大尺寸數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路設(shè)計(jì)

　　引言

　　LED數(shù)碼管是單片機(jī)系統(tǒng)常用的顯示器件，1英寸以上的LED數(shù)碼管的每個(gè)字段都是由多個(gè)發(fā)光二極管串、并聯(lián)組成，在此稱為大尺寸數(shù)碼管。大尺寸數(shù)碼管雖然不能顯示漢字等復(fù)雜字符，但數(shù)字顯示效果好，可視距離遠(yuǎn)，成本低，符合人的視覺習(xí)慣，有著廣泛的用途。其結(jié)構(gòu)特性要求驅(qū)動(dòng)電路提供較高的電壓和電流，可用動(dòng)態(tài)和靜態(tài)方式驅(qū)動(dòng)。筆者設(shè)計(jì)的“廣電播控機(jī)房大尺寸綜合顯示器”就是用動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)大尺寸數(shù)碼管的方式實(shí)現(xiàn)的，本文給出的都是實(shí)際使用的電路。

　　1 大尺寸數(shù)碼管特性

　　圖1 大尺寸數(shù)碼管的字段組成

　　圖1是深圳佳美公司JMS40011D 4英寸共陽高亮紅色數(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2只發(fā)光二極管串聯(lián)而成。單個(gè)發(fā)光二極管的極限和光電參數(shù)如表1所列。

　　圖2 動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)電路形式1

　　表1 大尺寸數(shù)碼管單個(gè)發(fā)光二極管的參數(shù)

　　正向電流If(20 mA)是長時(shí)間靜態(tài)驅(qū)動(dòng)時(shí)的電流最大值，如果超過此值，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。JMS40011D的A~G字段的導(dǎo)通電壓為7.2~8V，單管脈沖電流一般選50 mA，超過50 mA后其亮度就不與電流成比例增加了。

　　2 動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)2例

　　動(dòng)態(tài)掃描驅(qū)動(dòng)利用人眼的特性，分時(shí)進(jìn)行LED數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)，人眼感受的是有效亮度的平均值。其優(yōu)點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)芯片少，電路簡(jiǎn)單，成本低。

　　擴(kuò)充電壓、電流的驅(qū)動(dòng)電路形式很多。圖2、圖3是“廣電播控機(jī)房大尺寸綜合顯示器”顯示部分的主要電路，由6只4英寸高亮紅色共陽數(shù)碼管(N1~N6)組成，主控單片機(jī)為美國Atmel公司的AVR系列ATmega16。主控單片機(jī)通過數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)電路在大尺寸數(shù)碼管上以一定時(shí)長分時(shí)顯示“時(shí)、分、秒”、“年”、“月、日”、“溫度”、“濕度”等信息。

　　2.1 單片機(jī)完成掃描的動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)電路

　　圖2電路中，單片機(jī)ATmega16完成譯碼、動(dòng)態(tài)掃描等功能。74LS07是6同相電平轉(zhuǎn)換電路，輸出級(jí)是集電極開路的晶體管，耐壓30 V，驅(qū)動(dòng)電流30 mA，在ATmega16PA0~PA5口電平控制下驅(qū)動(dòng)Q1~Q6 PNP達(dá)林頓功率管TIP127，實(shí)現(xiàn)6只共陽數(shù)碼管的字驅(qū)動(dòng)。ULN2803是8位NPN達(dá)林頓陣列，耐壓50 V,驅(qū)動(dòng)電流500 mA,這里用于ATmega16 PC0~PC7口數(shù)碼管段驅(qū)動(dòng)的擴(kuò)充。任一時(shí)刻，只有1個(gè)數(shù)碼管得電，數(shù)碼管的陽極接SA1~SA6，用于驅(qū)動(dòng)電壓取樣。

　　R1~R8是大尺寸數(shù)碼管A~G字段的限流電阻，電阻值和功率根據(jù)以下因素計(jì)算：

　　◆ 大尺寸數(shù)碼管的供電電壓，各段的導(dǎo)通電壓;

　　◆ TIP127和ULN2803的導(dǎo)通壓降;

　　◆ 組成大尺寸數(shù)碼管的單個(gè)發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)電流。

　　圖3 動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)電路形式2

　　圖4 保護(hù)電路

　　本設(shè)計(jì)中，單個(gè)發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)電流為45 mA,供電電壓12 V，限流電阻選用33 Ω，0.5 W規(guī)格。

　　本電路占用單片機(jī)的I/O口較多，單片機(jī)要完成數(shù)碼管的譯碼、掃描等任務(wù)，負(fù)擔(dān)較重，但對(duì)一些小應(yīng)用來說是不錯(cuò)的選擇。

　　2.2 專用芯片完成掃描的動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)電路

　　后續(xù)設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)增加了很多功能，單片機(jī)負(fù)擔(dān)加重，大尺寸數(shù)碼管顯示時(shí)出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象。增加專用芯片完成數(shù)碼管的掃描驅(qū)動(dòng)、按鍵檢測(cè)等功能，以減輕單片機(jī)的資源占用，簡(jiǎn)化程序設(shè)計(jì)，效果很好，如圖3所示。

　　數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)和鍵盤掃描控制芯片很多，作者選用的是南京沁恒電子有限公司生產(chǎn)的CH452L，其性價(jià)比較高。CH452L內(nèi)置時(shí)鐘振蕩電路，可以動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)1英寸以下的8 位共陰數(shù)碼管或者64 只LED，具有BCD 譯碼、閃爍、移位、段位尋址、光柱譯碼等功能;同時(shí)還可以進(jìn)行64鍵的鍵盤掃描。CH452L 通過可以級(jí)聯(lián)的4 線串行接口或者2 線串行接口與單片機(jī)等交換數(shù)據(jù)。這里使用4 線串行接口與ATmega16連接，具有編程簡(jiǎn)單、穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)。CH452L的第17腳(H3L2)是接口模式選擇，接高電平為4線模式。

　　CH452L也不能直接驅(qū)動(dòng)4英寸數(shù)碼管，必須進(jìn)行擴(kuò)充，擴(kuò)充電路就是圖1。單片機(jī)將顯示的數(shù)據(jù)送給CH452L即可，由CH452L代替單片機(jī)完成譯碼和數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)掃描等任務(wù)。

　　3 保護(hù)電路設(shè)計(jì)

　　3英寸以上的數(shù)碼管，單塊價(jià)格已超過單片機(jī)芯片。由于動(dòng)態(tài)掃描驅(qū)動(dòng)電路的特點(diǎn)，為了達(dá)到需要的亮度，每個(gè)LED所加的脈沖電流遠(yuǎn)大于靜態(tài)驅(qū)動(dòng)時(shí)的極限電流值。如果驅(qū)動(dòng)電路有故障，長時(shí)間將大電流加在數(shù)碼管上，將導(dǎo)致數(shù)碼管燒傷、亮度嚴(yán)重衰減、壽命縮短、甚至損壞，因此要加必要的保護(hù)電路，如圖4所示。

　　3.1 驅(qū)動(dòng)電路故障和危害

　　在上述驅(qū)動(dòng)擴(kuò)充電路中，如果段驅(qū)動(dòng)電路ULN2803損壞，只會(huì)出現(xiàn)顯示混亂現(xiàn)象，對(duì)大尺寸數(shù)碼管不造成傷害;如果字驅(qū)動(dòng)達(dá)林頓管TIP127斷路，只是相應(yīng)位的數(shù)碼管不顯示，也無傷害;如果74LS07某位斷路，TIP127不會(huì)導(dǎo)通，數(shù)碼管也不會(huì)長時(shí)間過流。

　　如果字驅(qū)動(dòng)達(dá)林頓管TIP127短路或者74LS07的某位對(duì)地短路，相應(yīng)位的大尺寸數(shù)碼管將一直得電，造成數(shù)碼管長時(shí)間過流損傷，因此必須避免這種情況發(fā)生。在掃描空隙時(shí)，檢測(cè)數(shù)碼管的陽極電壓，就能發(fā)現(xiàn)這種故障。

　　3.2 故障檢測(cè)和保護(hù)

　　如圖4所示，在每個(gè)大尺寸數(shù)碼管的陽極進(jìn)行驅(qū)動(dòng)電壓取樣，任一時(shí)刻只有1個(gè)數(shù)碼管的字驅(qū)動(dòng)被掃描選中，即TIP127導(dǎo)通。取樣電壓約為數(shù)碼管的供電電壓(這里是12 V)，未選中的為0 V(TIP127截止后的漏電流極小，相當(dāng)于完全關(guān)斷)。通過ULN2803進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，送入單片機(jī)的PB口檢測(cè)。所有大尺寸數(shù)碼管通過繼電器K1的常閉觸點(diǎn)供電，K1受控于單片機(jī)的PA0口。

　　對(duì)于圖2電路，在每一輪數(shù)碼管顯示掃描程序開始前加上以下監(jiān)測(cè)和保護(hù)代碼：

　　//顯示掃描函數(shù)開始

　　//監(jiān)測(cè)和保護(hù)的關(guān)鍵代碼示意，只用于說明取樣、保護(hù)、報(bào)警的

　　//編程思路

　　VoltSampling=PINB;//讀取PB口值，與取樣電壓相關(guān)

　　//注意，ULN2803是反相的

　　VoltSampling=~(VoltSampling&0x3F);//取低6位并反相

　　If (VoltSampling>0){//不為0，說明有數(shù)碼管一直得電,

　　//字驅(qū)動(dòng)電路有故障

　　PORTA=PORTA&0xFE;//PA0,輸出0，保護(hù)電路動(dòng)作，

　　//K1吸合切斷所有數(shù)碼管供電

　　PORTA=PORTA&0xFD;//PA1,輸出0，故障指示燈

　　//LED1亮，報(bào)警

　　}

　　//原有數(shù)碼管掃描代碼開始

　　//選通第一位數(shù)碼管，輸出相應(yīng)代碼

　　對(duì)于圖3電路，由于CH452L的第8個(gè)數(shù)碼管字選位DIG7未用，因此用DIG7作為取樣觸發(fā)信號(hào)(SSTART)觸發(fā)ATmega16的中斷INT0，在中斷程序中加入上述監(jiān)測(cè)和保護(hù)代碼，即可完成采樣和保護(hù)功能。

　　3.3 幾個(gè)要點(diǎn)

　　① 如果不具備圖2、圖3電路的取樣時(shí)機(jī)條件，可采取隨機(jī)讀取的方式。需要明確，任何時(shí)刻只有1個(gè)數(shù)碼管得電工作，多于1個(gè)即可認(rèn)為驅(qū)動(dòng)電路有致命故障發(fā)生。

　?、?nbsp;抗干擾：在取樣電路并接小容量電容，濾除雜波干擾;軟件采取多次采樣、表決方式，防止保護(hù)電路誤動(dòng)作。

　?、?nbsp;取樣電路的電平轉(zhuǎn)換可以采取晶體管、光耦，甚至是電阻分壓的方式。

　　④ 如果單片機(jī)I/O口數(shù)量不足，可以用74LS165(并行輸入轉(zhuǎn)串行輸出)等電路進(jìn)行取樣電路擴(kuò)展。

　?、?nbsp;對(duì)于由單片機(jī)完成掃描的動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)電路，要注意防止因程序設(shè)計(jì)不合理或者死機(jī)對(duì)大尺寸數(shù)碼管造成的長時(shí)間過流損傷。專用數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)和鍵盤掃描控制芯片多由純硬件邏輯實(shí)現(xiàn)，不會(huì)出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象。

　　結(jié)語

　　本文提及的大尺寸數(shù)碼管動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路，筆者經(jīng)過產(chǎn)品實(shí)際驗(yàn)證過，價(jià)格低廉、性能可靠。其他類型的大尺寸數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)、保護(hù)電路可參照此思路設(shè)計(jì)。在此拋磚引玉，希望對(duì)大家有所幫助。