STM32单片机开发板实验02：动态数码管实验
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实验目标
控制动态数码管从左至右显示数字 0-7。
认识数码管
数码管是半导体发光器件，用于显示数字、字母、简单图形符号等内容。数码管基本单元是发光二极管，数码管内部由多个发光二级管构成，多个发光二极管在同一时间的不同状态，组合为不同的数字、字母或图形符号。
数码管型号多样，有单位数码管、双位数码管、四位数码管、八位数码管等等，单位数码管仅能显示一个数字、字母或图形符号，多位数码管可以显示多个数字、字母或图形符号。实际上，多位数码管都可以由单位数码管构成，例如4个单位数码管可以构成四位数码管。
不管将几位数码管连在一起，数码管的显示原理都是一样的，都是靠点亮内部的发光二极管来发光，下面我们来看看单位数码管是如何显示数字的。
单位数码管一般由7个发光二极管组成，有共阴，共阳两种，八个引脚，七个引脚接7个发光二极管，一个引脚是公共端，若共阴，该引脚接地，若共阳，该引脚接电源的正极。
单位数码管内部基础电路如上图所示，显示一个数字需要7个小段，每个小段需要一个发光二极管，因此数码管的引脚至少为8个，其中7个引脚分别接二极管的正极或负极，另外1个引脚为公共端，若数码管为共阴极，该引脚接地，若数码管为共阳及，该引脚接电源。
对于共阳极数码管来说，7个发光二极管的正极连接在一起形成公共端，该公共端接电源，负极分别接单片机的I/O端口，当我们给数码管任一个阴极低电平时，对应的这个发光二极管就点亮了。例如：若需要数码管显示数字0，g引脚送低电平，其它引脚送高电平，这样数码管就显示数字0了；若需要数码管显示数字8，将所有引脚（公共端除外）送入低电平，数码管就显示数字8了。因此，若需要数码管显示数字，只需要给发光二极管引脚送入低电平或高电平就可以了。
数码管动态显示原理
在静态显示模式下，多位数码管可通过两种方式工作：单独点亮某一位，或同时点亮多位显示相同内容。其核心原理在于：所有数码管的段选信号并联，而位选信号独立控制。当多个位选信号同时有效时，由于共享相同的段选信号，这些数码管必然显示相同数字。
动态显示则采用分时复用技术：通过减少段选线数量、独立控制位选线，并快速轮巡切换显示内容。例如，先给第一位送入数字0的段选信号并开启其位选，随后关闭第一位，立即给第二位送入数字1的段选信号并开启其位选。为形成视觉暂留效果，需在24ms（人类视觉分辨临界值）内完成刷新循环，这样观察者会看到多位数字同时显示的假象。若延长刷新间隔，则可明显观察到逐位点亮的扫描过程。
硬件设计
本实验使用到硬件资源如下：
（1）动态数码管模块
（2）74HC138
开发板上的动态数码管模块电路如下图所示：
该电路的主要功能是通过STM32核心板控制动态数码管的显示。STM32核心板通过GPIO引脚输出高低电平，控制数码管的段选和位选引脚，从而点亮相应的段和选择相应的数码管，实现数字和小数点的显示。
该电路采用2片四位一体共阴数码管（共8位），所有数码管的段选信号（a-dp）并联输出，每位独立引出公共端（位选端）。段选信号通过74HC245驱动芯片连接至STM32的PA0-PA7引脚，位选信号则由PB5/PB4/PB3通过74HC138译码器控制。这种设计实现了8位数码管的动态扫描驱动。
74HC138芯片
两个4位一体共阴数码管共需要8根位选线（每个数码管4位×2个）。虽然单片机可以直接通过IO口控制这些位选线，但这种方案会占用过多单片机的IO资源。在实际应用中，人们通常采用IO扩展芯片来实现更高效的资源利用。
74HC138译码器仅需3个单片机IO口即可控制8个输出，管脚布局如下图：
引脚说明：
A0, A1, A2：3位二进制地址输入，用于选择输出线。
S1, S2, S3：使能输入，用于控制芯片的工作状态。
Y0至Y7：8个输出引脚，根据输入地址信号，其中一个输出为低电平，其余为高电平。
74HC138是一个3线—8线译码器，它将3位二进制输入（A0, A1, A2）译码为8个输出（Y0至Y7）中的一个低电平信号。使能引脚（S1, S2, S3）用于控制芯片是否工作。当S1为低电平且S2和S3为高电平时，芯片处于工作状态，根据输入地址信号，相应的输出引脚变为低电平。
74HC245驱动芯片
74HC245芯片可以在微控制器、计算机和其他数字电路之间实现数据总线的双向传输，它允许数据在两个方向上进行传输，具体方向由方向控制引脚（DIR）决定，并能提供较高的驱动电流。
74HC245芯片管脚布局如下图所示：
DIR（输入端）：方向控制输入端，用于控制数据传输的方向。当DIR为高电平时，74HC245芯片处于输出模式；当DIR为低电平时，芯片处于输入模式。
OE（输入端）：输出使能输入端，用于控制输出端口是否有效。当OE为高电平时，输出端口处于失能状态；当OE为低电平时，输出端口处于使能状态。
A1-A8、B1-B8（输入/输出端）：数据传输接口，用于连接不同总线之间进行数据传输。
GND（电源）：地线，接地使用。
VCC（电源）：电源正极，通常为+5V或+3.3V。
软件编程
创建项目
打开 STM32CubeIDE，点击File -> New -> STM32 Project。在弹出的New STM32 Project窗口中，选择对应的 STM32 微控制器型号STM32F103C8T6。
输入项目名称：“PZSTM32F103C8T6Test02”
项目创建完成后，在STM32CubeIDE左侧的“Project Explorer”窗口会列出项目目录。
配置项目
打开PZSTM32F103C8T6Test02.ioc文件。
一、配置GPIO端口
分析开发板上的动态数码管模块电路图，动态数码管模块的段选信号通过74HC245驱动芯片连接至STM32的PA0-PA7引脚，位选信号则由PB5/PB4/PB3通过74HC138译码器控制。因此需要配置PA0-PA7引脚和PB3~PB5引脚为推送输出模式。
生成代码
图形化配置完成，保存配置文件PZSTM32F103C8T6Test02.ioc，STM32CubeIDE会自动创建基础程序代码，基础代码目录结构如下图所示：
代码编写
数码管初始化及显示函数
本实验采用的是共阴极数码管，数码管数字0-&的码表为：
// 数码管段选码表（共阴数码管）
const uint8_t SEG_CODE[] = {
0x3F, // 0
0x06, // 1
0x5b, // 2
0x4f, // 3
0x66, // 4
0x6D, // 5
0x7D, // 6
0x07, // 7
};
本实验通过位选信号来控制数码管的某一位显示数字，enable_digit函数用于产生位选信号。
void enable_digit(uint8_t digit)
{
GPIO_PinState pin3_state = GPIO_PIN_RESET;
GPIO_PinState pin4_state = GPIO_PIN_RESET;
GPIO_PinState pin5_state = GPIO_PIN_RESET;
switch(digit) {
case 0: // A2A1A0=000 → Y0
pin3_state = GPIO_PIN_SET;
pin4_state = GPIO_PIN_SET;
pin5_state = GPIO_PIN_SET;
break;
case 1: // A2A1A0=001 → Y1
pin3_state = GPIO_PIN_RESET;
pin4_state = GPIO_PIN_RESET;
pin5_state = GPIO_PIN_SET;
break;
case 2: // A2A1A0=010 → Y2
pin3_state = GPIO_PIN_RESET;
pin4_state = GPIO_PIN_SET;
pin5_state = GPIO_PIN_RESET;
break;
case 3: // A2A1A0=011 → Y3
pin3_state = GPIO_PIN_RESET;
pin4_state = GPIO_PIN_SET;
pin5_state = GPIO_PIN_SET;
break;
case 4: // A2A1A0=100 → Y4
pin3_state = GPIO_PIN_SET;
pin4_state = GPIO_PIN_RESET;
pin5_state = GPIO_PIN_RESET;
break;
case 5: // A2A1A0=101 → Y5
pin3_state = GPIO_PIN_SET;
pin4_state = GPIO_PIN_RESET;
pin5_state = GPIO_PIN_SET;
break;
case 6: // A2A1A0=110 → Y6
pin3_state = GPIO_PIN_SET;
pin4_state = GPIO_PIN_SET;
pin5_state = GPIO_PIN_RESET;
break;
case 7: // A2A1A0=111 → Y7
pin3_state = GPIO_PIN_SET;
pin4_state = GPIO_PIN_SET;
pin5_state = GPIO_PIN_SET;
break;
default:
break;
}
HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_3, pin3_state);
HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_4, pin4_state);
HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_5, pin5_state);
}
函数用于控制一个74HC138译码器，通过设置GPIOB的PIN3、PIN4和PIN5三个引脚的电平状态，来选择8个不同的数码管位（Y0-Y7）。
void display() {
uint32_t last_scan_time = 0;
const uint32_t SCAN_INTERVAL = 2; // 扫描间隔(ms)
uint8_t current_digit = 0;
// 数码管动态扫描
if(HAL_GetTick() - last_scan_time >= SCAN_INTERVAL) {
last_scan_time = HAL_GetTick();
// 消隐处理
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_0|GPIO_PIN_1|GPIO_PIN_2|GPIO_PIN_3|GPIO_PIN_4|GPIO_PIN_5|GPIO_PIN_6|GPIO_PIN_7, GPIO_PIN_RESET);
// 选择数码管
enable_digit(current_digit);
// 输出段选数据
uint8_t seg_data = SEG_CODE[current_digit];
for(int j = 0; j < 8; j++) {
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_0 << j, (seg_data & (1 << j)) ? GPIO_PIN_SET : GPIO_PIN_RESET);
}
// 更新当前显示位
current_digit = (current_digit + 1) % 8;
}
}
函数实现了数码管动态扫描显示功能，通过周期性切换数码管的位选（选中当前显示位）和段选（输出对应字符的段码），实现多个数码管的动态显示。
变量last_scan_time记录上次扫描时刻，用于计算扫描间隔；变量SCAN_INTERVAL定义两次扫描之间的时间间隔为 2ms，合理的扫描间隔需小于人眼视觉暂留时间（约 50ms），否则会出现闪烁；变量current_digit表示当前正在驱动的数码管位（共 8 位，索引 0~7），每次扫描后递增并取模，实现循环扫描。
扫描间隔判断
if(HAL_GetTick() - last_scan_time >= SCAN_INTERVAL) {
last_scan_time = HAL_GetTick(); // 更新上次扫描时间
// 执行扫描操作
}
确保数码管扫描频率稳定在 1/SCAN_INTERVAL = 500Hz（即每 2ms 扫描一次）。
消隐处理
在切换数码管位选前，关闭所有段选引脚，避免前一位的段码残留在下一位上，产生重影。
初始化GPIO函数
初始化GPIO函数由STM32CubeIDE自动生成，我们需要在函数内任意位置添加下面两条语句：
__HAL_RCC_AFIO_CLK_ENABLE();
__HAL_AFIO_REMAP_SWJ_DISABLE ();
当需要将JTAG/SWD占用的引脚用作普通GPIO时（如驱动数码管、按键等），需先执行这两条语句。因为JTAG默认使用PB3和PB4引脚。
主函数
int main(void)
{
HAL_Init();
SystemClock_Config();
MX_GPIO_Init();
while (1)
{
display();
}
}
主函数内容比较简单，首先初始化相关外设和配置时钟，然后进入
while 循环，在循环内调用display函数。
编译和运行
配置输出HEX文件
STM32CubeIDE窗口，选择菜单栏Project -> Properties，弹出项目属性对话框。
项目属性对话框左侧列表项，选择C/C++Build->Settings。在项目属性对话框右侧Tool Settings选项卡内，选择“MCU/MPU Post build outputs”列表项，在其右侧的检查项中选中“Convert to Intel Hex fiile”。
构建工程
STM32CubeIDE窗口，选择菜单栏Project -> Build All，STM32CubeIDE会在Console窗口输出构建信息，若构建过程出现问题，根据错误信息进行修改。
下载程序到板卡
购买的开发板配套资料一般都提供了烧录程序，如普中开发板的烧录程序在在配套资料的开发工具/程序烧入目录内，可以看到里面有两个烧写软件：一个是“STC-ISP 下载”软件；另一个是普中公司研发的自动下载软件。STC-ISP 下载软件需要冷启动，即先点击下载然后开启单片机电源，普中公司研发的自动下载软件，只需一键即可下载，操作非常简单。
