數碼管的工作原理與編碼顯示接口分析

　　數碼管的一種是半導體發(fā)光器件，數碼管的工作原理是通過單片機的I/O端口進行驅動數碼管的各個段碼，點亮不同的段碼從而形成字符顯示出我們要的數字。

　　數碼管是一類價格便宜、使用簡單，通過對其不同的管腳輸入相對的電流，使其發(fā)亮，從而顯示出數字能夠顯示 時間、日期、溫度等所有可用數字表示的參數的器件。在電器特別是家電領域應用極為廣泛，如顯示屏、空調、熱水器、冰箱等等。絕大多數熱水器用的都是數碼管，其他家電也用液晶屏與熒光屏。

　　數碼管也稱LED數碼管，不同行業(yè)人士對數碼管的稱呼不一樣，其實都是同樣的產品。數碼管按段數可分為七段數碼管和八段數碼管，八段數碼管比七段數碼管多一個發(fā)光二極管單元，也就是多一個小數點（DP）這個小數點可以更精確的表示數碼管想要顯示的內容；按能顯示多少個（8）可分為1位、2位、3位、4位、5位、6位、7位等數碼管。

　　常用的LED顯示器有LED狀態(tài)顯示器（俗稱發(fā)光二極管）、LED七段顯示器（俗稱數碼管）和LED十六段顯示器。發(fā)光二極管可顯示兩種狀態(tài)，用于系統(tǒng)狀態(tài)顯示；數碼管用于數字顯示十六段顯示器用于字符顯示。

　　數碼管結構

　　數碼管由8個發(fā)光二極管（以下簡稱字段）構成，通過不同的組合可用來顯示數字0~9、字符A ~ F、H、L、P、R、U、Y、符號“-”及小數點“。”。

　　數碼管的外形結構如下圖所示。數碼管又分為共陰極和共陽極兩種結構。

　　數碼管的工作原理

　　共陽極數碼管的8個發(fā)光二極管的陽極（二極管正端）連接在一起。通常，公共陽極接高電平（一般接電源），其它管腳接段驅動電路輸出端。當某段驅動電路的輸出端為低電平時，則該端所連接的字段導通并點亮。根據發(fā)光字段的不同組合可顯示出各種數字或字符。此時，要求段驅動電路能吸收額定的段導通電流，還需根據外接電源及額定段導通電流來確定相應的限流電阻。

　　共陰極數碼管的8個發(fā)光二極管的陰極（二極管負端）連接在一起。通常，公共陰極接低電平（一般接地），其它管腳接段驅動電路輸出端。當某段驅動電路的輸出端為高電平時，則該端所連接的字段導通并點亮，根據發(fā)光字段的不同組合可顯示出各種數字或字符。此時，要求段驅動電路能提供額定的段導通電流，還需根據外接電源及額定段導通電流來確定相應的限流電阻。

　　數碼管驅動方式

　　直流驅動是指每個數碼管的每一個段碼都由一個單片機的I/O端口進行驅動，或者使用如BCD碼二-十進制譯碼器譯碼進行驅動。優(yōu)點是編程簡單，顯示亮度高，缺點是占用I/O端口多。

　　動態(tài)顯示驅動是將所有數碼管通過分時輪流控制各個數碼管的的COM端，就使各個數碼管輪流受控顯示。將所有數碼管的8個顯示筆劃“a，b，c，d，e，f，g，dp”的同名端連在一起，另外為每個數碼管的公共極COM增加位選通控制電路，位選通由各自獨立的I/O線控制，當單片機輸出字形碼時，所有數碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個數碼管會顯示出字形，取決于單片機對位選通COM端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數碼管就不會亮。

　　數碼管字形編碼

　　要使數碼管顯示出相應的數字或字符，必須使段數據口輸出相應的字形編碼。對照圖1（a），字型碼各位定義為：數據線D0與a字段對應，D1與b字段對應……，依此類推。如使用共陽極數碼管，數據為0表示對應字段亮，數據為1表示對應字段暗；如使用共陰極數碼管，數據為0表示對應字段暗，數據為1表示對應字段亮。如要顯示“0”，共陽極數碼管的字型編碼應為：11000000B（即C0H）；共陰極數碼管的字型編碼應為：00111111B（即3FH）。依此類推。

　　靜態(tài)顯示接口

　　靜態(tài)顯示是指數碼管顯示某一字符時，相應的發(fā)光二極管恒定導通或恒定截止。這種顯示方式的各位數碼管相互獨立，公共端恒定接地（共陰極）或接正電源（共陽極）。每個數碼管的8個字段分別與一個8位I/O口地址相連，I/O口只要有段碼輸出，相應字符即顯示出來，并保持不變，直到I/O口輸出新的段碼。采用靜態(tài)顯示方式，較小的電流即可獲得較高的亮度，且占用CPU時間少，編程簡單，顯示便于監(jiān)測和控制，但其占用的口線多，硬件電路復雜，成本高，只適合于顯示位數較少的場合。

　　動態(tài)顯示接口

　　動態(tài)顯示是一位一位地輪流點亮各位數碼管，這種逐位點亮顯示器的方式稱為位掃描。通常，各位數碼管的段選線相應并聯在一起，由一個8位的I/O口控制；各位的位選線（公共陰極或陽極）由另外的I/O口線控制。動態(tài)方式顯示時，各數碼管分時輪流選通，要使其穩(wěn)定顯示，必須采用掃描方式，即在某一時刻只選通一位數碼管，并送出相應的段碼，在另一時刻選通另一位數碼管，并送出相應的段碼。依此規(guī)律循環(huán)，即可使各位數碼管顯示將要顯示的字符。雖然這些字符是在不同的時刻分別顯示，但由于人眼存在視覺暫留效應，只要每位顯示間隔足夠短就可以給人以同時顯示的感覺。

　　采用動態(tài)顯示方式比較節(jié)省I/O口，硬件電路也較靜態(tài)顯示方式簡單，但其亮度不如靜態(tài)顯示方式，而且在顯示位數較多時單片機要依次掃描，占用CPU較多的時間。

　　常見問題解讀

　　恒流驅動與非恒流驅動對數碼管的影響主要有：

　　顯示效果

　　由于發(fā)光二極管基本上屬于電流敏感器件，其正向壓降的分散性很大， 并且還與溫度有關，為了保證數碼管具有良好的亮度均勻度，就需要使其具有恒定的工作電流，且不能受溫度及其它因素的影響。另外，當溫度變化時驅動芯片還要能夠自動調節(jié)輸出電流 的大小以實現色差平衡溫度補償。

　　安全性

　　即使是短時間的電流過載也可能對發(fā)光管造成永久性的損壞，采用恒流驅動電路后可防止 由于電流故障所引起的數碼管的大面積損壞。

　　另外，我們所采用的超大規(guī)模集成電路還具有級聯延時開關特性，可防止反向尖峰電壓對發(fā)光二極管的損害。超大規(guī)模集成電路還具有熱保護功能，當任何一片的溫度超過一定值時可自動關斷，并且可在控制室內看到故障顯示。

　　關于亮度一致性的問題是一個行業(yè)內的常見問題。

　　影響一致性主要有兩個大的因素。

　　一是使用原材料芯片的選取，一是使用數碼管時采取的控制方式。

　　1、原材料--芯片的VF和亮度和波長是一個正態(tài)分布，即使篩選過芯片，VF和亮度和波長已在一個很小的范圍了，生產出來的產品還是在一個范圍內，結果就是亮度不一致。

　　2、要保證數碼管亮度一樣，在控制方式選取上也有差別最好的辦法是恒流控制，流過每一個發(fā)光二極管的電流都是相同的，這樣發(fā)光二極管看起來亮度就是一樣的了。如恒壓控制，則導致VF不相同的發(fā)光二極管分到的電流不相同，所以亮度也不同。

　　當然以上二個條件是相輔相成的。

　　怎樣測量數碼管引腳，分共陰和共陽？

　　找公共共陰和公共共陽：首先，我們找個電源（3到5伏）和1個1K（幾百歐的也行）的電阻，VCC串接個電阻后和GND接在任意2個腳上，組合有很多，但總有一個LED會發(fā)光的，找到一個就夠了，然后GND不動，VCC（串電阻）逐個碰剩下的腳，如果有多個LED（一般是8個），那它就是共陰的了。相反用VCC不動，GND逐個碰剩下的腳，如果有多個LED（一般是8個），那它就是共陽的。也可以直接用數字萬用表，紅表筆是電源的正極，黑表筆是電源的負極。