[前面的文章](https://www.h5jun.com/post/raspberry-pi.html)我們說過，樹莓派的 GPIO （通用輸入輸出）口設置為 OUTPUT 狀態時，可以用程序控制它的電平高低，從而輸出 0 和 1 邏輯。樹莓派 Model B+ 一共有 26 個 GPIO 接口，今天我們用它其中的 12 個來驅動一組 4 個[八段數碼管](http://baike.baidu.com/view/3080038.htm)。 在講解具體實現之前，我們先來看一下成品： [](http://weibo.com/p/230444961d86257b47c7ee06c08c0a42979814) 在這里，我們用一組 4 個八段數碼管來實現一個倒計時器，用 node.js 的命令行啟動，傳入一個 1~999 的數字參數來表示秒數，然后數碼管顯示對應的數字并開始倒計時，時間精確到 0.1 秒。 要實現這個功能，我們先來了解什么是八段數碼管，以及多位八段數碼管的顯示原理。 ## 八段數碼管 八段數碼管由 8 個發光二極管組成，其中 7 個用于組成數字，1 個用于顯示小數點。每一根的編號如下圖的右上角所示(A-G,DP)。  八段數碼管又分為共陽和共陰兩種，如果 8 個發光二極管共用 1 個正極，接 VCC，8 個輸入引腳輸入信號為低電平時點亮，叫做共陽數碼管。反過來，如果 8 個發光二極管共用 1 個負極，接 GND，8 個輸入引腳接入輸入信號為高電平時點亮，叫做共陰數碼管。本文采用的數碼管型號為[F3461BH](http://item.jd.com/10064834450.html)，是共陽數碼管。 從上面分析可知，八段數碼管有 8 個輸入，一個公共正/負極，這樣一位就是 9 個引腳。那么，4 位數碼管是否就需要多達 36 個引腳呢？ 實際上并不是，因為 4 位數碼管也可以共用 8 個輸入引腳，再分別各自引出公共正/負級，這樣一共是 8 + 4 = 12 個引腳，然后利用控制公共正/負極輸出的方式輪流顯示。由于人的視覺暫留現象及發光二極管的余輝效應，盡管實際上各位數碼管并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩定的顯示數據，不會有閃爍感，動態顯示的效果和靜態顯示是一樣的，能夠節省大量的I/O端口，而且功耗更低。事實上，這種方式也是電子電路常用的方法，例如點陣屏的逐行掃描，也是用同樣的原理。 從上面 F3461BH 數碼管的電路圖可知，它的 12 個引腳中，第 6、8、9、12 引腳分別為 4 個數碼管的公共正極，第 1、2、3、4、5、7、10、11 引腳為 8 段輸入引腳。 ## 電壓和限流 了解了八段數碼管的原理，基本上就知道該怎樣接入了，但是我們還需要注意一下電子元件的參數，一般的數碼管電壓為 2V，電流 10~20mA，而樹莓派 GPIO 高電平輸出的電壓約 3.3V，所以需要接限流電阻，電阻阻值的范圍為： * Rmax(3.3 - 2) / 0.02 = 130Ω * Rmin(3.3 - 2) / 0.01 = 65Ω 所以我們在每個正極接一個 100Ω 的電阻，這樣一共是 4 個電阻。 ## 連接電路 上面的分析可知我們要用 4 個引腳來連接 4 個共陽極，用來選擇點亮哪一個數碼管，用 8 個引腳來連接數碼管的 8 段輸入，用來決定顯示什么數字。這樣一共是占用 12 個 GPIO 口，我的選擇是： * 數碼管選擇端口：11,13,15,23 * 數碼管輸出端口：29,31,33,35,37,36,38,40 最終的電路圖如下：  ## 實現程序 根據原理圖，程序需要控制 2 組 GPIO 引腳，分別來控制數字顯示和數碼管切換。我們可以先一個部分一個部分調試，首先來看數字顯示。 ### 顯示數字 根據上面的電路圖，我們先將下方 8 個輸出引腳接好，上邊 4 個先不接，先將 P11（GPIO Pin 17）引腳的那一端直接接在 V3.3+ 的正極上，然后寫測試程序： ~~~ "use strict"; const Gpio = require("rpio2").Gpio; const NUMS = [ 0b11010111, //0 0b00010001, //1 0b11001011, //2 0b01011011, //3 0b00011101, //4 0b01011110, //5 0b11011110, //6 0b00010011, //7 0b11011111, //8 0b01011111, //9 ]; const DP = 0b00100000; //. var digitGroup = Gpio.group([29,31,33,35,37,36,38,40], true); digitGroup.open(Gpio.OUTPUT, Gpio.LOW); digitGroup.value = NUMS[5]; //顯示數字 5 //5 秒后換成顯示帶小數點的數字 3. setTimeout(function(){ digitGroup.value = NUMS[3] | DP; }, 5000); //10 秒后關閉 setTimeout(function(){ digitGroup.close(); }, 10000); ~~~ [rpio2](https://github.com/akira-cn/rpio2)?版本 V0.4+ 之后支持 GpioGroup，可以通過?`Gpio.group(pins[, activeLow])`?快速創建一組 GPIO 輸入。在這里我們創建了負責顯示 8 段數字的 group，直接給它輸入一個八位二進制數就可以控制顯示內容了。 由于是共陽管，點亮時輸入端信號為低電平，在這里我們為了方便起見，可以給 group 方法傳第二個參數，把 activeLow 設置為 true，這樣就可以用 1 表示低電平，0 表示高電平了。 接著測試一下 8 個輸入引腳分別對應點亮數碼管的哪一段，然后把 0~9 分別拼出來，根據我們的線路接法，就得到上面的常量 MAP： ~~~ const NUMS = [ 0b11010111, //0 0b00010001, //1 0b11001011, //2 0b01011011, //3 0b00011101, //4 0b01011110, //5 0b11011110, //6 0b00010011, //7 0b11011111, //8 0b01011111, //9 ]; const DP = 0b00100000; //. ~~~ 不同的線路接法或者 group 第一個參數的引腳數組的不同次序，會得到不同的常量組合，但是基本原理是一樣的。 這樣我們就可以簡單地通過： ~~~ digitGroup.value = NUMS[n]; ~~~ 來顯示 n 這個數字了。如果要顯示小數點，可以： ~~~ digitGroup.value = NUMS[n] | DP; ~~~ ### 切換數碼管 接下來我們解決切換 4 個數碼管的部分，同樣我們用一個 group 來實現： ~~~ var portGroup = new Gpio.group([11,13,15,16]); const wait = require("wait-promise"); //輪流點亮數碼管 wait.every(1).and(function(port){ var p = 1 << (port++%4); digitGroup.value = 0; //將前一個點亮的數碼管關閉 portGroup.value = p; //將當前數碼管點亮 }); ~~~ 將這部分代碼和前面的代碼結合起來，我們會看到 4 個數碼管同時被點亮了。在這里我用了一個?[wait-promist](https://github.com/akira-cn/wait-promise)?庫，它可以很方便地用來實現輪詢。 ### 兩者結合并計時 下面我們要做的事情就是計時，并且將時間顯示的值和輪詢結合起來： ~~~ const startTime = Date.now(); const duration = process.argv[2] * 1000; if(duration <= 0 || duration > 999000){ console.error("Duration must between 1 and 999!"); process.exit(1); } wait.every(1).and(function(port){ var time = duration - (Date.now() - startTime); var p = 1 << (port++%4); digitGroup.value = 0; //將前一個點亮的數碼管關閉 portGroup.value = p; //將當前數碼管點亮 if(time <= 0){ //倒計時結束顯示 000.0 digitGroup.value = NUMS[0] | (p & 0b100 ? DP : 0); return; } if(p & 0b1000){ //十分位 digitGroup.value = NUMS[Math.floor(time / 100) % 10]; }else if(p & 0b100){ //個位，要顯示一個小數點 digitGroup.value = NUMS[Math.floor(time / 1000) % 10] | DP; }else if(p & 0b10){ //十位 digitGroup.value = NUMS[Math.floor(time / 10000) % 10]; }else if(p & 0b1){ //百位 digitGroup.value = NUMS[Math.floor(time / 100000) % 10]; } }).forward(); ~~~ ### 收工 最后是完整代碼： ~~~ "use strict"; const Gpio = require("rpio2").Gpio; const wait = require("wait-promise"); const NUMS = [ 0b11010111, //0 0b00010001, //1 0b11001011, //2 0b01011011, //3 0b00011101, //4 0b01011110, //5 0b11011110, //6 0b00010011, //7 0b11011111, //8 0b01011111, //9 ]; const DP = 0b00100000; //. var digitGroup = Gpio.group([29,31,33,35,37,36,38,40], true); var portGroup = Gpio.group([11,13,15,16]); digitGroup.open(Gpio.OUTPUT, Gpio.LOW); portGroup.open(Gpio.OUTPUT, Gpio.LOW); const startTime = Date.now(); const duration = process.argv[2] * 1000; if(duration <= 0 || duration > 999000){ console.error("Duration must between 1 and 999!"); process.exit(1); } wait.every(1).and(function(port){ var time = duration - (Date.now() - startTime); var p = 1 << (port++%4); digitGroup.value = 0; //將前一個點亮的數碼管關閉 portGroup.value = p; //將當前數碼管點亮 if(time <= 0){ //倒計時結束顯示 000.0 digitGroup.value = NUMS[0] | (p & 0b100 ? DP : 0); return; } if(p & 0b1000){ //十分位 digitGroup.value = NUMS[Math.floor(time / 100) % 10]; }else if(p & 0b100){ //個位，要顯示一個小數點 digitGroup.value = NUMS[Math.floor(time / 1000) % 10] | DP; }else if(p & 0b10){ //十位 digitGroup.value = NUMS[Math.floor(time / 10000) % 10]; }else if(p & 0b1){ //百位 digitGroup.value = NUMS[Math.floor(time / 100000) % 10]; } }).forward(); process.on("SIGINT", function(){ digitGroup.close(); portGroup.close(); console.log("shutdown!"); process.exit(0); }); ~~~ 這樣我們就可以使用 Node.js 命令行控制八段數碼管實現倒計時了： ~~~ node index.js 100 #倒計時 100 秒 ~~~ ## 總結 上面我們用不到 100 代碼就實現了用樹莓派控制八段數碼管顯示倒計時。硬件軟件結合的開發不僅需要考慮軟件程序邏輯，還需要考慮硬件參數和電路，因此需要的綜合能力更高，開發起來也更有趣。 后續文章里我會繼續和大家分享有關樹莓派開發 Node.js 程序控制硬件的話題，我們可以做一些更好玩的東西。如果你有樹莓派，你可以和我一起動手。如有任何問題，歡迎在下方討論區討論。 本文鏈接：[https://www.h5jun.com/post/pi-num8.html](https://www.h5jun.com/post/pi-num8.html) --?EOF?-- 作者?[`admin`?](https://www.h5jun.com/author/admin)發表于?*2016-08-02 11:03:12*?，并被添加「?[`Node.js`?](https://www.h5jun.com/tags/Node.js)[`樹莓派`?](https://www.h5jun.com/tags/%E6%A0%91%E8%8E%93%E6%B4%BE)」標簽 ，最后修改于?*2016-08-02 23:29:51*