多位数_大尺寸_高亮度_低成本LED数码管驱动电路的设计

1、第31卷第12期电子工程师2005年12月 ELECTRON I C ENG I N EER V o. l 31N o . 12D ec . 2005多位数、大尺寸、高亮度、低成本LED 数码管驱动电路的设计章兼源(常州工学院电子信息与电气工程学院, 江苏省常州市213002【摘 要】 首先给出廉价的LED(发光二极管 多位数码管驱动电路, 指出产生各数码管显示亮度不均匀的原因是流过各管的电流I i 不相等, 然后提出在动态扫描子程序中将各管点亮的时间长度T i (=NT z 分割成N (=818 份T z (=0. 1m s, 用键盘操作改变各管的N 值, 使各管的I i T i 值都相等,

2、 从而调匀各管显示亮度。该方法已在称重系统中得到成功应用。文中还介绍了克服数码管闪烁、增强数码管亮度、增大I /O端口驱动能力和抗干扰能力、多面显示同样字符时减少连线和降低施工难度等原则或方法。关键词:LED, 驱动电路, 亮度中图分类号:TN8730 引 言LED(发光二极管 数码管由于其成本低、发光强、可视性好等特点, 在单片机应用系统中得到广泛应用, 但是, 在位数比较多、尺寸比较大、亮度比较高的情况下, 常常出现发光不均和闪烁等现象。下面讨论产生原因和克服方法。1 驱动芯片的选择和显示驱动电路为了达到多位数、大尺寸、高亮度、低成本的设计目标, 首先应选择合适的驱动电路。图1是用4片74

3、H C595驱动8 3=24只共阳接法LED 数码管的电 路。图1 显示驱动电路收稿日期:2005-08-26; 修回日期:2005-10-12。信号处理与显示技术 电子工程师2005年12月74H C595是串行移位输入、8位并行输出的芯片, 内带数据移位寄存器和三态输出锁存器; SER 为串行数据输入; SRCLK 为移位时钟输入; RCLK 为锁存控制输入, 其下降沿将串行进入移位寄存器的并行数据打入输出锁存器; Q0Q 7为数据输出; Q7 为向下一片(位 的串行数据输出。74H C595输出电流达35mA, 灌电流达70mA, 可直接驱动功率较大的LED 段选线; 移位频率达55MH

4、 z , 可与高速单片机连接, 缩短操作时间。它的价格低廉, 串行传输功能又进一步节省单片机的I/O口线。因此, 本设计选用74HC595。24只数码管分成3组, 每组8只。各组的8只数码管的对应段选线并联, 分别由一片74H C595驱动。分属各组的3个数码管的位选线也对应并联, 共8对, 由第4片74HC595通过功率三极管驱动。采用常规的动态扫描显示, 若要求数码管亮度更强, 可改换超高亮型数码管, 但会增加成本; 在74H C595后加功率三极管将是更经济的选择, 但会增加印制电路板尺寸。应根据具体情况合理选择。设图1所示电路只有一组数码管电路, 以此为例说明编程方法。1 调整各管点亮

5、时间T i 的算法为了保证数码管在视觉上没有闪烁现象, 动态扫描周期(点亮一遍数码管的时间 不能太大, 建议扫描频率 40H z 。设扫描周期最大为T m ax , 匀亮调整前各管点亮的初始基准时间长度为T 0=k T z =常数, 各管基准时间长度的增量时间为N 0T z , 其中T z 为T 0的增加步长, N 0=08为步长的倍数。则各管修正后的基准点亮时间长度为:T jz =T 0+N 0T z对于所有的数码管此值是相同的; 设某一数码管点亮时间长度为T i =T jz +N i T z , 其中T z 为T jz 的增加步长, N i =08为步长的倍数。由于相邻两管之间从一管灭到另

6、一管亮的延时时间很短, 可以忽略, 所以所有数码管点亮时间的总和必须满足下式:(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在数码管匀亮调试过程中, 若出现T 1+T 2+ +T 8T m ax , 则应减小N 0值使T 1T 8的基准值T jz (=T 0+N 0T z 减小, 以满足T 1+T 2+ +T 8 T max ; 当T 1+ T 2+ +T 8 T max 时, 则应增大N 0值从而使T

7、1T 8的基准值增大, 以增加整体亮度。2 键功能程序段在一键多义监控程序参数设置的状态图中入一个调节数码管亮度均匀的状态P , 见图2。12 亮度不匀的产生与克服设1号、2号数码管流过段选端限流电阻R 1、R 2的电流分别为I 1、I 2, 数码管压降分别为V LED 1、V LED 2, 数码管位选端三极管CE 两脚的压降分别为V CE1、V CE2, 三极管E 脚电压分别为V 1、V 2, 一个扫描周期(每个数码管点亮一遍 中点亮时间长度分别为T 1、T 2, 则有:V 1-V CE1-V LED1I 1=R 1(1V 2-V CE2-V LED2I 2=R 2 在数码管较多时, 由于各

8、位数码管驱动电路布线的差异, 数码管之间、三极管之间、限流电阻之间的差异等原因, 造成I 1 I 2, 甚至相差很大, 由此导致数码管之间的亮度不均匀。克服方法主要有两种:一是针对上述原因加强布线工艺和精选元器件等, 这将增加人力、物力和成本; 二是通过编程控制各数码管点亮的时间长度T i , 来达到各数码管亮度均匀的效果, 这种方法几乎无需成本。数码管发光强度与被点亮的时间长度成正相关增减关系, 为简化问题说明, 现认为成正比。要维持上述两数码管亮度一样, 只要在一个动态扫描周期内, 满足I 1T 1=I 2T 2。若以1号数码管发光亮度为基准(即I 1T 1=常数, 通过编程用键盘调整2号

9、数码管点亮时间T 2的长短, 就能满足式(1 。调整8个数码管的发光均匀度, 就是调整各管的T i 值, 使所有I i T i 都相等, i =18。, 插图2 调匀亮度状态在P -1状态按下K1键进入状态P 。P 状态下设计的有关键功能操作如下:a 按下K 2(定义为各数码管点亮时间的整定参数N 0、N 1N 8选择键 进入数码管选择界面(8个数码管都显示8, 以便观察比较各管亮度; 当选中参数N 1N 8, 对应数码管以点亮自身的小数点指示, 其他位的小数点灭; 当选中N 0, 则各管的小数点都灭, 而且每按一次K2键, 被选中的数码管左移1位, 在最左边时再移1位返回到0位(对应修改N

10、0参数, 再移1位才到最右1位数码管; 每次按下K2键的操作完成后,第31卷第12期章兼源:多位数、大尺寸、高亮度、低成本LED 数码管驱动电路的设计 信号处理与显示技术自动回到P 状态。b 按下K3(定义为当前数码管或全体数码管点亮时间长度的增量N i T z (i =08 加1键, 数值范围N i =08, 在8+1时返回0, 点亮时间长度的增量加1(由数码管发光亮度指示, 并回到P 状态。c 按下K 4(定义为当前数码管号点亮时间长度的增量减1键, 数值范围08, 在0-1时返回8, 点亮时间长度的增量减1(由数码管发光亮度指示, 并回到P 状态。d 8个数码管的发光均匀度调整完毕后,

11、按下K1键进入下一个状态P+1。3 显示子程序程序流程如图3所示, 与常规动态扫描子程序相比只有延时1m s 部分有所区别。图中:将T z 编程为0. 1m s 延时子程序; k 为固定常数, 一般取810, 占一个内存单元, 当为10时即为正常1m s 延时; N 0、N i 为修正值, 各占一个内存单元, 它们每增加1, 就多延时0. 1m s 。当所有数码管匀亮调整结束后, 将N 0、N 1N 8值存入EEPROM, 以后显示子程序就将这些值作为各管点亮时间长度的修正系数。因为同一批数码管和印制电路板等元件的参数基本一致, 所以在这一条件下, 若系统中无EEPROM, 也可一次性地将调整

12、结果N 0、N 1N 8值固化在ROM 中。3 其他问题的处理当单片机的I/O口到74H C595芯片的连线过长时, 由于传输线上的干扰信号或受潮、灰尘等原因, 可能导致数码管显示乱码或者工作不正常。这时可在两者之间加一只74LS04芯片, 能有效增大单片机的I/O端口的驱动能力和抗干扰能力(见图1 。当需要多面显示同样的字符时, 可以将两面(或组 共16个数码管的段选线并联, 由一片74H C595驱动; 分属两面的对应位数码管的位选线也并联, 由另一片74H C595驱动。当两面显示窗口之间的距离过远时, 分属两面的数码管并联会使连线困难和工艺变差, 这时可由同一个74LS04中的反相器同

13、时驱动分属两面的2片74HC595, 两面显示窗口之间只有5条线相连(3条控制线和2条电源线, 大大减小了连线的难度。4 结束语上述显示方法电路简单, 价格便宜, 显示清晰, 工作稳定, 已在称重系统中得到成功应用。对于不同应用场合的显示, 只要在软件/硬件上对它稍加改动便能运用, 因此具有很大的实用性和推广价值。图3 显示流程参 考 文 献1章兼源. 微机控制技术. 北京:电子工业出版社, 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