(fā)送
        if (data & 0x80) { // 判斷最高位是否為1
            P1_0 = 1; // 數(shù)據(jù)線置高
        } else {
            P1_0 = 0; // 數(shù)據(jù)線置低
        }
        P1_1 = 1; // 時(shí)鐘脈沖上升沿
        Delay_us(1); // 延時(shí)一小段時(shí)間，確保時(shí)鐘脈沖寬度
        P1_1 = 0; // 時(shí)鐘脈沖下降沿
        Delay_us(1); // 延時(shí)一小段時(shí)間
        data <<= 1; // 數(shù)據(jù)左移一位，準(zhǔn)備發(fā)送下一位
    }
}

8. 設(shè)計(jì)考量與注意事項(xiàng)

1. 功耗問題： 雖然LED數(shù)碼管本身功耗不高，但在多位數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描時(shí)，瞬時(shí)電流可能會(huì)較大。需要確保電源模塊能夠提供足夠的電流。同時(shí)，合理選擇限流電阻，在保證亮度的情況下，盡量降低功耗。

2. 掃描頻率： 掃描頻率是影響顯示效果的關(guān)鍵。過低的掃描頻率會(huì)導(dǎo)致肉眼感知到明顯的閃爍；過高的掃描頻率雖然能消除閃爍，但可能會(huì)增加單片機(jī)的處理負(fù)擔(dān)和功耗。通常，掃描頻率設(shè)置在50Hz-100Hz以上即可滿足人眼的視覺暫留要求。

3. 鬼影現(xiàn)象（Ghosting）： 在動(dòng)態(tài)掃描顯示中，由于不同位之間的切換速度不夠快，或者驅(qū)動(dòng)電路的響應(yīng)時(shí)間不一致，可能會(huì)出現(xiàn)“鬼影”現(xiàn)象，即當(dāng)前不應(yīng)點(diǎn)亮的數(shù)碼管上出現(xiàn)微弱的殘影?？梢酝ㄟ^在位選切換時(shí)，先關(guān)閉所有位選，再發(fā)送下一位的段碼，最后再點(diǎn)亮對應(yīng)位的位選，或者在每位切換時(shí)，短暫地關(guān)閉74LS164的輸出（如果可行），來減輕或消除鬼影。

4. 抗干擾設(shè)計(jì)： 在電源輸入端和芯片VCC引腳附近，應(yīng)放置0.1uF的去耦電容，用于濾除高頻噪聲，確保電源的穩(wěn)定性。合理的地線布局和走線也可以有效減少電磁干擾。

5. 限流電阻的計(jì)算： 限流電阻的阻值 R 可以根據(jù)以下公式近似計(jì)算：R=(VCC?VF)/IF，其中 VCC 是供電電壓（5V），VF 是LED的正向?qū)妷海ㄍǔ?.8V-2.2V），IF 是LED的額定工作電流（通常為5mA-20mA）。實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)亮度需求進(jìn)行微調(diào)。

6. 共陰極與共陽極的選擇： 本文以共陰極數(shù)碼管為例，若選擇共陽極數(shù)碼管，則74LS164的輸出邏輯需要反轉(zhuǎn)，或者使用PNP型三極管作為段選驅(qū)動(dòng)。位選部分也需要相應(yīng)調(diào)整，共陽極數(shù)碼管的公共陽極需要通過NPN型三極管接地，單片機(jī)輸出高電平使其導(dǎo)通。

7. 可靠性： 在實(shí)際設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮元器件的耐壓、功耗等參數(shù)，預(yù)留一定的裕量，避免長時(shí)間工作在極限條件下。焊接質(zhì)量、PCB板材等也影響系統(tǒng)的長期可靠性。

9. 總結(jié)

基于AT89C2051單片機(jī)和74LS164的LED數(shù)碼管顯示電路設(shè)計(jì)方案，充分利用了AT89C2051的微控制器能力和74LS164的I/O擴(kuò)展功能，實(shí)現(xiàn)了高效、穩(wěn)定的多位LED數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描顯示。該方案不僅降低了硬件成本和布線復(fù)雜度，而且通過軟件編程靈活控制顯示內(nèi)容，具有較高的實(shí)用價(jià)值和學(xué)習(xí)意義。通過對核心元器件的深入理解和合理選用，以及對電路原理和軟件設(shè)計(jì)的精細(xì)把控，可以構(gòu)建出滿足各種需求的LED數(shù)碼管顯示系統(tǒng)。無論是作為教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺，還是應(yīng)用于實(shí)際的產(chǎn)品開發(fā)，此設(shè)計(jì)方案都提供了一個(gè)堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)和清晰的指導(dǎo)方向。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，雖然有更多集成度更高、功能更強(qiáng)大的顯示驅(qū)動(dòng)芯片出現(xiàn)，但基于AT89C2051和74LS164的經(jīng)典組合依然因其成本效益和易學(xué)性，在許多簡單的嵌入式顯示應(yīng)用中占據(jù)一席之地。深入掌握這種基礎(chǔ)設(shè)計(jì)思想，對于理解更復(fù)雜的數(shù)字顯示系統(tǒng)也具有重要的啟示作用。