大尺寸數碼管的動態驅動和保護電路設計

　　引言

　　LED數碼管是單片機系統常用的顯示器件，1英寸以上的LED數碼管的每個字段都是由多個發光二極管串、并聯組成，在此稱為大尺寸數碼管。大尺寸數碼管雖然不能顯示漢字等復雜字符，但數字顯示效果好，可視距離遠，成本低，符合人的視覺習慣，有著廣泛的用途。其結構特性要求驅動電路提供較高的電壓和電流，可用動態和靜態方式驅動。筆者設計的“廣電播控機房大尺寸綜合顯示器”就是用動態驅動大尺寸數碼管的方式實現的，本文給出的都是實際使用的電路。

　　1 大尺寸數碼管特性

　　圖1 大尺寸數碼管的字段組成

　　圖1是深圳佳美公司JMS40011D 4英寸共陽高亮紅色數碼管各字段的組成。A~G 7個段都是由8只發光二極管串、并聯而成;DP是小數點，由2只發光二極管串聯而成。單個發光二極管的極限和光電參數如表1所列。

　　圖2 動態驅動電路形式1

　　表1 大尺寸數碼管單個發光二極管的參數

　　正向電流If(20 mA)是長時間靜態驅動時的電流最大值，如果超過此值，將導致數碼管壽命下降，甚至損壞。峰值電流Ipeak(100 mA)是動態驅動時的脈沖電流最大值。JMS40011D的A~G字段的導通電壓為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 動態驅動電路設計2例

　　動態掃描驅動利用人眼的特性，分時進行LED數碼管驅動，人眼感受的是有效亮度的平均值。其優點是驅動芯片少，電路簡單，成本低。

　　擴充電壓、電流的驅動電路形式很多。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碼管(N1~N6)組成，主控單片機為美國Atmel公司的AVR系列ATmega16。主控單片機通過數碼管驅動電路在大尺寸數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驅動電路

　　圖2電路中，單片機ATmega16完成譯碼、動態掃描等功能。74LS07是6同相電平轉換電路，輸出級是集電極開路的晶體管，耐壓30 V，驅動電流30 mA，在ATmega16PA0~PA5口電平控制下驅動Q1~Q6 PNP達林頓功率管TIP127，實現6只共陽數碼管的字驅動。ULN2803是8位NPN達林頓陣列，耐壓50 V,驅動電流500 mA,這里用于ATmega16 PC0~PC7口數碼管段驅動的擴充。任一時刻，只有1個數碼管得電，數碼管的陽極接SA1~SA6，用于驅動電壓取樣。

　　R1~R8是大尺寸數碼管A~G字段的限流電阻，電阻值和功率根據以下因素計算：

　　◆ 大尺寸數碼管的供電電壓，各段的導通電壓;

　　◆ TIP127和ULN2803的導通壓降;

　　◆ 組成大尺寸數碼管的單個發光二極管的驅動電流。

　　圖3 動態驅動電路形式2

　　圖4 保護電路

　　本設計中，單個發光二極管的驅動電流為45 mA,供電電壓12 V，限流電阻選用33 Ω，0.5 W規格。

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

　　2.2 專用芯片完成掃描的動態驅動電路

　　后續設計中，系統增加了很多功能，單片機負擔加重，大尺寸數碼管顯示時出現閃爍現象。增加專用芯片完成數碼管的掃描驅動、按鍵檢測等功能，以減輕單片機的資源占用，簡化程序設計，效果很好，如圖3所示。

　　數碼管顯示驅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的CH452L，其性價比較高。CH452L內置時鐘振蕩電路，可以動態驅動1英寸以下的8 位共陰數碼管或者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 通過可以級聯的4 線串行接口或者2 線串行接口與單片機等交換數據。這里使用4 線串行接口與ATmega16連接，具有編程簡單、穩定可靠的特點。CH452L的第17腳(H3L2)是接口模式選擇，接高電平為4線模式。

　　CH452L也不能直接驅動4英寸數碼管，必須進行擴充，擴充電路就是圖1。單片機將顯示的數據送給CH452L即可，由CH452L代替單片機完成譯碼和數碼管的動態掃描等任務。

　　3 保護電路設計

　　3英寸以上的數碼管，單塊價格已超過單片機芯片。由于動態掃描驅動電路的特點，為了達到需要的亮度，每個LED所加的脈沖電流遠大于靜態驅動時的極限電流值。如果驅動電路有故障，長時間將大電流加在數碼管上，將導致數碼管燒傷、亮度嚴重衰減、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 驅動電路故障和危害

　　在上述驅動擴充電路中，如果段驅動電路ULN2803損壞，只會出現顯示混亂現象，對大尺寸數碼管不造成傷害;如果字驅動達林頓管TIP127斷路，只是相應位的數碼管不顯示，也無傷害;如果74LS07某位斷路，TIP127不會導通，數碼管也不會長時間過流。

　　如果字驅動達林頓管TIP127短路或者74LS07的某位對地短路，相應位的大尺寸數碼管將一直得電，造成數碼管長時間過流損傷，因此必須避免這種情況發生。在掃描空隙時，檢測數碼管的陽極電壓，就能發現這種故障。

　　3.2 故障檢測和保護

　　如圖4所示，在每個大尺寸數碼管的陽極進行驅動電壓取樣，任一時刻只有1個數碼管的字驅動被掃描選中，即TIP127導通。取樣電壓約為數碼管的供電電壓(這里是12 V)，未選中的為0 V(TIP127截止后的漏電流極小，相當于完全關斷)。通過ULN2803進行電平轉換，送入單片機的PB口檢測。所有大尺寸數碼管通過繼電器K1的常閉觸點供電，K1受控于單片機的PA0口。

　　對于圖2電路，在每一輪數碼管顯示掃描程序開始前加上以下監測和保護代碼：

　　//顯示掃描函數開始

　　//監測和保護的關鍵代碼示意，只用于說明取樣、保護、報警的

　　//編程思路

　　VoltSampling=PINB;//讀取PB口值，與取樣電壓相關

　　//注意，ULN2803是反相的

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

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

　　//字驅動電路有故障

　　PORTA=PORTA&0xFE;//PA0,輸出0，保護電路動作，

　　//K1吸合切斷所有數碼管供電

　　PORTA=PORTA&0xFD;//PA1,輸出0，故障指示燈

　　//LED1亮，報警

　　}

　　//原有數碼管掃描代碼開始

　　//選通第一位數碼管，輸出相應代碼

　　對于圖3電路，由于CH452L的第8個數碼管字選位DIG7未用，因此用DIG7作為取樣觸發信號(SSTART)觸發ATmega16的中斷INT0，在中斷程序中加入上述監測和保護代碼，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個數碼管得電工作，多于1個即可認為驅動電路有致命故障發生。

　　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口數量不足，可以用74LS165(并行輸入轉串行輸出)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驅動電路，要注意防止因程序設計不合理或者死機對大尺寸數碼管造成的長時間過流損傷。專用數碼管顯示驅動和鍵盤掃描控制芯片多由純硬件邏輯實現，不會出現死機現象。

　　結語

　　本文提及的大尺寸數碼管動態驅動和保護電路，筆者經過產品實際驗證過，價格低廉、性能可靠。其他類型的大尺寸數碼管驅動、保護電路可參照此思路設計。在此拋磚引玉，希望對大家有所幫助。