每个LED都有一个阴极和一个阳极。阴极被连接到一个共阳极电源，而阳极则是通过控制电路来控制的。7段数码管的显示原理是通过控制不同的LED亮灭来显示不同的数字或字母。通过控制各个LED的阴极和阳极，可以实现各种数字和字母的组合显示。为了方便控制，通常使用了多路复用技术。在多路复用模式下，通过不同的电信号控制各个LED的阴极，从而实现显示不同的字符。除了数字和字母，7段数码管还可以显示一些特殊的符号，如小数点、减号等。这些符号通常使用额外的LED来实现。

总之，7段数码管是一种常用的电子显示器件，通过控制LED的亮灭来显示数字、字母和一些特殊符号。它在计算器、电子钟表、仪器仪表等领域得到广泛应用。

1.2 显示数据数据方法

1.2.1 共阳极数码管

共阳极数码管（Common Anode LED Display）是一种LED数字显示器件，它的每个数字由多个LED组成。它们通常具有共阳极（common anode）的极性，即所有的阳极都通过一个共阳极连接在一起，而每个LED的阴极则单独连接。

在共阳极数码管中，当需要显示某个特定数字时，只有该数字对应的LED会被激活，其他LED则保持关闭。通过控制各个LED的开关状态，可以实现显示不同的数字。

下图为共阳极LED结构如：

DIG-1, DIG-2，DGI-3,DIG-4为阳极，和驱动电路的VCC相连，A,B,C,D,E,F,G为控制引脚，改变该电平的状态。控制LED的亮灭，已实现实现相应的数据。

1.2.2 共阴极数码管

共阴极数码管（Common Cathode Digital Tube）是一种常见的显示器件，用于显示数字、字母和符号等信息。共阴极数码管由多个LED（发光二极管）组成，每个LED代表一个数字或字符的一部分。每个LED的阳极连接在一起，而阴极则分别与控制电路相连。

在共阴极数码管中，当某个LED的阴极接地时，该LED会亮起。通过控制电路，可以选择性地点亮某个或某些LED，从而显示出特定的数字或字符。共阴极数码管通常使用多位共阴极数码管，每个位置上有一个数码管。在显示一个数字时，需要依次点亮各个位置上的数码管。通过不断地改变电压和电流的控制，可以实现数码管上数字的刷新，从而呈现出连续的数字显示效果。

下图为共阴极LED结构如：

DIG-1, DIG-2，DGI-3,DIG-4为阴极，和驱动电路的GNG相连，A,B,C,D,E,F,G为控制引脚，改变该电平的状态。控制LED的亮灭，已实现实现相应的数据。

2 硬件结构

2.1 4位共阳极数码管

4为可显示时间段位共阳极LED模块使用74HC579驱动，对外有5个引脚，其定义参看下图

VCC: 电源引脚（3 ~ 5.2 V）

GND: 公共地

SDIO: 数据输入

LOAD: 锁存器时钟

SCLK：移位寄存器时钟

该模块有两个74HC595芯片，一个芯片的并行输出数据和LED的段位（a,b,c,d,e,f,g,dp）连接起来，另外一个引脚和4个数码管的共阳极连接起来。

2.2 认识74HC595

2.2.1 概述

74HC595是一种8位串行至并行移位寄存器，用于控制数字输出信号。它可以通过串行数据输入来控制8个数字输出引脚，并且可以级联多个74HC595寄存器以扩展输出数量。

74HC595寄存器具有以下主要特点：

高速操作：它可以在时钟信号的控制下将串行输入数据转换为并行输出数据，具有快速的数据传输速度。
扩展能力：通过级联多个74HC595寄存器，可以实现更多的输出引脚，从而扩展数字输出的能力。
串行输入：它具有一个串行输入引脚（SER），可以通过串行输入将数据传递给寄存器。
并行输出：它具有8个并行输出引脚（Q0-Q7），可以控制8个数字输出信号。
控制引脚：它具有时钟引脚（SRCLK）用于控制数据传输的时钟信号，锁存时钟引脚（RCLK）用于锁存并行输出数据，以及输出使能引脚（OE）用于控制输出的使能。
低功耗：74HC595寄存器具有低功耗特性，适用于电池供电设备或需要节能的应用。
应用广泛：由于其灵活性和易用性，74HC595寄存器广泛应用于各种数字输出控制应用，如LED显示屏控制、数码管控制、电机控制等。

总的来说，74HC595是一种常用的数字输出控制芯片，具有高速操作、扩展能力强和低功耗等特点，在各种数字控制应用中具有广泛的应用价值。

2.2.2 74HC595的工作原理

关于74HC595的详细资料，参考下列文档：

SNx4HC595 8-Bit Shift Registers With 3-State Output Registers datasheet (Rev. J) (ti.com)

下图为74HC595的硬件原理图：

由上图可知：

OE: 并行输出数据使能，低电平时有效

RCLK: 锁存寄存器时钟引脚，上升沿有效

SRCLK：移位寄存器时钟引脚，上升沿有效

SER: 数据输入引脚

SRCKR: 数据清除引脚，低电平有效

其具体功能定义如下：

2.2.3 操作方法

下面使用一段代码来介绍74HC595的控制方法


void hc595_send(unsigned char dat) {
    unsigned char i;
    for (i = 0; i < 8; i++) {
        SCK = 0;
        SER = dat & 0x80;  // 从高位开始发送数据
        dat <<= 1;
        SCK = 1;
    }
    RCK = 1;               // 移位完成，数据存储
    delay(1);
    RCK = 0;
}

原理框图：

3 使用Arduion驱动4段数码管

3.1 系统硬件结构

模块驱动引脚与Arduino UNO主板之间关系：

模块引脚	Arduino UNO 引脚	注释
RCLK	PIN-12	数据锁存器时钟
SCLK	PIN-13	移位寄存器时钟
DIO	PIN-11	数据输入

3.2 代码实现

3.2.1 功能描述

1) 定时器产生1000ms中断，用于产生

2）4为数码管上显示0~9999数据

3）使能" : "

3.2.2 显示：的技巧

由数据码的实现原理可知，只需将dp引脚置高（共阴极）或者置地（共阳极），即可以控制这个显示位。

由上图可得，dp 处于一个byte的最高位 bit-7， a~g对应是bit0~bit6。对于4个数据的数码管，时钟“：”处在第三个数据码的dp bit-7上，所以，控制它的方法如下：

3.2.3 编写和编译代码

使用Arduino IDE编写和编译代码

详细代码如下：


/***************************************************************
Copyright  2024-2029. All rights reserved.
文件名     : arduino_HC595_SMG4.ino
作者       : tangmingfei2013@126.com
版本       : V1.0
描述       : 显示0~9999数据
其他       : 无
日志       : 初版V1.0 2024/02/23
***************************************************************/
#include <MsTimer2.h>
 
int latchPin=12;    // 74HC595 - rclk
int clockPin=13;    // 74HC595 - sclk
int dataPin=11;     // 74HC595 - sdi
 
unsigned char smgduan[] = {0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x00};
 
unsigned char bitMa[] = {0x01, 0x02, 0x04, 0x08}; 
 
unsigned int cnt = 0;
 
void timer_irq()
{                       
  cnt++;
}
 
void setup() {
  pinMode(latchPin, OUTPUT);
  pinMode(clockPin, OUTPUT);
  pinMode(dataPin, OUTPUT); 
 
  // 中断设置函数，每 500ms 进入一次中断
  MsTimer2::set(1000, timer_irq);
  //开始计时
  MsTimer2::start();
}
 
void  display( unsigned char duan, unsigned char ch)
{
    unsigned char temp;
 
    digitalWrite(latchPin,LOW); //低电位表示启动
 
    temp = ~smgduan[duan];  
    if( ch == 2 )
    {
        temp = temp & (~0x80);
    }
    shiftOut(dataPin,clockPin,MSBFIRST,temp);
    shiftOut(dataPin,clockPin,MSBFIRST,bitMa[ch]);
 
    digitalWrite(latchPin,HIGH);              //高电位表示停止
}
 
void loop()
{
    unsigned char weibuff[4], i;
 
    weibuff[0] = (cnt%100)%10;
    weibuff[1] = (cnt%100)/10;
    weibuff[2] = (cnt%1000)/100; 
    weibuff[3] = cnt/1000; 
    for( i =0; i < 4; i++ )
    {
      display( weibuff[i] , i );
    }
 
    if( cnt > 9999 )
        cnt = 0;
}

4 测试

编译代码，然后将其下载到板卡中，可以看见，数码管上数据1s的时间间隔累加，且“：”也能正常的显示出来。

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