news 2026/2/10 3:27:43

从零开始：STM32F103与TM1650的数码管驱动实战指南

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张小明

前端开发工程师

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从零开始：STM32F103与TM1650的数码管驱动实战指南

STM32F103与TM1650数码管驱动：从硬件连接到智能显示的完整指南

数码管作为嵌入式系统中最基础也最直观的人机交互界面之一，在各种电子设备中广泛应用。本文将深入探讨如何利用STM32F103微控制器与TM1650驱动芯片构建高效可靠的数码管显示系统，涵盖硬件设计、软件实现到高级应用的全流程。

1. TM1650驱动芯片深度解析

TM1650是一款专为LED数码管设计的驱动控制芯片，集成了MCU数字接口、数据锁存、LED驱动、键盘扫描和亮度调节等多项功能。相比传统的74HC595等移位寄存器方案，TM1650采用I2C接口，仅需两根信号线即可控制4位数码管，大幅节省了IO资源。

TM1650的核心特性：

  • 支持7段×4位和8段×4位两种显示模式
  • 段驱动电流>25mA，位驱动电流>150mA
  • 8级亮度可调，适应不同环境光照条件
  • 内置7×4bit键盘扫描矩阵
  • 工作电压范围宽（2.8V-5.5V）
  • 提供DIP16和SOP16两种封装

芯片内部结构框图如下：

[TM1650内部结构] ┌───────────────────────┐ │ 时钟振荡电路 │ ├───────────┬─────────┤ │ 数据寄存器 │ 亮度控制 │ ├───────────┼─────────┤ │ 键盘扫描 │ 显示驱动 │ ├───────────┴─────────┤ │ I2C接口逻辑 │ └───────────────────────┘

在实际应用中，TM1650通过I2C接口接收来自STM32的控制指令，将显示数据存入内部寄存器，然后通过动态扫描方式驱动数码管。这种设计使得主控MCU只需在数据更新时与TM1650通信，大大降低了系统功耗和MCU负担。

2. 硬件设计与电路连接

2.1 元器件选型与准备

构建STM32F103与TM1650的数码管驱动系统需要以下核心组件：

  1. STM32F103C8T6最小系统板：作为主控制器
  2. TM1650驱动芯片：DIP16封装便于手工焊接
  3. 四位共阴数码管：型号如5461AH
  4. 杜邦线：用于电路连接
  5. 电阻电容：适当阻值的上拉电阻和滤波电容

注意：数码管必须选择共阴类型，TM1650专为驱动共阴数码管设计。若误用共阳数码管将无法正常工作。

2.2 电路连接详解

STM32F103与TM1650的典型连接方式如下表所示：

TM1650引脚STM32F103引脚功能说明
VCC3.3V/5V电源正极
GNDGND电源地
SCLPB6I2C时钟线
SDAPB7I2C数据线
DIG1-DIG4数码管位选位驱动
SEG1-SEG8数码管段选段驱动

关键连接细节：

  1. 电源设计：TM1650工作电压范围宽(2.8V-5.5V)，可直接使用STM32的3.3V或外部5V供电。若数码管亮度要求高，建议使用5V电源。
  2. 上拉电阻：I2C总线(SCL/SDA)需接4.7kΩ上拉电阻至VCC，确保信号稳定性。
  3. 滤波电容：在TM1650的VCC和GND之间应并联0.1μF去耦电容，减少电源噪声。
// STM32 GPIO初始化配置示例 void GPIO_Init(void) { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE); // 配置PB6(SCL)和PB7(SDA)为开漏输出 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure); GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7); // 初始化为高电平 }

3. 软件驱动实现

3.1 I2C通信基础

TM1650采用简化的I2C协议，通信时序如下：

  1. 起始条件：SCL高电平时，SDA由高变低
  2. 停止条件：SCL高电平时，SDA由低变高
  3. 数据有效性：SCL高电平期间，SDA必须保持稳定
  4. 应答信号：每传输8位数据后，接收方需发送ACK
// I2C起始信号 void I2C_Start(void) { SDA_HIGH(); SCL_HIGH(); delay_us(4); SDA_LOW(); delay_us(4); SCL_LOW(); } // I2C停止信号 void I2C_Stop(void) { SDA_LOW(); SCL_HIGH(); delay_us(4); SDA_HIGH(); delay_us(4); }

3.2 TM1650驱动程序设计

完整的TM1650驱动应包含以下功能函数：

  1. 初始化函数：配置显示参数
  2. 数据写入函数：向指定地址写入数据
  3. 显示控制函数：设置亮度、开关显示等
  4. 数字显示函数：在指定位置显示数字
// TM1650初始化 void TM1650_Init(void) { // 设置显示模式：7段显示，亮度级别3，开启显示 TM1650_Write(0x48, 0x31); } // 向TM1650写入数据 void TM1650_Write(uint8_t addr, uint8_t data) { I2C_Start(); I2C_SendByte(addr); I2C_WaitAck(); I2C_SendByte(data); I2C_WaitAck(); I2C_Stop(); } // 在指定位置显示数字 void TM1650_DisplayDigit(uint8_t pos, uint8_t num, uint8_t dot) { const uint8_t digitCode[] = {0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F}; uint8_t addr = 0x68 + pos * 2; // 数码管地址映射 if(num > 9) return; // 只显示0-9 TM1650_Write(addr, digitCode[num] | (dot ? 0x80 : 0x00)); }

3.3 高级功能实现

亮度调节： TM1650提供8级亮度控制，通过设置命令字节的低3位实现：

void TM1650_SetBrightness(uint8_t level) { if(level > 7) level = 7; TM1650_Write(0x48, (level << 4) | 0x01); // 保持显示开启 }

显示内容左移/右移： 通过循环更新各数码管内容可实现滚动显示效果：

void TM1650_ScrollText(const uint8_t *data, uint8_t len, uint16_t delay) { uint8_t display[4]; for(int i=0; i<len+3; i++) { // 更新显示缓冲区 for(int j=0; j<4; j++) { display[j] = (i-j >=0 && i-j < len) ? data[i-j] : 0x00; } // 更新数码管显示 for(int j=0; j<4; j++) { TM1650_Write(0x68 + j*2, display[3-j]); } HAL_Delay(delay); } }

4. 实战应用与调试技巧

4.1 典型应用案例

电子时钟实现：

void DisplayTime(uint8_t hour, uint8_t minute) { TM1650_DisplayDigit(0, hour / 10, 0); TM1650_DisplayDigit(1, hour % 10, 1); // 显示冒号 TM1650_DisplayDigit(2, minute / 10, 0); TM1650_DisplayDigit(3, minute % 10, 0); }

温度显示系统：

void DisplayTemperature(float temp) { uint8_t integer = (uint8_t)temp; uint8_t decimal = (uint8_t)((temp - integer) * 10); TM1650_DisplayDigit(0, integer / 10, 0); TM1650_DisplayDigit(1, integer % 10, 1); // 显示小数点 TM1650_DisplayDigit(2, decimal, 0); TM1650_DisplayDigit(3, 12, 0); // 显示"C"字符 }

4.2 常见问题排查

  1. 数码管不亮：

    • 检查电源连接是否正确
    • 确认数码管是共阴类型
    • 测量TM1650的VCC电压
    • 检查I2C信号是否正常

  2. 显示乱码：

    • 确认数码管段码定义与程序一致
    • 检查TM1650的显示模式设置(7段/8段)
    • 验证数据传输时序是否符合规格

  3. 亮度不均匀：

    • 调整TM1650的亮度等级
    • 检查各段LED的限流电阻是否一致
    • 确保电源有足够驱动能力

调试建议：

  • 使用逻辑分析仪捕捉I2C波形，验证通信时序
  • 分段测试：先验证I2C基本通信，再测试显示功能
  • 利用STM32的GPIO模拟示波器功能检查信号质量
// 简单的I2C信号监测函数 void Monitor_I2C_Signals(void) { while(1) { printf("SCL: %d, SDA: %d\n", GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_6), GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_7)); HAL_Delay(100); } }

通过本文的全面介绍，开发者可以快速掌握STM32F103与TM1650的数码管驱动技术，从基础显示到高级应用都能得心应手。实际项目中，建议根据具体需求对驱动代码进行优化，如添加显示缓冲机制、实现更复杂的动画效果等，充分发挥TM1650的性能优势。

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