第2章发光二极管显示器件的接口技术.ppt

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1、发光二极管LED 尽管尽管LCD(液晶液晶)显示器的应用已越来越多，但目前的中低显示器的应用已越来越多，但目前的中低端测控系统中，端测控系统中，LED(发光二极管发光二极管)仍占有主要地位。仍占有主要地位。主要原因有以下几个：主要原因有以下几个：1)LED接口简单；接口简单；2)LED自发光且亮度高，即便在室外仍具自发光且亮度高，即便在室外仍具有很好的可见度；有很好的可见度；3)容易做大，十几平方米的大容易做大，十几平方米的大LED屏已屏已很普遍；很普遍；4)成本低、寿命长。成本低、寿命长。电气特性电气特性v驱动电流一般为驱动电流一般为320mAv导通时管压降一般导通时管压降一般2V左右左右显

2、示驱动方式显示驱动方式v静态显示：用于信息少静态显示：用于信息少v动态显示：用于信息多动态显示：用于信息多2.1 静态显示常采用的常采用的常采用的常采用的驱动器件驱动器件驱动器件驱动器件7406、7407专用驱动电路如ULN2003/2008,74HC373等有些单片机可直接驱动（拉电流，灌电流）注：高电平时的输出电流远小于低电平时的注入电流注：高电平时的输出电流远小于低电平时的注入电流注：高电平时的输出电流远小于低电平时的注入电流注：高电平时的输出电流远小于低电平时的注入电流2.1 静态显示1）发光二极管类型：超高亮:1.7V1.9V,设计电流通常选为15mA高亮:1.6V1.8V，设计电流

3、通常选为12mA普亮：1.4V1.7V，设计电流通常选为8mA设计电流的选择应根据设计电流的选择应根据应用环境及对亮度的要求应用环境及对亮度的要求来定来定常采用的驱动电路常采用的驱动电路常采用的驱动电路常采用的驱动电路7406、7407专用驱动电路如ULN2003/2008,74HC373、244、245 74LS244/245等有些单片机可直接驱动2）发光二极管的特性 由于LED的电流特性为近似的恒压器件，导通电流I在其导通阀值附近快速增大，所以必须加限流电阻必须加限流电阻控制电流值。IVVt近似的恒压特性，使用时需串接限流电阻近似的恒压特性，使用时需串接限流电阻注意：注意：大多数单管大多数

4、单管LEDLED不应在超过不应在超过50mA50mA的情况下长时间工作的情况下长时间工作3）限流电阻的计算）限流电阻的计算VCC7406R例例1 1：某超高亮：某超高亮LED,5VLED,5V工作，工作电流为工作，工作电流为8mA8mA，导通压，导通压降为降为1.7V,1.7V,电路如下图电路如下图驱动器件的低电平输出电压工作电流器件选用 v高电平输出驱动与低电平输出驱动，器件选用和计算方法有所不同v 74LS04:高电平输出时，可以流出最大0.4mA的电流，而低电平输出时，可以注入最大8mA的电流 74LS594的高电平输出时，可以流出最大2.6mA的电流，而低电平输出时，可以注入最大24m

5、A的电流v74LS244:高电平输出时，可以流出最大15mA的电流，而低电平输出时，可以注入最大24mA的电流 器件选用 v对需要更大输出电流、更高输出电压时，还可选择高压输出的OC门驱动器7406/7407。v7406/7407器件低电平时的注入电流可达40mA，高电平输出时，可耐压30V。v专用驱动器ULN2003/ULN2803/ULN2023/ULN2823更适合LED的大电流驱动，导通时可注入500mA的极限电流，可在300mA电流下长期工作，高电平输出耐压可达50V(ULN2003/ULN2803)或95V(ULN2023/ULN2823)。v高电平时的输出电流远小于低电平时的注入

6、电流高电平时的输出电流远小于低电平时的注入电流。v所以，一般情况下应使用低电平驱动方式应使用低电平驱动方式 例例2 2：某室外：某室外LEDLED数码显示块，每段由数码显示块，每段由100100个个LEDLED组成，超高亮组成，超高亮LEDLED，工作电流为，工作电流为15mA15mA，导通压降为，导通压降为1.4V,1.4V,选用选用ULN2003ULN2003驱动驱动ULN2003工作电压不超过50伏选用1/2W的阻值为1K,35=25*1.4+50V2003VD1VD25ULN2003+48V4）驱动器的选择驱动器的选择要考虑到2个参数（1）驱动电流）驱动电流大于等于大于等于LEDLED

7、的工作电流的工作电流 7406、7407注入电流为40mA ULN2003注入电流为300mA（2）耐压值）耐压值大于等于驱动电压大于等于驱动电压 7406、7407耐压值为30V ULN2003耐压值为50V5）LED数码管abcdefgdp共阴极LED共阳极LED需注意的问题：需注意的问题：（1）小数点的驱动）小数点的驱动导通压降较低和工作电流较小导通压降较低和工作电流较小（2）共阴极）共阴极LED限流电阻的计算限流电阻的计算阳极驱动电压阳极驱动电压 专用的驱动器，高电平输出一般在专用的驱动器，高电平输出一般在4.5V左右左右 大多数大多数TTL器件，高电平输出一般在器件，高电平输出一般在

8、3.5V或更低或更低清零清零D1移位脉冲移位脉冲2341QQ3Q1Q2RD000000010010 010 011 1010 011011QJKF0Q0QJKF2QJKF1QJKF3QQQJ0=1 K0=0 J1=0 K1=1J2=0 K2=1 J3=0 K3=1J0=0 K0=1 J1=1 K1=0J2=0 K2=1 J3=0 K3=1J0=1 K0=0 J1=0 K1=1J2=1 K2=0 J3=0 K3=1J0=1 K0=0 J1=1 K1=0J2=0 K2=1 J3=1 K3=0101 1左移寄存器左移寄存器6）使用串行芯片的静态显示使用静态方式，通常使用移位寄存器扩展显示位数。常用的

9、移位寄存器有74HC164/165，74HC594等。多片移位寄存器可串联使用。带输出寄存器的8位移位寄存器74HC594更适合LED静态显示，由于移位和存储寄存器都提供了分离的时钟，即便级联了很多片74HC594，显示过程也不会出现闪烁现象 图2.5 74HC594的级联使用及LED显示驱动2.2 LED的动态刷新显示本章重点难点LED显示方式显示方式1）静态显示）静态显示 同时点亮，硬件较多，软件设计简单同时点亮，硬件较多，软件设计简单;静态的静态的LED显示将耗显示将耗用大量的用大量的I/O端口和驱动、限流电路。如要显示端口和驱动、限流电路。如要显示10个个24点阵汉字的单色显示屏，点阵

10、汉字的单色显示屏，将需要将需要720个个8位位I/O口口 2）动态显示）动态显示 轮流点亮，节省硬件，软件相对复杂轮流点亮，节省硬件，软件相对复杂 数码管较多，或为点阵显示屏时，常采用数码管较多，或为点阵显示屏时，常采用矩阵扫描矩阵扫描方式方式注意两种方法的应用场合注意两种方法的应用场合视觉暂留v人眼的视觉暂留特点，当显示刷新的频率高于某一值时，人眼将觉察不到闪烁。对LED显示刷新而言，刷新频率不能低于50次/秒。高于60次/秒将使视觉更舒服。v1、动态显示的注意事项、动态显示的注意事项v（1）动态扫描频率不能低于）动态扫描频率不能低于50HZv(2)要保证通过要保证通过LED的的瞬时电流瞬时

11、电流不超过其峰值不超过其峰值电流电流;显示亮度由流过一个发光二极管的显示亮度由流过一个发光二极管的平均平均电流电流决定决定建议：软件扫描行数不能超过建议：软件扫描行数不能超过16行，硬件扫描可提高行，硬件扫描可提高到到32行行（2）扫描的行数：要保证通过）扫描的行数：要保证通过LED的的瞬时电流瞬时电流不超过其峰值电流不超过其峰值电流行扫描线以高电平驱动，列扫描线以低电平驱动，通常以逐行扫描方式工作行扫描线以高电平驱动，列扫描线以低电平驱动，通常以逐行扫描方式工作(以以共阳显示块为例共阳显示块为例)，即一次扫描一行。当一行高电平选中时，对应位置的发光二，即一次扫描一行。当一行高电平选中时，对应

12、位置的发光二极管是否点亮由列扫描线是否处于低电平决定。适当极管是否点亮由列扫描线是否处于低电平决定。适当延时延时后，切换到下一行显示后，切换到下一行显示，显示亮度由流过一个发光二极管的，显示亮度由流过一个发光二极管的平均电流平均电流决定。决定。动态扫描动态扫描v注意：为了达到足够的为了达到足够的平均电流平均电流，必须给发光二极，必须给发光二极管提供足够的瞬时电流管提供足够的瞬时电流 v 若扫描行数为16行，LED 段平均电流为8mA，（以十六行扫描作为一个扫描周期为例）v 则段瞬时电流应为8*16=128mAv但由于对大多数单个LED而言，大于200mA的峰值电流，可能对器件造成永久损伤，特别

13、是当扫描电路工作异常而引起停扫时，50mA以上的电流即可能引起LED的永久损坏。通常硬件扫描引起停扫的可能性比软件扫描小得多，所以建议使用硬件扫描。2、16路动态显示驱动电路举例路动态显示驱动电路举例RXDTXDP1.0QAQHQH/SCLKSRCLKSERQAQHQH/SCLKSRCLKSER74HC594驱动驱动与与限流限流LEDLED阵列阵列或或数码块数码块A AB BC CD D/Y0/Y0/Y15/Y15220330VCC行驱动行驱动 或或位驱动位驱动ULN2003图图2.10动态动态LED显示驱动电路显示驱动电路(共阳极）共阳极）（1）限流电阻的计算：）限流电阻的计算：设段平均电流

14、为设段平均电流为8mA，16路，路，VCC=5V,VT1(锗材料锗材料)导导通压降为通压降为0.3V，ULN2003导通压降为导通压降为0.3V，高亮，高亮LED 导导通管压降为通管压降为1.6V（2）行驱动电流的计算：）行驱动电流的计算：设设16路，段平均电流为路，段平均电流为4mA，80列超高亮列超高亮LED点阵，点阵，则全亮时三级管应提供的行驱动电流为则全亮时三级管应提供的行驱动电流为 根据行驱动电流选择三极管根据行驱动电流选择三极管ULN2003可直接与单片机并行口直接相连可直接与单片机并行口直接相连 驱动少量数码管时，可直接使用单片机驱动少量数码管时，可直接使用单片机并行并行I/O端

15、口连接驱动和限流部分端口连接驱动和限流部分大多数大多数LED专用驱动芯片，都是用于共阴极数码管专用驱动芯片，都是用于共阴极数码管SE-ASE-BSE-CSE-DSE-ESE-FSE-GULN2003P1.0P1.0P1.1P1.1P1.2P1.2P1.3P1.3A AB BC CD D/LT/LT/BI/BILELEV VCCCC45114511IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7OUT1OUT2OUT3OUT4OUT5OUT6OUT7COM图图2.11译码输出动态译码输出动态LED显示驱动电路显示驱动电路3、单色、双色、三色显示、单色、双色、三色显示红绿双色红绿双色LED为多，红绿双色

16、同时点亮或交替点为多，红绿双色同时点亮或交替点亮时，便显示橙色，所以实际为三色显示亮时，便显示橙色，所以实际为三色显示 2脚三色脚三色3脚三色脚三色（1）共阴双色驱动电路）共阴双色驱动电路RXDTXDP1.0QAQHQH/SCLKSRCLKSERQAQHQH/SCLKSRCLKSER74HC594驱动驱动与与限流限流A AB BC CD D/Y0/Y0/Y15/Y15220330VCCULN2003220330用用2个不同的行驱动个不同的行驱动图图2.12共阴极双色共阴极双色动态动态LED显示驱动电路显示驱动电路（2）共阳双色驱动电路）共阳双色驱动电路RXDTXDP1.0QAQHQH/SCLK

17、SRCLKSERQAQHQH/SCLKSRCLKSER74HC594驱动驱动与与限流限流A AB BC CD D/Y0/Y0/Y15/Y15220330VCCULN2003驱动驱动与与限流限流看做看做2个不同的列个不同的列图图2.12共阳极双共阳极双色动态色动态LED显示驱动电路显示驱动电路2.3动态显示刷新的专用模块v动态刷新的方法软件刷新软件刷新占用占用CPUCPU时间，可靠性差时间，可靠性差硬件刷新硬件刷新82798279，MAX7219/7221MAX7219/7221等等82798279并行接口，需外接显示驱动电路并行接口，需外接显示驱动电路（见（见P37 P37 图图2.142.1

18、4）MAX7219 MAX7219 串行接口，具有刷新、驱动功能，串行接口，具有刷新、驱动功能，可直接驱动可直接驱动8 8个共个共 阴极阴极LEDLED数码管，可级联使用数码管，可级联使用MAX7221 MAX7221 上升沿锁存、高位在前、上升沿锁存、高位在前、1616位位SPISPI接口接口8279，MAX7219/7221图2.15 MAX7219/7221引脚图图2.14 82C79接口信号1）MAX7219/7221与与LED的接口电路（串行）的接口电路（串行）亮度调节方法亮度调节方法（1）硬件调节）硬件调节（2）软件调节）软件调节图图2.16 MAX7219与与8位位LED接口接口

19、级联方式：DOUT(1)DIN(2)多级串联使用时，要使每个芯片所接多级串联使用时，要使每个芯片所接LED数保持均衡数保持均衡图图2.17 MAX7219驱动驱动16个个LED显示接口显示接口2）MAX7219/7221的再驱动的再驱动 7219/7221最大段驱动电流为40mA,每个数码管的段平均电流为5mA。当亮度要求较高时，可增加驱动电路DIG0DG0220330VCC来自来自7219SE-ASE-BSE-CSE-DSE-ESE-FSE-GULN2803SEBSECSEDSEESEFSEGSEA1212IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7OUT1OUT2OUT3OUT4OUT5OU

20、T6OUT7共阳极LED图图2.18 MAX7219在驱动在驱动接接7219LED导通压降为3.4V 2.4大尺寸显示器的接口v大尺寸LED的特点工作电流大、驱动电压大;大尺寸LED七段显示块，与小LED七段显示块相比，除驱动电流大小不同外，驱动电压也往往要大得多。当LED的正向导通压降大于3.6V时，常规的驱动电路将不能正常点亮5V供电的LED。v导通电压大于3.6V 时，常采用OC门加高压驱动（1）驱动电压低于12V时，取LED导通压降加2V3V（2）LED导通压降较高时，驱动电压应高于导通压降的 1520加2V,如3.6V+3.6V*3.6V+3.6V*20+2V 若LED尺寸较大，驱动

21、电压高于VCC时，为驱动前应加OC门如7407vMAX7219/7221的再驱动VDD(+12V)DIG0DG02203307407来自7219见P40 图2.20 P41 图2.21高压输出驱动电路v图2.20 用MAX7219驱动大导通压降的LED电路OCOC门位驱动门位驱动2.5动态显示驱动管的散热问题v驱动管在线路板上应均与分布v大量的驱动块不能集中在一起v通风良好v驱动电压不能太大v注意安装2.6 实例对线器的设计v问题长线连接信号，对线困难1.设计思路一端发顺序号脉冲的驱动另一端的发光二极管图2.22 对线器的使用原理2.原理图图2.23 24路对线器原理图图2.23 24路对线器

22、原理图3.软件设计图2.24 各通道信号时序程序使用三个数组P04、P14、P24分别初始化为0 xff，0 x7f，0 x77，0 x99，0 xaa，0 x7f，0 x80，0 x77，0 x99，0 xaa，0，0 x7f，0 x77，0 x99，0 xaa，注意：77修改为872.7 实例：2.3英寸LED显示器驱动电路设计LED七段显示器在仪器上大量使用，小型仪器通常配小LED显示器，大型仪器则常配大尺寸LED显示器图2.26 LED引脚与性能测试原理2.3英寸LED显示器驱动电路设计难点器件特性:电路实测电路实测应该是首选方案，因为这时可以模拟仪器应该是首选方案，因为这时可以模拟仪

23、器的实际使用环境，选择最为理想的亮度来设计仪器的实际使用环境，选择最为理想的亮度来设计仪器 测试开始时，请务必将电阻阻值调到最大，以免烧坏LED。当测试1.5英寸以上LED时，电源电压宜选择12V或更高。注意注意：小数点的导通压降及工作电流通常与其它段不同，应特别注意 2.3英寸LED显示器驱动电路设计v测得2.3英寸LED显示器(LG23011BH)的显示段导通压降为7.1V(基本可用亮度，电流12mA)或7.3V(较高亮度，电流25mA)，40mA以上电流时，亮度增加不明显，小数点的导通压降为3.4V，亮度合适时的段电流为1520mA。v驱动电压低于12V时，取LED导通压降加2V3V,此

24、处选择10V供电较节能，实际使用12V供电，以便与其它开关量部件共用一组电源。v按8位显示，平均段电流30mA设计，瞬时电流为308v选择驱动器。ULN2003/ULN2803/更适合LED的大电流驱动，导通时可注入500mA的极限电流，可在300mA电流下长期工作，高电平输出耐压可达50V 2.驱动电源选择与电路设计图2.27 2.3英寸LED显示驱动电路12V2.3英寸LED显示器驱动电路设计v按8位显示，平均段电流30mA设计，限流电阻R1R7的阻值为v可取18。式中，供电12V，二极管导通压降7.3V，ULN2003低电平导通时输出约0.3V，B546导通压降按0.3V计算，段平均显示电流30mA，8位循环显示。2.3英寸LED显示器驱动电路设计v如果要显示小数点，可将U2改为ULN2803，小数点的限流电阻应为(按20mA电流设计)v使用51电阻即可。v行驱动电流计算：瞬时电流列数，3088mA;根据电流选取三极管