大尺寸數(shù)碼管的動態(tài)驅(qū)動和保護電路設(shè)計

引 言

LED數(shù)碼管是單片機系統(tǒng)常用的顯示器件，1英寸以上的LED數(shù)碼管的每個字段都是由多個發(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，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)動電路提供較高的電壓和電流，可用動態(tài)和靜態(tài)方式驅(qū)動。筆者設(shè)計的“廣電播控機房大尺寸綜合顯爾器”就是用動態(tài)驅(qū)動大尺寸數(shù)碼管的方式實現(xiàn)的，本文給出的都是實際使用的電路。

1 大尺寸數(shù)碼管特性

圖1是深圳佳美公司JM-S40O11D4英寸共陽高亮紅色數(shù)碼管各字段的組成。A～G7個段都是由8只發(fā)光二極管串、并聯(lián)而成；DP是小數(shù)點，由2只發(fā)光二極管串聯(lián)而成。單個發(fā)光二極管的極限和光電參數(shù)如表1所列。





正向電流If(20 mA)是長時間靜態(tài)驅(qū)動時的電流最大值，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)足動態(tài)驅(qū)動時的脈沖電流最大值。JM—S40011 D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 動態(tài)驅(qū)動電路設(shè)計2例

動態(tài)扣描驅(qū)動利用人眼的特性，分時進行LED數(shù)碼管驅(qū)動，人眼感受的是有效亮度的平均值。其優(yōu)點是驅(qū)動芯片少，電路簡單，成本低。

擴充電壓、電流的驅(qū)動電路形式很多。圖2、圖3是“廣電播控機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，主控單片機為關(guān)國Atmel公司的AVR系列ATmegal6。主控單片機通過數(shù)碼管驅(qū)動電路在大尺寸數(shù)碼管上以一定時長分時顯示“時、分、秒”、“年”、“月、日”、“溫度”、“濕度”等信息。



2．1 單片機完成掃描的動態(tài)驅(qū)動電路

圖2電路中，單片機ATmegal6完成譯碼、動態(tài)掃描等功能。74LS07是6同相電平轉(zhuǎn)換電路，輸出級是集電極開路的晶體管，耐壓30 V，驅(qū)動電流30 mA，在ATmegal6PA0～PA5口電平控制下驅(qū)動Q1～Q6 PNP達林頓功率管TIPl27，實現(xiàn)6只共陽數(shù)碼管的字驅(qū)動。ULN2803是8位NPN達林頓陣列，耐壓50 V，驅(qū)動電流500 mA，這里用于ATmegal6 PCO～PC7口數(shù)碼管段驅(qū)動的擴充。任一時刻，只有1個數(shù)碼管得電，數(shù)碼管的陽極接SAl～SA6，用于驅(qū)動電壓取樣。

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)以下因素計算：

◆大尺寸數(shù)碼管的供電電壓，各段的導(dǎo)通電壓；
◆TIPl27和ULN2803的導(dǎo)通壓降；
◆組成大尺寸數(shù)碼管的單個發(fā)光二極管的驅(qū)動電流。?

本設(shè)計中，單個發(fā)光二極管的驅(qū)動電流為45 mA，供電電壓12 V，限流電阻選用33 Ω，O．5 W規(guī)格。

本電路占用單片機的I／O口較多，單片機要完成數(shù)碼管的譯碼、掃描等任務(wù)，負擔(dān)較重，但對一些小應(yīng)用來說是不錯的選擇。

2．2 專用芯片完成掃描的動態(tài)驅(qū)動電路

后續(xù)設(shè)計中，系統(tǒng)增加了很多功能，單片機負擔(dān)加重，大尺寸數(shù)碼管顯示時出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象。增加專用芯片完成數(shù)碼管的掃描驅(qū)動、按鍵檢測等功能，以減輕單片機的資源占用，簡化程序設(shè)計，效果很好，如圖3所示。



數(shù)碼管顯示驅(qū)動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，其性價比較高。CH452L內(nèi)置時鐘振蕩電路，可以動態(tài)驅(qū)動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；同時還可以進行64鍵的鍵盤掃描。CH452L通過可以級聯(lián)的4線串行接口或者2線串行接口與單片機等交換數(shù)據(jù)。這里使用4線串行接口與ATmegal6連接，具有編程簡單、穩(wěn)定可靠的特點。

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4英寸數(shù)碼管，必須進行擴充，擴充電路就是圖1。單片機將顯示的數(shù)據(jù)送給CH452L即可，由CH452L代替單片機完成澤碼和數(shù)碼管的動態(tài)掃描等任務(wù)。

3 保護電路設(shè)計

3英寸以上的數(shù)碼管，單塊價格已超過單片機芯片。由于動態(tài)掃描驅(qū)動電路的特點，為了達到需要的亮度，每個LED所加的脈沖電流遠大于靜態(tài)驅(qū)動時的極限電流值。如果驅(qū)動電路有故障，長時間將大電流加在數(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電路，如圖4所示。



3．1 驅(qū)動電路故障和危害

在上述驅(qū)動擴充電路中，如果段驅(qū)動電路ULN2803損壞，只會出現(xiàn)顯示混亂現(xiàn)象，對大尺寸數(shù)碼管不造成傷害；如果字驅(qū)動達林頓管TIPl27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，TIPl27不會導(dǎo)通，數(shù)碼管也不會長時間過流。

如果字驅(qū)動達林頓管TIPl27短路或者74LS07的某位對地短路，相應(yīng)位的大尺寸數(shù)碼管將一直得電，造成數(shù)碼管長時間過流損傷，因此必須避免這種情況發(fā)生。在掃描空隙時，檢測數(shù)碼管的陽極電壓，就能發(fā)現(xiàn)這種故障。

3．2 故障檢測和保護

如圖4所示，在每個大尺寸數(shù)碼管的陽極進行驅(qū)動電壓取樣，任一時刻只有1個數(shù)碼管的字驅(qū)動被掃描選中，即TIPl27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(TIPl27截止后的漏電流極小，相當(dāng)于完全關(guān)斷)。通過ULN2803進行電平轉(zhuǎn)換，送入單片機的PB口檢測。所有大尺寸數(shù)碼管通過繼電器K1的常閉觸點供電，K1受控于單片機的PA0口。

對于圖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)測和保護代碼：

／／顯示掃描函數(shù)開始
／／監(jiān)測和保護的關(guān)鍵代碼示意，只用于說明取樣、保護、報警的編程思路


／／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

對于圖3電路，由于CH452L的第8個數(shù)碼管字選位DIG7未用，因此用DIG7作為取樣觸發(fā)信號(SSTART)觸發(fā)ATmegal6的中斷INTO，在中斷程序中加入上述監(jiān)測和保護代碼，即可完成采樣和保護功能。

3．3 幾個要點

①如果不具備圖2、圖3電路的取樣時機條件，可采取隨機讀取的方式。需要明確，任何時刻只有1個數(shù)碼管得電工作，多于1個即可認為驅(qū)動電路有致命故障發(fā)生。

②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，防止保護電路誤動作。

③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I／O口數(shù)量不足，可以用74LSl65(并行輸入轉(zhuǎn)串行輸出)等電路進行取樣電路擴展。

⑤對于由單片機完成掃描的動態(tài)驅(qū)動電路，要注意防止因程序設(shè)計不合理或者死機對大尺寸數(shù)碼管造成的長時間過流損傷。專用數(shù)碼管顯示驅(qū)動和鍵盤掃描控制芯片多由純硬件邏輯實現(xiàn)，不會出現(xiàn)死機現(xiàn)象。

結(jié) 語

本文提及的大尺寸數(shù)碼管動態(tài)驅(qū)動和保護電路，筆者經(jīng)過產(chǎn)品實際驗證過，價格低廉、性能可靠。其他類型的大尺寸數(shù)碼管驅(qū)動、保護電路可參照此思路設(shè)計。在此拋磚引玉，希望對大家有所幫助。