大尺寸數(shù)碼管的動態(tài)驅(qū)動和保護(hù)電路設(shè)計(jì)
引言
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201603/287783.htmLED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(jì)的“廣電播控機(jī)房大尺寸綜合顯示器”就是用動態(tài)驅(qū)動大尺寸數(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 動態(tài)驅(qū)動電路形式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)是動態(tài)驅(qū)動時(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 動態(tài)驅(qū)動電路設(shè)計(jì)2例
動態(tài)掃描驅(qū)動利用人眼的特性,分時(shí)進(jìn)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(diǎn)是驅(qū)動芯片少,電路簡單,成本低。
擴(kuò)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(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)完成掃描的動態(tài)驅(qū)動電路
圖2電路中,單片機(jī)ATmega16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ATmega16PA0~PA5口電平控制下驅(qū)動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。ULN2803是8位NPN達(dá)林頓陣列,耐壓50 V,驅(qū)動電流500 mA,這里用于ATmega16 PC0~PC7口數(shù)碼管段驅(qū)動的擴(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)動電流。
圖3 動態(tài)驅(qū)動電路形式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態(tài)驅(qū)動電路
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、按鍵檢測等功能,以減輕單片機(jī)的資源占用,簡化程序設(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(shí)還可以進(jìn)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(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。由于動態(tài)掃描驅(qū)動電路的特點(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)動時(shí)的極限電流值。如果驅(qū)動電路有故障,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)動電路故障和危害
在上述驅(qū)動擴(kuò)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(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不會導(dǎo)通,數(shù)碼管也不會長時(shí)間過流。
如果字驅(qū)動達(dá)林頓管TIP127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(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(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)動電壓取樣,任一時(shí)刻只有1個(gè)數(shù)碼管的字驅(qū)動被掃描選中,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。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(hù)代碼:
//顯示掃描函數(shù)開始
//監(jiān)測和保護(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)動電路有故障
PORTA=PORTA&0xFE;//PA0,輸出0,保護(hù)電路動作,
//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(SSTART)觸發(fā)ATmega16的中斷INT0,在中斷程序中加入上述監(jiān)測和保護(hù)代碼,即可完成采樣和保護(hù)功能。
3.3 幾個(gè)要點(diǎn)
?、?nbsp;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。
⑤ 對于由單片機(jī)完成掃描的動態(tài)驅(qū)動電路,要注意防止因程序設(shè)計(jì)不合理或者死機(jī)對大尺寸數(shù)碼管造成的長時(shí)間過流損傷。專用數(shù)碼管顯示驅(qū)動和鍵盤掃描控制芯片多由純硬件邏輯實(shí)現(xiàn),不會出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象。
結(jié)語
本文提及的大尺寸數(shù)碼管動態(tài)驅(qū)動和保護(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、保護(hù)電路可參照此思路設(shè)計(jì)。在此拋磚引玉,希望對大家有所幫助。
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