擎天柱Ai8051U-LQFP48转89C52-DIP40扩展电路开源系列（四）数码管显示电路（上）
贵州水利水电职业技术学院EDA社团学习AI8051U单片机，用的是大学计划AI8051U试验箱的程序，同学们手头只有擎天柱AI8051U核心板，由于成本控制的原因，该核心板没有板载数码管，无法再现《8051U深度入门到32位51大型实战教学视频》的数码管源码例程，为了解决这个痛点，我们设计了这款4位数码板。
图1：擎天柱AI8051U核心板
一. 电路组成
- 微控制器：通过其I/O引脚输出BCD码。
- SN74HC04N反相器：对微控制器输出的BCD码进行反相。
- CD4511BE数码管驱动芯片：将反相后的BCD码转换为七段显示信号。-
- 共阴极数码管：显示数字。
二. 电路原理
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微控制器输出：
- 微控制器通过其I/O引脚输出A1~A4的BCD码。BCD码是一种用4位二进制数表示十进制数的编码方式，每一位对应一个十进制数的位。
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反相处理：
- 输出的BCD码信号被送入SN74HC04N反相器。SN74HC04N对输入的信号进行反相处理，即高电平变为低电平，低电平变为高电平。这是因为CD4511BE需要反相后的信号来正确驱动共阴极数码管。
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BCD码输入到CD4511BE：
- 反相后的BCD码通过A4~A8引脚输入到CD4511BE的输入端。CD4511BE内部将BCD码转换为七段显示信号，以控制数码管的各个段（a-g）的亮灭。
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驱动数码管：
- CD4511BE输出的七段显示信号直接驱动共阴极数码管的各个段。由于数码管是共阴极的，其公共阴极接地，每个段的阳极连接到CD4511BE的输出端。当CD4511BE的输出端输出高电平时，对应的段会点亮；输出低电平时，对应的段会熄灭。
二、硬件选型
1.CD4511BE
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CD4511BE是一款BCD到七段显示译码器/驱动器，用于驱动共阴极或共阳极的七段数码管。
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CD4511BE采用互补MOS（CMOS）增强模式器件和NPN双极输出驱动器集成在单一单片结构中。该电路提供了4位存储锁存器、8421 BCD到七段解码器的功能以及输出驱动能力。Lamp test (LT)、blanking (BI)和latch enable (LE)输入分别用于测试显示器、关闭或脉冲调制显示器的亮度以及存储BCD代码。这些器件结合了RCA CMOS的低静态功耗和高抗噪能力，以及能够提供高达25 MA的npn双极输出晶体管。此功能使CD4511B可以直接驱动LED和其他显示器。在共阳极数码管中，CD4511BE的输出端（a-g和dp）需要连接到数码管的各个段，而数码管的公共阳极连接到电源正极。
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图3：CD4511BE
- 图4：CD4511BE引脚
- CD4511引脚功能：
BI：4脚是消隐输入控制端，当BI=0 时，不管其它输入端状态是怎么样的，七段数码管都会处于消隐也就是不显示的状态。
LE：锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。 LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。
LT：3脚是测试信号的输入端，当BI=1，LT=0 时，译码输出全为1，不管输入 DCBA 状态如何，七段均发亮全部显示。它主要用来检测数7段码管是否有物理损坏。
A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端。
a、b、c、d、e、f、g：为译码输出端，输出为高电平1有效。
CD4511的里面有上拉电阻，可直接或者接一个电阻与七段数码管引脚连接。
低逻辑电路功耗
高电流源输出（高达25 mA）
代码锁存存储
消隐输入
灯测试功能
所有非法输入组合上的读出消隐
灯强度调制能力
时间共享（多路复用）功能
等同于Motorola MC14511
直流电源电压 (VDD) -5V至+18V
输入电压 (VIN) -5V至VDD +5V
存储温度范围 (TS) -65°C至+150°C
功耗 双列直插式 700 mW 小外形 500 mW
引脚温度（焊接，10秒）260°C
直流电源电压 (VDD) 3V至15V
输入电压 (VIN) 0V至VDD
工作温度范围 (TA) -40°C至+85°C
2.SN74HC04N反相器
- SN74HC04N是一款六路反相器，用于将输入信号反相。在该电路中，反相器用于将微控制器输出的BCD码反相，以适应CD4511BE的输入要求。
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图5：SN74HC04N反相器
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图6：SN74HC04N反相器参数
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特点
缓冲输入
宽工作电压范围：2V至6V
规定工作温度范围：-40°C至+125°C
封装信息：DIP-14/SOP-14/TSSOP-14
同步反相时钟输入
抖动消除开关
反相数字信号
绝对最大额定值：
供电电压（Vec）：-0.5至+7V
输入钳位电流（Iik）：±20mA（当V<-0.5V或Vi>Vcc+0.5V时）
输出钳位电流（Iok）：±20mA（当Vo<-0.5V或Vo>Vcc+0.5V时）
输出电流（Io）：±25mA（当-0.5V<Vo<Vcc+0.5V时）
供电电流（Icc）：50mA
地电流（IGND）：-50mA
总功耗（Ptot）：500mW
存储温度（Tstg）：-65至+150°C
焊接温度（TL）：10秒，DIP为245°C，SOP/TSSOP为260°C
供电电压（Vec）：2.0至6.0V
输入电压（Vi）：0至Vcc
输出电压（Vo）：0至Vcc
引脚1：1A（数据输入） 引脚2：1Y（数据输出）
引脚3：2A（数据输入） 引脚4：2Y（数据输出）
引脚5：3A（数据输入） 引脚6：3Y（数据输出）
引脚7：GND（地，0V） 引脚8：4Y（数据输出）
引脚9：4A（数据输入） 引脚10：5Y（数据输出）
引脚11：5A（数据输入） 引脚12：6Y（数据输出）
引脚13：6A（数据输入） 引脚14：Vcc（供电电压）
3.SR440801N/32数码管
- SR440801N/32数码管是共阴极4位0.8英寸红色数码管
- 图7：SR440801N/32共阴极4位0.8英寸红色数码管
- 图8：SR440801N/32共阴极4位0.8英寸红色数码管电路原理和外形尺寸
三、PCB设计
四、结语与感悟
本电路使用了七段译码器、反相器和4位数码管，在学习单片机之前，掌握这些内容，有助于对单片机驱动数码管电路的理解，更是对数码显示编程原理的提前预习，该电路结构简单，对初学者非常友好，没有任何可以调整的部位，只要是不插错元件，一次就可以成功，若是对自己的焊接技术没有信心，可以先焊接IC插座，然后插上芯片再通电试机。
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