大尺寸LED數(shù)碼顯示驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用

Maxim公司的MAX7219芯片用于動(dòng)態(tài)掃描顯示驅(qū)動(dòng)，芯片內(nèi)有可存儲(chǔ)顯示信息的8x8靜態(tài)RAM、動(dòng)態(tài)掃描電路以及段、位驅(qū)動(dòng)器。它與通用微處理器有3根串行線相連，最多可驅(qū)動(dòng)8個(gè)共陰數(shù)碼管或64個(gè)發(fā)光二極管。采用MAX7219芯片實(shí)現(xiàn)LED數(shù)碼顯示，具有電路緊湊、可節(jié)省CPU的I／O接口、芯片功能強(qiáng)大、編程簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣大電路設(shè)計(jì)者認(rèn)可。然而MAX7219的工作電壓為5 V，共陰極LED顯示驅(qū)動(dòng)，只適用于3.5 V以下電壓驅(qū)動(dòng)的LED數(shù)碼管，限制了其使用范圍。

本文提出一種基于MAX7219芯片，具有擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)能力的LED數(shù)碼顯示電路。主要應(yīng)用在大尺寸、高亮度LED數(shù)碼管的顯示電路。

1 電路器件功能簡(jiǎn)介

1.1 MAX7219功能簡(jiǎn)介

MAX7219為24引腳芯片，如圖1所示。有+5 V電源和2個(gè)GND引腳；DIG 0～DIG 7引腳為8位數(shù)字驅(qū)動(dòng)線，輸出位選信號(hào)；SEG A～SEG G和SEG DP引腳為L(zhǎng)ED 7段驅(qū)動(dòng)線和小數(shù)點(diǎn)線，供給顯示器驅(qū)動(dòng)電流；SET引腳外接電阻調(diào)整LED顯示亮度；DIN（數(shù)據(jù)輸入端）、CLK（時(shí)鐘輸入端）、LOAD（鎖存信號(hào)）引腳，構(gòu)成與通用微處理器3線串行線相連，接收的數(shù)據(jù)和命令格式為16位數(shù)據(jù)包；DOUT引腳是串行數(shù)據(jù)輸出端口，用于多片MAX7219級(jí)聯(lián)擴(kuò)展顯示。

圖1 MAX7219的引腳分布

16位數(shù)據(jù)采用串行移位接收方式，即單片機(jī)將16位二進(jìn)制數(shù)逐位發(fā)送到DIN端。在CLK上升沿到來(lái)前準(zhǔn)備就緒，CLK的每個(gè)上升沿將一位數(shù)據(jù)移入MAX7219內(nèi)移位寄存器，當(dāng)16位數(shù)據(jù)移入完畢，在LOAD引腳信號(hào)上升沿將16位數(shù)據(jù)裝入MAX7219內(nèi)的相應(yīng)位置，在MAX7219內(nèi)部硬件動(dòng)態(tài)掃描顯示控制電路作用下實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示。對(duì)MAX7219的控制操作很方便，其片內(nèi)具有8個(gè)位寄存器和6個(gè)控制寄存器。位寄存器對(duì)應(yīng)LED的具體顯示內(nèi)容，控制寄存器決定LED的工作方式?？刂萍拇嫫鞣謩e為：不工作方式寄存器、譯碼方式寄存器、亮度控制寄存器、掃描個(gè)數(shù)寄存器、關(guān)閉寄存器、顯示測(cè)試寄存器。寄存器的操作格式為2字節(jié)的串行數(shù)據(jù)，第一個(gè)字節(jié)為寄存器地址，第二個(gè)字節(jié)為控制命令或待顯示數(shù)據(jù)。

1.2 ULN2803驅(qū)動(dòng)電路

ULN2803是摩托羅拉公司生產(chǎn)的具有高電壓、大電流的8路達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)器，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、工業(yè)和消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品中。管腳連接見(jiàn)圖2所示，引腳1～8為8路輸入端，TTL電平驅(qū)動(dòng)，引腳11～18為對(duì)應(yīng)的8路集電極開(kāi)路輸出口，上掛負(fù)載，最大工作電壓50 V，驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)500 mA，引腳10為COM端，當(dāng)上掛電阻性負(fù)載時(shí)，引腳10開(kāi)路；當(dāng)上掛電感性負(fù)載時(shí)，引腳10接負(fù)載電源，構(gòu)成在每個(gè)感性負(fù)載兩端并聯(lián)一個(gè)續(xù)流二極管以防止反電勢(shì)擊穿器件。

圖2 ULN2803管腳連接

1.3 大尺寸數(shù)碼管特性

圖3是型號(hào)80011B共陽(yáng)高亮紅色8英寸數(shù)碼管各字段的組成。A～G 7個(gè)段都是由8只發(fā)光二極管串、并聯(lián)而成；DP是小數(shù)點(diǎn)，由3只發(fā)光二極管并聯(lián)而成。單個(gè)發(fā)光二極管的正向電壓標(biāo)準(zhǔn)值為2.1 V，極限值為2.5 V；正向電流標(biāo)準(zhǔn)值為20 mA，峰值為100 mA；功耗40 mW。正向電流If（20 mA）是長(zhǎng)時(shí)間靜態(tài)驅(qū)動(dòng)時(shí)的電流最大值，如果超過(guò)此值，將導(dǎo)致數(shù)碼管壽命下降，甚至損壞。峰值電流Ipeak（100 mA）是動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)時(shí)的脈沖電流最大值。80011B的A～G字段的導(dǎo)通電壓為10.5～12.5 V，單管脈沖電流一般選50 mA，超過(guò)50 mA后其亮度就不與電流成比例增加了。DP小數(shù)點(diǎn)要串接限流電阻，否則會(huì)造成發(fā)光二極管器件損壞。

圖3 80011B各字段的組成

2 大尺寸LED數(shù)碼顯示驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

2.1 電路組成與原理

MAX7219工作時(shí)，在內(nèi)部硬件動(dòng)態(tài)掃描顯示控制電路作用下，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示。DIG0～DIG7引腳接8位數(shù)碼管的公共端，其信號(hào)時(shí)序見(jiàn)圖4。當(dāng)輸出數(shù)碼管位選信號(hào)DIG0～DIG7某位為低電平時(shí)，段碼線SEGA～SEGG和SEGDP輸出數(shù)據(jù)為所要顯示段碼，并驅(qū)動(dòng)共陰極LED，實(shí)現(xiàn)8位數(shù)碼管動(dòng)態(tài)循環(huán)顯示。

圖4 DIG0～DIG7引腳信號(hào)時(shí)序

圖5為8位共陽(yáng)LED數(shù)碼顯示電路，圖中MAX7219引腳DIG0～DIG7位碼線分別接8片74LS273鎖存器11（CP）腳鎖存控制端，相當(dāng)于片選信號(hào)；段碼線SEGA～SEGG和SEGDP以數(shù)據(jù)總線形式接在8片74LS273觸發(fā)器器的D0～D7輸入端；當(dāng)DIG0～DIG7片選信號(hào)某一位是低電平時(shí)，數(shù)據(jù)總線D0～D7為對(duì)應(yīng)的段碼數(shù)據(jù)；當(dāng)片選信號(hào)11（CP）腳有一個(gè)上升沿，立即鎖存輸入腳的電平狀態(tài)，并立即呈現(xiàn)在輸出腳Q0～Q7上鎖存：DIG0～DIG7片選低電平信號(hào)循環(huán)掃描，將要顯示的數(shù)據(jù)段碼，分別送入對(duì)應(yīng)的觸發(fā)器鎖存。

圖5 8位共陽(yáng)LED數(shù)碼顯示電路

ULN2803接收74LS273鎖存器輸出信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)顯示。ULN2803集電極開(kāi)路輸出口上掛共陽(yáng)數(shù)碼管的段碼引腳，共陽(yáng)數(shù)碼管公共引腳接電源正極。當(dāng)74LS273鎖存器輸出高電平時(shí)，ULN2803驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管對(duì)應(yīng)段碼亮，反之滅。

2.2 電路幾點(diǎn)說(shuō)明

1）數(shù)碼管顯示方式

MAX7219在內(nèi)部硬件動(dòng)態(tài)掃描顯示控制電路作用下，實(shí)現(xiàn)LED數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示。在本電路中采用74LS273觸發(fā)器鎖存各數(shù)碼管的段碼驅(qū)動(dòng)信號(hào)，當(dāng)MAX7219動(dòng)態(tài)掃描完成一個(gè)周期后，可通過(guò)微處理器，控制MAX7219工作在休眠狀態(tài)，即不工作方式。此時(shí)數(shù)碼管為靜態(tài)顯示方式，通過(guò)74LS273鎖存的數(shù)據(jù)，由ULN2803驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示。電路實(shí)現(xiàn)MAX7219間歇工作，只有在數(shù)碼管顯示改變的情況下，啟動(dòng)MAX7219工作，完成數(shù)據(jù)更新鎖存后，進(jìn)入不工作狀態(tài)，以節(jié)省功耗。

2）數(shù)碼管亮度控制

圖5中的數(shù)碼管供電電壓為最大電壓12.5 V，通過(guò)微處理器輸出脈寬調(diào)制信號(hào)PWM，控制PMOS管，調(diào)整數(shù)碼管供電電壓，實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管亮度控制。由于數(shù)碼管供電電壓為最大允許電壓，提高了數(shù)碼管工作的安全系數(shù)，采用占空比調(diào)整數(shù)碼管亮度，可靠、方便。同時(shí)取消了A～G字段的限流電阻，降低了功耗。

3 結(jié)束語(yǔ)

基于MAX7219芯片的大尺寸LED數(shù)碼顯示驅(qū)動(dòng)電路，保留MAX7219的使用優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了在顯示電路作用下的大尺寸數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)顯示，另外驅(qū)動(dòng)電路可通過(guò)微處理器輸出的脈寬調(diào)制信號(hào)PWM，實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管得兩度可調(diào)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試證明該電路工作性能穩(wěn)定，具有很高的實(shí)用價(jià)值。