樹莓派GPIO入門05-驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示數(shù)字

這次我們用樹莓派的GPIO口驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管來顯示數(shù)字，進(jìn)而制作一個(gè)簡單的電子鐘，通過按鈕來切換顯示時(shí)間或日期。

最終效果

樹莓派GPIO入門05-驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示數(shù)字

硬件

• 數(shù)碼管一只。因?yàn)樾枰@示日期時(shí)間所以需要能顯示4個(gè)數(shù)字的數(shù)碼管，也稱4位數(shù)碼管。淘寶買1塊多錢一只。注意數(shù)碼管有共陽和共陰的。我這里使用的是共陽的。至于區(qū)別，下面的原理說明里會(huì)詳細(xì)解釋。
• 杜邦線若干。
• 面包板一塊。
• 按鈕1只。

原理說明

• 標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)碼管從顯示內(nèi)容上分7段和8段數(shù)碼管兩種。8段比7段多一個(gè)右下角的小數(shù)點(diǎn)。還有一些其他特殊的如可以顯示米字形的數(shù)碼管不在本文討論范圍內(nèi)，其實(shí)原理都是一樣的。
• 8段數(shù)碼管由8個(gè)發(fā)光二極管組成，其中7個(gè)用于組成數(shù)字，1個(gè)用于顯示小數(shù)點(diǎn)。每一根的編號(hào)如下圖的右上角所示(A-G,DP)。
  4位共陽8段數(shù)碼管原理圖

• 數(shù)碼管從電源極性上分共陽和共陰兩種。解釋一下，如果數(shù)碼管上每一個(gè)獨(dú)立的發(fā)光二極管都單獨(dú)引出兩根引腳，一根接正極(陽)一根接負(fù)極(陰)，那么一個(gè)8段數(shù)碼管就需要16根引腳來控制。但其實(shí)這8段數(shù)碼管完全可以在內(nèi)部共用一個(gè)陽級(jí)，只控制各段發(fā)光二極管的陰級(jí)聯(lián)通即可，這就是共陽。反之亦然，叫共陰。共陽或共陰的每個(gè)8段數(shù)碼管只需要引出9個(gè)引腳，1個(gè)陽(陰)級(jí)接到樹莓派vcc(gnd)上，另外8個(gè)分別連到gpio口上，通過控制io口高低電平即可顯示所需數(shù)字。比如一只共陽數(shù)碼管想顯示數(shù)字1，看LED編號(hào)圖可知需要點(diǎn)亮b段和c段，其他全滅。那么連到共陽端引腳的io口輸出高電平，連到引腳b、c的io口輸出低電平，連到引腳a、d、e、f、g、dp的io口均輸出高電平即可。寫成代碼就是：

  12345678910111213141516171819202122232425262728

  # 定義各段發(fā)光二極管對(duì)應(yīng)的GPIO口LED_A = 26LED_B = 19LED_C = 13LED_D = 6LED_E = 5LED_F = 11LED_G = 9LED_DP = 10# 定義數(shù)碼管共陽極對(duì)應(yīng)的GPIO口VCC = 12# 避免閃爍，在輸出數(shù)字字形信號(hào)前先拉低共陽端，關(guān)閉顯示RPi.GPIO.output(VCC, False)# 輸出數(shù)字1的字形信號(hào)RPi.GPIO.output(LED_A, True)RPi.GPIO.output(LED_B, False)RPi.GPIO.output(LED_C, False)RPi.GPIO.output(LED_D, True)RPi.GPIO.output(LED_E, True)RPi.GPIO.output(LED_F, True)RPi.GPIO.output(LED_G, True)RPi.GPIO.output(LED_DP, True)# 最后拉高共陽段，顯示數(shù)字RPi.GPIO.output(VCC, True)

• 本文使用的數(shù)碼管是8段共陽4位(4個(gè)數(shù)字)數(shù)碼管，型號(hào)是F3461BH。上面說了共陽數(shù)碼管每個(gè)數(shù)字需要9個(gè)引腳來控制，那么4個(gè)數(shù)字就需要36個(gè)引腳嗎？顯然不現(xiàn)實(shí)，樹莓派的io口也完全不夠用。這就引出另一個(gè)概念，靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)掃描顯示。

• 靜態(tài)顯示，就是前面說的每一個(gè)數(shù)字需要占用8個(gè)io口，每多一個(gè)數(shù)字就需要額外的8個(gè)io口，如果數(shù)字位數(shù)不多，io口夠用的話，這樣做完全沒問題。實(shí)際應(yīng)用中往往需要顯示多個(gè)數(shù)字，io口基本上是不夠用的。這就需要?jiǎng)討B(tài)掃描顯示了。下面摘一段百度百科關(guān)于動(dòng)態(tài)掃描顯示的說明(稍有改動(dòng)):

  數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示接口是單片機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一，動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)是將所有數(shù)碼管的8個(gè)顯示筆劃”a,b,c,d,e,f,g,dp”的同名端連在一起引出8個(gè)引腳，每個(gè)數(shù)字再單獨(dú)引出共陽(陰)端，這樣總引腳數(shù)就只要8 + 數(shù)字個(gè)數(shù)即可，本文使用的8段4位數(shù)碼管正是引出了12個(gè)引腳。至于哪個(gè)引腳對(duì)應(yīng)哪一段，哪幾個(gè)引腳分別對(duì)應(yīng)各數(shù)字的共陽(陰)端，就需要商家提供電路圖了。當(dāng)然也可以自己慢慢試，這不在本文討論范圍，大家可以自己摸索。當(dāng)樹莓派輸出8個(gè)段信號(hào)時(shí)，所有數(shù)碼管都會(huì)接收到相同的信號(hào)，但究竟是哪個(gè)數(shù)碼管會(huì)顯示出字形，取決于這個(gè)數(shù)碼管對(duì)應(yīng)的共陽(陰)極(后統(tǒng)稱位選端)有無導(dǎo)通。所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的位選端選通，該位就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會(huì)亮。通過分時(shí)輪流控制各個(gè)數(shù)碼管的的位選端，就使各個(gè)數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)。在輪流顯示過程中，每位數(shù)碼管的點(diǎn)亮?xí)r間為1～2ms，由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實(shí)際上各位數(shù)碼管并非同時(shí)點(diǎn)亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會(huì)有閃爍感，動(dòng)態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的I/O端口，而且功耗更低。

• 綜上，比如我們想要在4位共陽數(shù)碼管上顯示1234這4個(gè)數(shù)字，要做的就是：

• 避免閃爍，在輸出數(shù)字字形信號(hào)前先拉低所有4個(gè)共陽極，關(guān)閉所有顯示。
• 拉低1號(hào)數(shù)碼管的共陽極，關(guān)閉顯示。
• 輸出1號(hào)數(shù)碼管上希望顯示的數(shù)字字形信號(hào)。
• 只拉高1號(hào)數(shù)碼管的共陽極，讓1號(hào)數(shù)碼管顯示上面設(shè)置好的數(shù)字字形。
• 延時(shí)一段時(shí)間（1ms左右）
• 拉低1號(hào)數(shù)碼管的共陽極，關(guān)閉顯示。
• 輸出2號(hào)數(shù)碼管上希望顯示的數(shù)字字形信號(hào)。
• 只拉高2號(hào)數(shù)碼管的共陽極，讓2號(hào)數(shù)碼管顯示上面設(shè)置好的數(shù)字字形。
• 延時(shí)一段時(shí)間（1ms左右）
• 拉低2號(hào)數(shù)碼管的共陽極，關(guān)閉顯示。
• 輸出3號(hào)數(shù)碼管上希望顯示的數(shù)字字形信號(hào)。
• 只拉高3號(hào)數(shù)碼管的共陽極，讓3號(hào)數(shù)碼管顯示上面設(shè)置好的數(shù)字字形。
• 延時(shí)一段時(shí)間（1ms左右）
• 拉低3號(hào)數(shù)碼管的共陽極，關(guān)閉顯示。
• 輸出4號(hào)數(shù)碼管上希望顯示的數(shù)字字形信號(hào)。
• 只拉高4號(hào)數(shù)碼管的共陽極，讓4號(hào)數(shù)碼管顯示上面設(shè)置好的數(shù)字字形。
• 延時(shí)一段時(shí)間（1ms左右）
• 返回step2，循環(huán)執(zhí)行。
• 取得日期和時(shí)間的方法不是本文的重點(diǎn)，大家自己看代碼。

硬件連接

硬件連接圖

代碼

性能改善

當(dāng)你照著這篇文章成功在數(shù)碼管上顯示出數(shù)字后，你可能會(huì)郁悶的發(fā)現(xiàn)數(shù)字有一點(diǎn)點(diǎn)閃爍，顯示的不是非常穩(wěn)定，這種情況在樹莓派1代上更明顯。

• python庫對(duì)gpio口不停操作時(shí)對(duì)cpu的占用率很高，而一旦cpu的占用率一高，就不能保證延時(shí)函數(shù)的準(zhǔn)確性，而在動(dòng)態(tài)掃描時(shí)延時(shí)的不準(zhǔn)確會(huì)導(dǎo)致數(shù)碼管的亮度不穩(wěn)定，比如第一只數(shù)碼管顯示了2ms而第二只顯示了1ms的話，第一只數(shù)碼管的亮度就會(huì)略高于第二只數(shù)碼管，而參差不齊的延時(shí)最后就表現(xiàn)為數(shù)字顯示有閃爍的感覺。
• python庫本身翻轉(zhuǎn)gpio口的效率就不高，有興趣可以參照這個(gè)頁面，有各種語言各種庫對(duì)gpio的操作速度比較。比較結(jié)果是c的wiringPi庫完勝其他方式。其實(shí)python庫已經(jīng)是表現(xiàn)不錯(cuò)的了，但還是被c甩了N條街。python翻轉(zhuǎn)io口的頻率在70kHz左右，而wiringPi則可以達(dá)到4MHz！這個(gè)已經(jīng)是數(shù)量級(jí)上的差距了。

• 抱著試一試的心情，我用c語言的wiringPi庫把上面這個(gè)程序重寫了一遍，代碼是這個(gè)樣子的：

  123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404142434445464748495051525354555657585960616263646566676869707172737475767778798081828384858687888990919293949596979899100101102103104105106107108109110111112113114115116117118119120121122123124125126127128129130131132133134135136137138139140141142143144145146147148149150151152153154155156157158159160161162163164165166167168169170171172173174175176177178179180181182183184185186187188189190191192193194195196197198199200201202203204205206207208209210211212213214215216217218219220221222223224225226227228229

  #include #include #include // 定義單個(gè)數(shù)碼管各段led對(duì)應(yīng)的GPIO口// 使用命令 "gpio readall" 來獲取當(dāng)前pi版本對(duì)應(yīng)的各引腳的wiringPi和BCM的編號(hào)// 再本程序中應(yīng)該使用wiringPi編號(hào)// 我的pi2 Mode B執(zhí)行結(jié)果如下：（wPi列就是wiringPi編號(hào)）// 之前Python版本的代碼使用的是BCM編號(hào)，所以在不改變硬件接線的情況下，我們需要把原來BCM編號(hào)改成對(duì)應(yīng)的wiringPi編號(hào)。/* +-----+-----+---------+------+---+---Pi 2---+---+------+---------+-----+-----+ | BCM | wPi | Name | Mode | V | Physical | V | Mode | Name | wPi | BCM | +-----+-----+---------+------+---+----++----+---+------+---------+-----+-----+ | | | 3.3v | | | 1 || 2 | | | 5v | | | | 2 | 8 | SDA.1 | IN | 1 | 3 || 4 | | | 5V | | | | 3 | 9 | SCL.1 | IN | 1 | 5 || 6 | | | 0v | | | | 4 | 7 | GPIO. 7 | IN | 1 | 7 || 8 | 1 | ALT0 | TxD | 15 | 14 | | | | 0v | | | 9 || 10 | 1 | ALT0 | RxD | 16 | 15 | | 17 | 0 | GPIO. 0 | OUT | 0 | 11 || 12 | 0 | IN | GPIO. 1 | 1 | 18 | | 27 | 2 | GPIO. 2 | IN | 0 | 13 || 14 | | | 0v | | | | 22 | 3 | GPIO. 3 | IN | 0 | 15 || 16 | 0 | IN | GPIO. 4 | 4 | 23 | | | | 3.3v | | | 17 || 18 | 0 | IN | GPIO. 5 | 5 | 24 | | 10 | 12 | MOSI | IN | 0 | 19 || 20 | | | 0v | | | | 9 | 13 | MISO | IN | 0 | 21 || 22 | 0 | IN | GPIO. 6 | 6 | 25 | | 11 | 14 | SCLK | IN | 0 | 23 || 24 | 1 | IN | CE0 | 10 | 8 | | | | 0v | | | 25 || 26 | 1 | IN | CE1 | 11 | 7 | | 0 | 30 | SDA.0 | IN | 1 | 27 || 28 | 1 | IN | SCL.0 | 31 | 1 | | 5 | 21 | GPIO.21 | IN | 1 | 29 || 30 | | | 0v | | | | 6 | 22 | GPIO.22 | IN | 1 | 31 || 32 | 0 | IN | GPIO.26 | 26 | 12 | | 13 | 23 | GPIO.23 | IN | 0 | 33 || 34 | | | 0v | | | | 19 | 24 | GPIO.24 | IN | 0 | 35 || 36 | 0 | IN | GPIO.27 | 27 | 16 | | 26 | 25 | GPIO.25 | IN | 0 | 37 || 38 | 0 | IN | GPIO.28 | 28 | 20 | | | | 0v | | | 39 || 40 | 0 | IN | GPIO.29 | 29 | 21 | +-----+-----+---------+------+---+----++----+---+------+---------+-----+-----+ | BCM | wPi | Name | Mode | V | Physical | V | Mode | Name | wPi | BCM | +-----+-----+---------+------+---+---Pi 2---+---+------+---------+-----+-----+*/#define LED_A 25 //BCM：26#define LED_B 24 //BCM：19#define LED_C 23 //BCM：13#define LED_D 22 //BCM：6#define LED_E 21 //BCM：5#define LED_F 14 //BCM：11#define LED_G 13 //BCM：9#define LED_DP 12 //BCM：10// 定義1到4號(hào)數(shù)碼管陽極對(duì)應(yīng)的GPIO口#define DIGIT1 26 //BCM：12#define DIGIT2 27 //BCM：16#define DIGIT3 28 //BCM：20#define DIGIT4 29 //BCM：21// 定義按鈕輸入的GPIO口#define btn 2 //BCM：27#define FALSE 0#define TRUE 1#define t 5000 //usleep延時(shí)長度（單位um微秒，1000um＝1ms，1000ms＝1s）// 指定no(1-4)號(hào)數(shù)碼管顯示數(shù)字num(0-9)，第三個(gè)參數(shù)是顯示不顯示小數(shù)點(diǎn)（1/0）void showDigit(int no, int num, int showDotPoint);time_t now;struct tm *tm_now;int main (void) { wiringPiSetup () ; pinMode (LED_A, OUTPUT) ; pinMode (LED_B, OUTPUT) ; pinMode (LED_C, OUTPUT) ; pinMode (LED_D, OUTPUT) ; pinMode (LED_E, OUTPUT) ; pinMode (LED_F, OUTPUT) ; pinMode (LED_G, OUTPUT) ; pinMode (LED_DP, OUTPUT) ; pinMode (DIGIT1, OUTPUT) ; pinMode (DIGIT2, OUTPUT) ; pinMode (DIGIT3, OUTPUT) ; pinMode (DIGIT4, OUTPUT) ; pinMode (btn, INPUT) ; pullUpDnControl (btn, PUD_UP) ; digitalWrite (DIGIT1, HIGH) ; digitalWrite (DIGIT2, HIGH) ; digitalWrite (DIGIT3, HIGH) ; digitalWrite (DIGIT4, HIGH) ; for (; ; ) { time(&now); tm_now=localtime(&now); // 按鈕按下時(shí)顯示日期，否則顯示時(shí)間 // 為了區(qū)別左右的數(shù)字，讓第二個(gè)數(shù)碼管的小數(shù)點(diǎn)顯示出來 //（本來應(yīng)該是一個(gè)冒號(hào)，我們這個(gè)數(shù)碼管沒有，就用小數(shù)點(diǎn)代替了） if (digitalRead(btn) == HIGH) { usleep(t); showDigit(1, tm_now->tm_hour / 10, FALSE); usleep(t); showDigit(2, tm_now->tm_hour % 10, TRUE); usleep(t); showDigit(3, tm_now->tm_min / 10, FALSE); usleep(t); showDigit(4, tm_now->tm_min % 10, FALSE); } else { // 取得的月份和日期都是從0開始的，所以顯示前需要加1 usleep(t); showDigit(1, (tm_now->tm_mon+1) / 10, FALSE); usleep(t); showDigit(2, (tm_now->tm_mon+1) % 10, TRUE); usleep(t); showDigit(3, (tm_now->tm_mday+1) / 10, FALSE); usleep(t); showDigit(4, (tm_now->tm_mday+1) % 10, FALSE); } } return 0 ;}void showDigit(int no, int num, int showDotPoint) { // 先將正極拉低，關(guān)掉顯示 digitalWrite (DIGIT1, LOW) ; digitalWrite (DIGIT2, LOW) ; digitalWrite (DIGIT3, LOW) ; digitalWrite (DIGIT4, LOW) ; if (num == 0) { digitalWrite (LED_A, LOW) ; digitalWrite (LED_B, LOW) ; digitalWrite (LED_C, LOW) ; digitalWrite (LED_D, LOW) ; digitalWrite (LED_E, LOW) ; digitalWrite (LED_F, LOW) ; digitalWrite (LED_G, HIGH) ; } else if (num == 1) { digitalWrite (LED_A, HIGH) ; digitalWrite (LED_B, LOW) ; digitalWrite (LED_C, LOW) ; digitalWrite (LED_D, HIGH) ; digitalWrite (LED_E, HIGH) ; digitalWrite (LED_F, HIGH) ; digitalWrite (LED_G, HIGH) ; } else if (num == 2) { digitalWrite (LED_A, LOW) ; digitalWrite (LED_B, LOW) ; digitalWrite (LED_C, HIGH) ; digitalWrite (LED_D, LOW) ; digitalWrite (LED_E, LOW) ; digitalWrite (LED_F, HIGH) ; digitalWrite (LED_G, LOW) ; } else if (num == 3) { digitalWrite (LED_A, LOW) ; digitalWrite (LED_B, LOW) ; digitalWrite (LED_C, LOW) ; digitalWrite (LED_D, LOW) ; digitalWrite (LED_E, HIGH) ; digitalWrite (LED_F, HIGH) ; digitalWrite (LED_G, LOW) ; } else if (num == 4) { digitalWrite (LED_A, HIGH) ; digitalWrite (LED_B, LOW) ; digitalWrite (LED_C, LOW) ; digitalWrite (LED_D, HIGH) ; digitalWrite (LED_E, HIGH) ; digitalWrite (LED_F, LOW) ; digitalWrite (LED_G, LOW) ; } else if (num == 5) { digitalWrite (LED_A, LOW) ; digitalWrite (LED_B, HIGH) ; digitalWrite (LED_C, LOW) ; digitalWrite (LED_D, LOW) ; digitalWrite (LED_E, HIGH) ; digitalWrite (LED_F, LOW) ; digitalWrite (LED_G, LOW) ; } else if (num == 6) { digitalWrite (LED_A, LOW) ; digitalWrite (LED_B, HIGH) ; digitalWrite (LED_C, LOW) ; digitalWrite (LED_D, LOW) ; digitalWrite (LED_E, LOW) ; digitalWrite (LED_F, LOW) ; digitalWrite (LED_G, LOW) ; } else if (num == 7) { digitalWrite (LED_A, LOW) ; digitalWrite (LED_B, LOW) ; digitalWrite (LED_C, LOW) ; digitalWrite (LED_D, HIGH) ; digitalWrite (LED_E, HIGH) ; digitalWrite (LED_F, HIGH) ; digitalWrite (LED_G, HIGH) ; } else if (num == 8) { digitalWrite (LED_A, LOW) ; digitalWrite (LED_B, LOW) ; digitalWrite (LED_C, LOW) ; digitalWrite (LED_D, LOW) ; digitalWrite (LED_E, LOW) ; digitalWrite (LED_F, LOW) ; digitalWrite (LED_G, LOW) ; } else if (num == 9) { digitalWrite (LED_A, LOW) ; digitalWrite (LED_B, LOW) ; digitalWrite (LED_C, LOW) ; digitalWrite (LED_D, LOW) ; digitalWrite (LED_E, HIGH) ; digitalWrite (LED_F, LOW) ; digitalWrite (LED_G, LOW) ; } if (showDotPoint == 1) { digitalWrite (LED_DP, LOW) ; } else { digitalWrite (LED_DP, HIGH) ; } if (no == 1) { digitalWrite (DIGIT1, HIGH) ; } else if (no == 2) { digitalWrite (DIGIT2, HIGH) ; } else if (no == 3) { digitalWrite (DIGIT3, HIGH) ; } else if (no == 4) { digitalWrite (DIGIT4, HIGH) ; }}

• c的wiringPi庫的安裝和代碼的編譯執(zhí)行方法請(qǐng)自行百度。

• c語言測(cè)試結(jié)果是顯示穩(wěn)定了很多，但仍然有一點(diǎn)不穩(wěn)定不仔細(xì)觀察基本看不出來了。這個(gè)應(yīng)該跟我代碼的效率有關(guān)，邏輯應(yīng)該還可以精簡節(jié)省cpu資源。這個(gè)以后再試了。我們這個(gè)系列主要是讓大家了解各種基本外設(shè)傳感器的原理和使用方法。用c語言也只是做一點(diǎn)延伸，以后的教程還是以python為主。