多位數(shù)_大尺寸_高亮度_低成本LED數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

1、第31卷第12期電子工程師2005年12月 ELECTRON I C ENG I N EER V o. l 31N o . 12D ec . 2005多位數(shù)、大尺寸、高亮度、低成本LED 數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)章兼源(常州工學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院, 江蘇省常州市213002【摘 要】 首先給出廉價(jià)的LED(發(fā)光二極管 多位數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)電路, 指出產(chǎn)生各數(shù)碼管顯示亮度不均勻的原因是流過各管的電流I i 不相等, 然后提出在動(dòng)態(tài)掃描子程序中將各管點(diǎn)亮的時(shí)間長度T i (=NT z 分割成N (=818 份T z (=0. 1m s, 用鍵盤操作改變各管的N 值, 使各管的I i T i 值都相等,

2、 從而調(diào)勻各管顯示亮度。該方法已在稱重系統(tǒng)中得到成功應(yīng)用。文中還介紹了克服數(shù)碼管閃爍、增強(qiáng)數(shù)碼管亮度、增大I /O端口驅(qū)動(dòng)能力和抗干擾能力、多面顯示同樣字符時(shí)減少連線和降低施工難度等原則或方法。關(guān)鍵詞:LED, 驅(qū)動(dòng)電路, 亮度中圖分類號(hào):TN8730 引 言LED(發(fā)光二極管 數(shù)碼管由于其成本低、發(fā)光強(qiáng)、可視性好等特點(diǎn), 在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用, 但是, 在位數(shù)比較多、尺寸比較大、亮度比較高的情況下, 常常出現(xiàn)發(fā)光不均和閃爍等現(xiàn)象。下面討論產(chǎn)生原因和克服方法。1 驅(qū)動(dòng)芯片的選擇和顯示驅(qū)動(dòng)電路為了達(dá)到多位數(shù)、大尺寸、高亮度、低成本的設(shè)計(jì)目標(biāo), 首先應(yīng)選擇合適的驅(qū)動(dòng)電路。圖1是用4片74

3、H C595驅(qū)動(dòng)8 3=24只共陽接法LED 數(shù)碼管的電 路。圖1 顯示驅(qū)動(dòng)電路收稿日期:2005-08-26; 修回日期:2005-10-12。信號(hào)處理與顯示技術(shù) 電子工程師2005年12月74H C595是串行移位輸入、8位并行輸出的芯片, 內(nèi)帶數(shù)據(jù)移位寄存器和三態(tài)輸出鎖存器; SER 為串行數(shù)據(jù)輸入; SRCLK 為移位時(shí)鐘輸入; RCLK 為鎖存控制輸入, 其下降沿將串行進(jìn)入移位寄存器的并行數(shù)據(jù)打入輸出鎖存器; Q0Q 7為數(shù)據(jù)輸出; Q7 為向下一片(位 的串行數(shù)據(jù)輸出。74H C595輸出電流達(dá)35mA, 灌電流達(dá)70mA, 可直接驅(qū)動(dòng)功率較大的LED 段選線; 移位頻率達(dá)55MH

4、 z , 可與高速單片機(jī)連接, 縮短操作時(shí)間。它的價(jià)格低廉, 串行傳輸功能又進(jìn)一步節(jié)省單片機(jī)的I/O口線。因此, 本設(shè)計(jì)選用74HC595。24只數(shù)碼管分成3組, 每組8只。各組的8只數(shù)碼管的對(duì)應(yīng)段選線并聯(lián), 分別由一片74H C595驅(qū)動(dòng)。分屬各組的3個(gè)數(shù)碼管的位選線也對(duì)應(yīng)并聯(lián), 共8對(duì), 由第4片74HC595通過功率三極管驅(qū)動(dòng)。采用常規(guī)的動(dòng)態(tài)掃描顯示, 若要求數(shù)碼管亮度更強(qiáng), 可改換超高亮型數(shù)碼管, 但會(huì)增加成本; 在74H C595后加功率三極管將是更經(jīng)濟(jì)的選擇, 但會(huì)增加印制電路板尺寸。應(yīng)根據(jù)具體情況合理選擇。設(shè)圖1所示電路只有一組數(shù)碼管電路, 以此為例說明編程方法。1 調(diào)整各管點(diǎn)亮

5、時(shí)間T i 的算法為了保證數(shù)碼管在視覺上沒有閃爍現(xiàn)象, 動(dòng)態(tài)掃描周期(點(diǎn)亮一遍數(shù)碼管的時(shí)間 不能太大, 建議掃描頻率 40H z 。設(shè)掃描周期最大為T m ax , 勻亮調(diào)整前各管點(diǎn)亮的初始基準(zhǔn)時(shí)間長度為T 0=k T z =常數(shù), 各管基準(zhǔn)時(shí)間長度的增量時(shí)間為N 0T z , 其中T z 為T 0的增加步長, N 0=08為步長的倍數(shù)。則各管修正后的基準(zhǔn)點(diǎn)亮?xí)r間長度為:T jz =T 0+N 0T z對(duì)于所有的數(shù)碼管此值是相同的; 設(shè)某一數(shù)碼管點(diǎn)亮?xí)r間長度為T i =T jz +N i T z , 其中T z 為T jz 的增加步長, N i =08為步長的倍數(shù)。由于相鄰兩管之間從一管滅到另

6、一管亮的延時(shí)時(shí)間很短, 可以忽略, 所以所有數(shù)碼管點(diǎn)亮?xí)r間的總和必須滿足下式:(T1+T 2+ +T 8 =(T0+N 0T z +N 1T z + (T0+N 0T z +N 2T z + +(T0+N 0T z +N 8T z =8(kT z +N 0T z +(N1+N 2+ +N 8T z T m ax(2在數(shù)碼管勻亮調(diào)試過程中, 若出現(xiàn)T 1+T 2+ +T 8T m ax , 則應(yīng)減小N 0值使T 1T 8的基準(zhǔn)值T jz (=T 0+N 0T z 減小, 以滿足T 1+T 2+ +T 8 T max ; 當(dāng)T 1+ T 2+ +T 8 T max 時(shí), 則應(yīng)增大N 0值從而使T

7、1T 8的基準(zhǔn)值增大, 以增加整體亮度。2 鍵功能程序段在一鍵多義監(jiān)控程序參數(shù)設(shè)置的狀態(tài)圖中入一個(gè)調(diào)節(jié)數(shù)碼管亮度均勻的狀態(tài)P , 見圖2。12 亮度不勻的產(chǎn)生與克服設(shè)1號(hào)、2號(hào)數(shù)碼管流過段選端限流電阻R 1、R 2的電流分別為I 1、I 2, 數(shù)碼管壓降分別為V LED 1、V LED 2, 數(shù)碼管位選端三極管CE 兩腳的壓降分別為V CE1、V CE2, 三極管E 腳電壓分別為V 1、V 2, 一個(gè)掃描周期(每個(gè)數(shù)碼管點(diǎn)亮一遍 中點(diǎn)亮?xí)r間長度分別為T 1、T 2, 則有:V 1-V CE1-V LED1I 1=R 1(1V 2-V CE2-V LED2I 2=R 2 在數(shù)碼管較多時(shí), 由于各

8、位數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)電路布線的差異, 數(shù)碼管之間、三極管之間、限流電阻之間的差異等原因, 造成I 1 I 2, 甚至相差很大, 由此導(dǎo)致數(shù)碼管之間的亮度不均勻。克服方法主要有兩種:一是針對(duì)上述原因加強(qiáng)布線工藝和精選元器件等, 這將增加人力、物力和成本; 二是通過編程控制各數(shù)碼管點(diǎn)亮的時(shí)間長度T i , 來達(dá)到各數(shù)碼管亮度均勻的效果, 這種方法幾乎無需成本。數(shù)碼管發(fā)光強(qiáng)度與被點(diǎn)亮的時(shí)間長度成正相關(guān)增減關(guān)系, 為簡化問題說明, 現(xiàn)認(rèn)為成正比。要維持上述兩數(shù)碼管亮度一樣, 只要在一個(gè)動(dòng)態(tài)掃描周期內(nèi), 滿足I 1T 1=I 2T 2。若以1號(hào)數(shù)碼管發(fā)光亮度為基準(zhǔn)(即I 1T 1=常數(shù), 通過編程用鍵盤調(diào)整2號(hào)

9、數(shù)碼管點(diǎn)亮?xí)r間T 2的長短, 就能滿足式(1 。調(diào)整8個(gè)數(shù)碼管的發(fā)光均勻度, 就是調(diào)整各管的T i 值, 使所有I i T i 都相等, i =18。, 插圖2 調(diào)勻亮度狀態(tài)在P -1狀態(tài)按下K1鍵進(jìn)入狀態(tài)P 。P 狀態(tài)下設(shè)計(jì)的有關(guān)鍵功能操作如下:a 按下K 2(定義為各數(shù)碼管點(diǎn)亮?xí)r間的整定參數(shù)N 0、N 1N 8選擇鍵 進(jìn)入數(shù)碼管選擇界面(8個(gè)數(shù)碼管都顯示8, 以便觀察比較各管亮度; 當(dāng)選中參數(shù)N 1N 8, 對(duì)應(yīng)數(shù)碼管以點(diǎn)亮自身的小數(shù)點(diǎn)指示, 其他位的小數(shù)點(diǎn)滅; 當(dāng)選中N 0, 則各管的小數(shù)點(diǎn)都滅, 而且每按一次K2鍵, 被選中的數(shù)碼管左移1位, 在最左邊時(shí)再移1位返回到0位(對(duì)應(yīng)修改N

10、0參數(shù), 再移1位才到最右1位數(shù)碼管; 每次按下K2鍵的操作完成后,第31卷第12期章兼源:多位數(shù)、大尺寸、高亮度、低成本LED 數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 信號(hào)處理與顯示技術(shù)自動(dòng)回到P 狀態(tài)。b 按下K3(定義為當(dāng)前數(shù)碼管或全體數(shù)碼管點(diǎn)亮?xí)r間長度的增量N i T z (i =08 加1鍵, 數(shù)值范圍N i =08, 在8+1時(shí)返回0, 點(diǎn)亮?xí)r間長度的增量加1(由數(shù)碼管發(fā)光亮度指示, 并回到P 狀態(tài)。c 按下K 4(定義為當(dāng)前數(shù)碼管號(hào)點(diǎn)亮?xí)r間長度的增量減1鍵, 數(shù)值范圍08, 在0-1時(shí)返回8, 點(diǎn)亮?xí)r間長度的增量減1(由數(shù)碼管發(fā)光亮度指示, 并回到P 狀態(tài)。d 8個(gè)數(shù)碼管的發(fā)光均勻度調(diào)整完畢后,

11、按下K1鍵進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài)P+1。3 顯示子程序程序流程如圖3所示, 與常規(guī)動(dòng)態(tài)掃描子程序相比只有延時(shí)1m s 部分有所區(qū)別。圖中:將T z 編程為0. 1m s 延時(shí)子程序; k 為固定常數(shù), 一般取810, 占一個(gè)內(nèi)存單元, 當(dāng)為10時(shí)即為正常1m s 延時(shí); N 0、N i 為修正值, 各占一個(gè)內(nèi)存單元, 它們每增加1, 就多延時(shí)0. 1m s 。當(dāng)所有數(shù)碼管勻亮調(diào)整結(jié)束后, 將N 0、N 1N 8值存入EEPROM, 以后顯示子程序就將這些值作為各管點(diǎn)亮?xí)r間長度的修正系數(shù)。因?yàn)橥慌鷶?shù)碼管和印制電路板等元件的參數(shù)基本一致, 所以在這一條件下, 若系統(tǒng)中無EEPROM, 也可一次性地將調(diào)整

12、結(jié)果N 0、N 1N 8值固化在ROM 中。3 其他問題的處理當(dāng)單片機(jī)的I/O口到74H C595芯片的連線過長時(shí), 由于傳輸線上的干擾信號(hào)或受潮、灰塵等原因, 可能導(dǎo)致數(shù)碼管顯示亂碼或者工作不正常。這時(shí)可在兩者之間加一只74LS04芯片, 能有效增大單片機(jī)的I/O端口的驅(qū)動(dòng)能力和抗干擾能力(見圖1 。當(dāng)需要多面顯示同樣的字符時(shí), 可以將兩面(或組 共16個(gè)數(shù)碼管的段選線并聯(lián), 由一片74H C595驅(qū)動(dòng); 分屬兩面的對(duì)應(yīng)位數(shù)碼管的位選線也并聯(lián), 由另一片74H C595驅(qū)動(dòng)。當(dāng)兩面顯示窗口之間的距離過遠(yuǎn)時(shí), 分屬兩面的數(shù)碼管并聯(lián)會(huì)使連線困難和工藝變差, 這時(shí)可由同一個(gè)74LS04中的反相器同

13、時(shí)驅(qū)動(dòng)分屬兩面的2片74HC595, 兩面顯示窗口之間只有5條線相連(3條控制線和2條電源線, 大大減小了連線的難度。4 結(jié)束語上述顯示方法電路簡單, 價(jià)格便宜, 顯示清晰, 工作穩(wěn)定, 已在稱重系統(tǒng)中得到成功應(yīng)用。對(duì)于不同應(yīng)用場合的顯示, 只要在軟件/硬件上對(duì)它稍加改動(dòng)便能運(yùn)用, 因此具有很大的實(shí)用性和推廣價(jià)值。圖3 顯示流程參 考 文 獻(xiàn)1章兼源. 微機(jī)控制技術(shù). 北京:電子工業(yè)出版社, 2003Drivers Circuit Design of t he Nu mber LED Dis play That Have M ult-i digits , B i g Sizes , H i g

14、h Brightness and Lo w PricesZhang Jianyuan(Chang zhou Institute of Techno l o gy , Changzhou 213002, Ch i n a【Abstract 】 F irs, t the paper offers the Drivers C ircuit of the cheap Num ber LED D isplay and po ints outthat the reason why each t u be sho w s different brightness is that the current I

15、i flo w s t h rough each tube unequa-ll y . Then the paper proves the fo llo w i n g m ethod:the dyna m ic scann i n g sub -procedure is able to separate the ti m e length T i (=NT z wh ich li g h ts up each tube into N (818 T z (0. 1m s, use the keyboar d to change the N va l u e of each tube and m

16、 ake I i T i value o f each tube the sa m e , and eventua ll y equally ad j u st the bri g htness of each tube . The m et h od has been applied in the w e i g hing syste m. Further m ore , t h e paper o ffers a pri n ciple or w ay to contro l the bli n k i n g o f the nu m ber LED d isp lay , enhance its bri g ht