LED显示器及其接口技术

1、第二章 微型计算机控制系统的接口技术n2.1 LED显示器接口 n2.2 键盘接口技术 n2.3 模拟量输入通道 n2.4 模拟量输出通道 n2.5 开关量输入/输出通道 硬件系统硬件系统 作用：获得过程或被控信号的参数值，进行作用：获得过程或被控信号的参数值，进行参数处理和转换，并控制对象以及对过程参数处理和转换，并控制对象以及对过程参数的显示和干预。参数的显示和干预。 组成：组成：1、信号参数的采集通道及变换、信号参数的采集通道及变换 2、参数的处理、参数的处理 3、控制信号的输出通道、控制信号的输出通道 4、过程显示和人工干预、过程显示和人工干预 2.1 LED2.1 LED显示器接口显

2、示器接口学习目标学习目标 掌握掌握LEDLED显示器件的工作原理、显示方式及其接显示器件的工作原理、显示方式及其接口电路。口电路。 了解图形显示画面的几种形式与功能作用。了解图形显示画面的几种形式与功能作用。 引言引言 在计算机控制中，显示装置是一个重要组在计算机控制中，显示装置是一个重要组成部分，主要用来显示生产过程的工艺状况与成部分，主要用来显示生产过程的工艺状况与运行结果，以便于现场工作人员的正确操作。运行结果，以便于现场工作人员的正确操作。常用的显示器件有显示记录仪、发光二极管显常用的显示器件有显示记录仪、发光二极管显示器示器LED、液晶显示器、液晶显示器LCD、大屏幕显示器和、大屏幕

3、显示器和图形显示器终端图形显示器终端CRT。显示器简介n显示记录仪显示记录仪-是以模拟方式连续显示和记录过程参数的动态变化，但是以模拟方式连续显示和记录过程参数的动态变化，但其价格都很贵，在目前的计算机控制系统中已很少采用。其价格都很贵，在目前的计算机控制系统中已很少采用。nLED数码管数码管-由于具有结构简单、体积小、功耗低、配置灵活、显示由于具有结构简单、体积小、功耗低、配置灵活、显示清晰、可靠性高等优点，目前已被微型计算机控制系统及智能化仪表清晰、可靠性高等优点，目前已被微型计算机控制系统及智能化仪表广泛采用。广泛采用。nLCD-则以其功耗极低的特点，占据了从电子表到计算器，从袖珍仪则以

4、其功耗极低的特点，占据了从电子表到计算器，从袖珍仪表到便携式微型计算机等应用场合。表到便携式微型计算机等应用场合。nCRT终端终端-CRT终端以其图文并茂的直观生动画面，可以显示生产过终端以其图文并茂的直观生动画面，可以显示生产过程中的各种画面及报表，如生产流程图、显示报警图、趋势曲线图、程中的各种画面及报表，如生产流程图、显示报警图、趋势曲线图、状态和回路查询图等状态和回路查询图等,在很多微型计算机控制系统中，特别在在很多微型计算机控制系统中，特别在DDC，SCC以及以及DCS控制系统中，大都采用控制系统中，大都采用CRT操作台进行监视和控制。操作台进行监视和控制。 在小型控制装置和数字化仪

5、器仪表中，往往在小型控制装置和数字化仪器仪表中，往往只要几个简单的数字显示或字符状态便可满足现只要几个简单的数字显示或字符状态便可满足现场的需求，而显示数码的场的需求，而显示数码的LEDLED因其成本低廉、配置因其成本低廉、配置灵活，与计算机接口方便等特点在小型微机控制灵活，与计算机接口方便等特点在小型微机控制系统中得到极为广泛的应用。系统中得到极为广泛的应用。 本节主要讨论本节主要讨论LED LED 数码管数码管 工作原理及其接口工作原理及其接口电路。电路。一、一、 LEDLED数码管结构与工作原理数码管结构与工作原理 LEDLED（发光二极管（发光二极管Light Emitting Dio

6、deLight Emitting Diode的英文缩写）是的英文缩写）是采用半导体材料制成的能将电能转换成光能的固体发光器件，采用半导体材料制成的能将电能转换成光能的固体发光器件，根据制造材料的不同可以发出红、黄、绿、白等不同色彩的根据制造材料的不同可以发出红、黄、绿、白等不同色彩的可见光来。可见光来。LEDLED的伏安特性类似于普通二极管，正向压降约的伏安特性类似于普通二极管，正向压降约为为2 2伏左右，工作电流一般在伏左右，工作电流一般在10 -20 mA10 -20 mA之间较为合适。之间较为合适。 LED显示器有多种结构形式，单段的圆形或方形显示器有多种结构形式，单段的圆形或方形LED

7、常常用来显示设备的运行状态，用来显示设备的运行状态，8段段LED可以显示各种数字和字可以显示各种数字和字符，所以也称为符，所以也称为LED数码管，其外形如图所示。数码管，其外形如图所示。8段段LED在在控制系统中应用最为广泛，其接口电路也具有普遍借鉴性。控制系统中应用最为广泛，其接口电路也具有普遍借鉴性。因此，我们介绍因此，我们介绍8段段LED数码管显示器。数码管显示器。 8段段LED显示器的结构与工作原理如图所示。显示器的结构与工作原理如图所示。 8段LED显示器的结构图 一个一个8 8段段LEDLED显示器的结构与工作原理显示器的结构与工作原理如图所示。它是由如图所示。它是由8 8个发光二

8、极管组成，各个发光二极管组成，各段依次记为段依次记为a a、b b、c c、d d、e e、f f、g g、dpdp ，其中其中dpdp表示小数点（不带小数点的称为表示小数点（不带小数点的称为7 7段段LEDLED）。）。8 8段段LEDLED显示器有共阴极和共阳极两显示器有共阴极和共阳极两种结构，分别如图（种结构，分别如图（b b）、（）、（c c）所示。）所示。 共阴极共阴极LEDLED的所有发光管的阴极并接成公的所有发光管的阴极并接成公共端共端COMCOM，而共阳极，而共阳极LEDLED的所有发光管的阳的所有发光管的阳极并接成公共端极并接成公共端COMCOM。当共阴极。当共阴极LEDLE

9、D的的COMCOM端端接地，则某个发光二极管的阳极加上高电接地，则某个发光二极管的阳极加上高电平时，则该管有电流流过因而点亮发光；平时，则该管有电流流过因而点亮发光；当共阳极当共阳极LEDLED的的COMCOM端接高电平，则某个发端接高电平，则某个发光管的阴极加上低电平时，则该管有电流光管的阴极加上低电平时，则该管有电流流过因而点亮发光。流过因而点亮发光。 8 8段段LEDLED通过不同段点亮时的组合，可以显示通过不同段点亮时的组合，可以显示0909、AFAF等十六进等十六进制数。显然，将单片机的数据输出口与制数。显然，将单片机的数据输出口与LEDLED各段引脚相连，控制输各段引脚相连，控制输

10、出的数据就可以使出的数据就可以使LEDLED显示不同的字符。通常把控制显示不同的字符。通常把控制LEDLED数码管发光数码管发光显示字符的显示字符的8 8位字节数据称为段选码或者字符译码，如图所示。位字节数据称为段选码或者字符译码，如图所示。 8 8段段LEDLED选码原理与结构图选码原理与结构图二、二、 LED数码管显示方式数码管显示方式 在计算机控制系统中，常利用在计算机控制系统中，常利用多多个个LEDLED数码管构成数码管构成多多位显示。通常把点亮位显示。通常把点亮LEDLED某一段的控制称为段选，而把点某一段的控制称为段选，而把点亮亮LEDLED某一位的控制称为位选或片选。根据某一位的

11、控制称为位选或片选。根据LEDLED显示器的显示器的段选线、位选线与控制端口的连接方式不同，段选线、位选线与控制端口的连接方式不同，LEDLED显示器显示器有静态显示与动态显示两种方式，下面以有静态显示与动态显示两种方式，下面以4 4个共阴极个共阴极LEDLED的组合为例进行说明。的组合为例进行说明。1静态显示方式静态显示方式 定义：当显示器显示某一字符时，相应的发光二极管恒定义：当显示器显示某一字符时，相应的发光二极管恒 定的导通或截止。定的导通或截止。 特点；每位显示器都有各自的锁存器、译码器、驱动器，特点；每位显示器都有各自的锁存器、译码器、驱动器，用以锁存待显示数字的字段码。用以锁存待

12、显示数字的字段码。 优点：占用优点：占用CPU时间少，显示稳定可靠。时间少，显示稳定可靠。 缺点：功耗较大，占用缺点：功耗较大，占用I/O线较多。线较多。 4 4个个LEDLED组合的静态显示电路如图所示组合的静态显示电路如图所示图 7-5LED静态显示方式abcdefgdpabcdefgdpabcdefgdpabcdefgdpGNDCOMCOMCOMCOMI/O(1)I/O(2)I/O(3)I/O(4)LED静态显示方式静态显示方式例题例题1 1：说明采用：说明采用4 4个共阴极个共阴极LEDLED数码管数码管静态显示静态显示45674567数字的数字的工作过程。工作过程。 例题分析：当所有

13、例题分析：当所有COMCOM端连接在一端连接在一起并接地时，首先由起并接地时，首先由I/OI/O口（口（1 1）送出）送出数字数字4 4的段选码的段选码66H66H即数据即数据0110011001100110到到左边第一个左边第一个LEDLED的段选线上，阳极接受的段选线上，阳极接受到高电平到高电平“1 1”的发光管的发光管f f、g g、c c、b b段段因为有电流流过则被点亮，则结果为因为有电流流过则被点亮，则结果为左边第一个左边第一个LEDLED显示显示4 4；接着由；接着由I/OI/O口口（2 2）送出数字）送出数字5 5的段选码的段选码6DH 6DH 即数据即数据0110110101

14、101101到左边第二个到左边第二个LEDLED的段选线上，的段选线上，阳极接受到高电平阳极接受到高电平“1 1”的共阴极发光的共阴极发光管管g g、f f、d d 、 c c、a a段则被点亮，则结段则被点亮，则结果为左边第二个果为左边第二个LEDLED显示显示5 5；同理，由；同理，由I/OI/O口（口（3 3）送出数字）送出数字6 6的段选码的段选码7c7cH H即即0111110001111100到左边第三个到左边第三个LEDLED的段选线上，的段选线上，由由I/OI/O口（口（4 4）送出数字）送出数字7 7的段选码的段选码0 07H7H即即0000011100000111到左边第四

15、个到左边第四个LEDLED的段选线的段选线上，则第三、四个上，则第三、四个LEDLED分别显示分别显示6 6、7 7。图 7-5LED静态显示方式abcdefgdpabcdefgdpabcdefgdpabcdefgdpGNDCOMCOMCOMCOMI/O(1)I/O(2)I/O(3)I/O(4)2动态显示方式动态显示方式定义定义:一位一位轮流点亮各位显示器，对于每一位显示器一位一位轮流点亮各位显示器，对于每一位显示器来说，每隔一段时间点亮一次。来说，每隔一段时间点亮一次。特点：所有的特点：所有的LED数码管的各段对应连接在一起，通过逐数码管的各段对应连接在一起，通过逐个驱动各数码管的公共端，轮

16、流点亮各个数码管，利用人个驱动各数码管的公共端，轮流点亮各个数码管，利用人眼的视觉暂滞特性，产生连续发光显示效果。眼的视觉暂滞特性，产生连续发光显示效果。 优点：使用硬件少，占用优点：使用硬件少，占用I/O线少线少 缺点：占用缺点：占用CPU时间长时间长 LED动态显示电路如图所示动态显示电路如图所示abcdefgdpabcdefgdpabcdefgdpabcdefgdpCOMCOMCOMCOMI/O(1)D0D1D2D3I/O(2)图7-6 LED动态显示方式LED动态显示方式例题例题2：说明采用：说明采用4位共阴极位共阴极LED数码管数码管动态显示动态显示4567数字的工作过程数字的工作过

17、程 abcdefgdpabcdefgdpabcdefgdpabcdefgdpCOMCOMCOMCOMI/O(1)D0D1D2D3I/O(2)图 7-6 LED动 态 显 示 方 式再由再由I/OI/O口（口（1 1）送出数字）送出数字5 5的段选码的段选码6DH6DH即即 0110110101101101到段选线上，接着由到段选线上，接着由I/OI/O口（口（2 2）送出点亮左边第二个）送出点亮左边第二个LEDLED的位选码的位选码10111011到位选线上，到位选线上，此时只有该此时只有该LEDLED的发光管因阳极接受到高电平的发光管因阳极接受到高电平“1”1”的的g g、f f、d d 、

18、 c c、a a段段有电流流过因而被点亮，也就是显示出数字有电流流过因而被点亮，也就是显示出数字5 5，而其余，而其余3 3位位LEDLED不亮；不亮；3 3、如此再依次送出第三个、如此再依次送出第三个LEDLED、第四个、第四个LEDLED的段选与位选的扫描代码，就的段选与位选的扫描代码，就能一一分别点亮各个能一一分别点亮各个LEDLED，使，使4 4个个LEDLED从左至右依次显示从左至右依次显示4 4、5 5、6 6、7 7。例题分析：，例题分析：，1 1、首先由、首先由I/OI/O口（口（1 1）送出数字）送出数字4 4的段选码的段选码66H66H即即数据数据0110011001100

19、110到到4 4个个LEDLED共同的段选线上。共同的段选线上。2 2、接着由、接着由I/OI/O口（口（2 2）送出位选码）送出位选码01110111到位选线上，其中数据的高到位选线上，其中数据的高4 4位为无效的位为无效的，唯，唯有送入左边第一个有送入左边第一个LEDLED的的COMCOM端端D3D3为低电平为低电平“0”0”，因此只有该因此只有该LEDLED的发光管因阳极接受到高电平的发光管因阳极接受到高电平“1”1”的的f f、g g、c c、b b段有电流流过而被点亮，也段有电流流过而被点亮，也就是显示出数字就是显示出数字4 4，而其余，而其余3 3个个LEDLED因其因其COMCO

20、M端均端均为高电平为高电平“1”1”而无法点亮；显示一定时间后，而无法点亮；显示一定时间后，三、三、LED显示器接口电路显示器接口电路 控制系统中的控制系统中的LED显示电路，除了要完成显示电路，除了要完成把字符转换成对应的段选码的译码功能以把字符转换成对应的段选码的译码功能以外，还要具有数据锁存与驱动的功能。其外，还要具有数据锁存与驱动的功能。其中，译码功能可以通过硬件译码器完成，中，译码功能可以通过硬件译码器完成，也可通过软件编程实现；而数据锁存与驱也可通过软件编程实现；而数据锁存与驱动只有依赖硬件电路来实现。结合上面讨动只有依赖硬件电路来实现。结合上面讨论的两种显示方式：论的两种显示方式

21、：1、静态显示电路、静态显示电路n静态显示方式的关键是多个静态显示方式的关键是多个LED需与多个需与多个I/O并行并行口相连，一般的并行口相连，一般的并行I/O口如口如8255A或锁存器只具或锁存器只具备锁存功能，还要有硬件驱动电路，再配以软件备锁存功能，还要有硬件驱动电路，再配以软件译码程序。目前广泛使用一种集锁存、译码、驱译码程序。目前广泛使用一种集锁存、译码、驱动功能为一体的集成电路芯片，以此构成静态显动功能为一体的集成电路芯片，以此构成静态显示硬件译码接口电路。如美国示硬件译码接口电路。如美国RCA公司的公司的CD4511B是是4位位BCD码码7段十进制锁存译码驱动段十进制锁存译码驱动

22、器，美国器，美国MOTOROLA公司的公司的 MC14495是是4位位BCD码码7 段十六进制锁存译码驱动器。下面以段十六进制锁存译码驱动器。下面以CD4511B为例，说明其接口电路。如图所示为例，说明其接口电路。如图所示。 图中有CD4511B的引脚分配，它的真值表见表 n（BLanking）为空白（全灭）信号，低电平有效）为空白（全灭）信号，低电平有效；n(Lamp Test )为全亮试验信号，低电平有效；为全亮试验信号，低电平有效； 这两个引脚只用来测试与之连接的这两个引脚只用来测试与之连接的LED，在，在LED正常工作正常工作时，均接成高电平。时，均接成高电平。n锁存允许信号锁存允许信

23、号(Latch Enable)为低电平有效，作为允许为低电平有效，作为允许BCD码输入的片选信号，片选端一般是与接口地址译码信码输入的片选信号，片选端一般是与接口地址译码信号相连。一旦片选有效即号相连。一旦片选有效即0,则数据输入端则数据输入端A、B、C、D所接收的所接收的4位位BCD码就会被内部逻辑电路自动译为输出端码就会被内部逻辑电路自动译为输出端ag的段选信号，从而驱动点亮的段选信号，从而驱动点亮7段段LED显示出相应的字显示出相应的字符。符。 图为图为4个个LED组成的静态显示硬件译码接口电路组成的静态显示硬件译码接口电路 n图中，图中，4片片CD4511B分别对应连接分别对应连接4片

24、片7段共阴极段共阴极LED显示器，显示器，74LS138译码器译出片选信号译码器译出片选信号PORT0、PORT1，分别作为，分别作为U1、U2和和U3、U4的锁存允许信号。的锁存允许信号。CPU通过输出指令把要显示字通过输出指令把要显示字符的符的BCD码数据通过数据总线码数据通过数据总线D7 D0输出到输出到U1U4的数据输入端的数据输入端D、C、B、A，其中每，其中每2片片（U1和和U2，U3和和U4）共用一个字节及一个片选）共用一个字节及一个片选信号。若要显示带小数点的十进制数，则只要在信号。若要显示带小数点的十进制数，则只要在LED显示器的显示器的dp端另加驱动控制即可。端另加驱动控制

25、即可。接口程序为：接口程序为： MOV BX，OFFSET DATA1MOV AL，BXOUT PORT1，AL ；显示左2位INC BXMOV AL，BXOUT PORT0，AL ；显示右2位2、动态显示电路、动态显示电路n动态显示接口电路的关键是由两个动态显示接口电路的关键是由两个I/O 并行端口分别进行并行端口分别进行段选码与位选码的锁存，除了需要配置驱动电路以外，译段选码与位选码的锁存，除了需要配置驱动电路以外，译码扫描功能则完全由软件编程来完成。下图给出码扫描功能则完全由软件编程来完成。下图给出4个个LED组成的动态显示软件译码接口电路，组成的动态显示软件译码接口电路，4个共阴极个共

26、阴极LED显示显示器的段选线对应并接，由一片器的段选线对应并接，由一片8D触发器触发器74LS374（U1）进行段选控制，其间串有进行段选控制，其间串有8个三极管以正向驱动个三极管以正向驱动LED的阳的阳极，此可称为段选通道。极，此可称为段选通道。4个个LED的的COM端由另一片端由另一片 74LS374（U2）进行位选控制，其间接有达林顿阵列驱）进行位选控制，其间接有达林顿阵列驱动器动器MC1413（内含（内含7对复合三极管）以对对复合三极管）以对LED的阴极进的阴极进行反向驱动，此构成了位选通道。行反向驱动，此构成了位选通道。 段码锁存器段码锁存器U1和位码锁存器和位码锁存器U2均连在数据

27、总线均连在数据总线D7 D0上，上，CPU通过数据总线送出的数据是到通过数据总线送出的数据是到U1还是还是U2，这要由，这要由74LS138对地址译码后的输出信号和决定。对地址译码后的输出信号和决定。U1端口地址端口地址PORT0被选中，被选中，U1选通并锁存住选通并锁存住CPU输出的段选码；当输出的段选码；当U2端口地址端口地址PORT7被选中，被选中，U2锁存住锁存住CPU输出的位选码。输出的位选码。 设该接口电路从左到右（即从设该接口电路从左到右（即从LED1到到LED4）进行动）进行动态扫描，其显示过程如下：首先态扫描，其显示过程如下：首先CPU把把LED1要显示的字符要显示的字符段码送入段码锁存器段码送入段码锁存器U