发光二极管显示器件的接口技术

发光二极管显示器件的接口技术第1页，共47页，2023年，2月20日，星期四发光二极管LED尽管LCD(液晶)显示器的应用已越来越多，但目前的中低端测控系统中，LED(发光二极管)仍占有主要地位。主要原因有以下几个：1)LED接口简单；2)LED自发光且亮度高，即便在室外仍具有很好的可见度；3)容易做大，十几平方米的大LED屏已很普遍；4)成本低、寿命长。电气特性驱动电流一般为3~20mA导通时管压降一般2V左右显示驱动方式静态显示：用于信息少动态显示：用于信息多第2页，共47页，2023年，2月20日，星期四2.1静态显示常采用的驱动器件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第3页，共47页，2023年，2月20日，星期四2.1静态显示1）发光二极管类型：超高亮:1.7V~1.9V,设计电流通常选为15mA高亮:1.6V~1.8V，设计电流通常选为12mA普亮：1.4V~1.7V，设计电流通常选为8mA设计电流的选择应根据应用环境及对亮度的要求来定常采用的驱动电路7406、7407专用驱动电路如ULN2003/2008,74HC373、244、24574LS244/245等有些单片机可直接驱动第4页，共47页，2023年，2月20日，星期四2）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控制电流值。IVVt近似的恒压特性，使用时需串接限流电阻注意：大多数单管LED不应在超过50mA的情况下长时间工作第5页，共47页，2023年，2月20日，星期四3）限流电阻的计算VCC7406R例1：某超高亮LED,5V工作，工作电流为8mA，导通压降为1.7V,电路如下图驱动器件的低电平输出电压工作电流第6页，共47页，2023年，2月20日，星期四器件选用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

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24mA的电流74LS244: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的电流第7页，共47页，2023年，2月20日，星期四器件选用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。7406/7407器件低电平时的注入电流可达40mA，高电平输出时，可耐压30V。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)。高电平时的输出电流远小于低电平时的注入电流。所以，一般情况下应使用低电平驱动方式

第8页，共47页，2023年，2月20日，星期四例2：某室外LED数码显示块，每段由100个LED组成，超高亮LED，工作电流为15mA，导通压降为1.4V,选用ULN2003驱动ULN2003工作电压不超过50伏选用1/2W的阻值为1KΩ,35=25*1.4+50V2003VD1VD25ULN2003+48V第9页，共47页，2023年，2月20日，星期四4）驱动器的选择——要考虑到2个参数（1）驱动电流——大于等于LED的工作电流7406、7407注入电流为40mAULN2003注入电流为300mA（2）耐压值——大于等于驱动电压7406、7407耐压值为30VULN2003耐压值为50V第10页，共47页，2023年，2月20日，星期四5）LED数码管abcdefgdp共阴极LED共阳极LED需注意的问题：（1）小数点的驱动——导通压降较低和工作电流较小（2）共阴极LED限流电阻的计算——阳极驱动电压专用的驱动器，高电平输出一般在4.5V左右大多数TTL器件，高电平输出一般在3.5V或更低第11页，共47页，2023年，2月20日，星期四清零D1移位脉冲2341QQ3Q1Q2RD000000010010101101011011QJKF0Q0QJKF2QJKF1QJKF3QQQJ0=1

K0=0J1=0K1=1J2=0K2=1J3=0K3=1J0=0

K0=1J1=1K1=0J2=0K2=1J3=0K3=1J0=1

K0=0J1=0K1=1J2=1K2=0J3=0K3=1J0=1

K0=0J1=1K1=0J2=0K2=1J3=1K3=01011左移寄存器第12页，共47页，2023年，2月20日，星期四6）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2.574HC594的级联使用及LED显示驱动第13页，共47页，2023年，2月20日，星期四2.2LED的动态刷新显示

本章重点难点

LED显示方式1）静态显示

同时点亮，硬件较多，软件设计简单;静态的LED显示将耗用大量的I/O端口和驱动、限流电路。如要显示10个24点阵汉字的单色显示屏，将需要720个8位I/O口

2）动态显示

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，常采用矩阵扫描方式注意两种方法的应用场合第14页，共47页，2023年，2月20日，星期四视觉暂留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。1、动态显示的注意事项（1）动态扫描频率不能低于50HZ(2)要保证通过LED的瞬时电流不超过其峰值电流;显示亮度由流过一个发光二极管的平均电流决定第15页，共47页，2023年，2月20日，星期四建议：软件扫描行数不能超过16行，硬件扫描可提高到32行（2）扫描的行数：要保证通过LED的瞬时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(以共阳显示块为例)，即一次扫描一行。当一行高电平选中时，对应位置的发光二极管是否点亮由列扫描线是否处于低电平决定。适当延时后，切换到下一行显示，显示亮度由流过一个发光二极管的平均电流决定。

第16页，共47页，2023年，2月20日，星期四动态扫描注意：为了达到足够的平均电流，必须给发光二极管提供足够的瞬时电流

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）则段瞬时电流应为8*16=128mA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。第17页，共47页，2023年，2月20日，星期四2、16路动态显示驱动电路举例RXDTXDP1.0QAQHQH/SCLKSRCLKSERQAQHQH/SCLKSRCLKSER74HC594驱动与限流LED阵列或数码块ABCD/Y0/Y15……220Ω330ΩVCC行驱动或位驱动ULN2003图2.10动态LED显示驱动电路(共阳极）第18页，共47页，2023年，2月20日，星期四（1）限流电阻的计算：设段平均电流为8mA，16路，VCC=5V,VT1(锗材料)导通压降为0.3V，ULN2003导通压降为0.3V，高亮LED导通管压降为1.6V（2）行驱动电流的计算：设16路，段平均电流为4mA

，80列超高亮LED点阵，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第19页，共47页，2023年，2月20日，星期四ULN2003可直接与单片机并行口直接相连驱动少量数码管时，可直接使用单片机并行I/O端口连接驱动和限流部分大多数LED专用驱动芯片，都是用于共阴极数码管SE-ASE-BSE-CSE-DSE-ESE-FSE-GULN2003P1.0P1.1P1.2P1.3ABCD/LT/BILEVCC4511IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7OUT1OUT2OUT3OUT4OUT5OUT6OUT7COM图2.11译码输出动态LED显示驱动电路第20页，共47页，2023年，2月20日，星期四3、单色、双色、三色显示红绿双色LED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

2脚三色3脚三色第21页，共47页，2023年，2月20日，星期四（1）共阴双色驱动电路RXDTXDP1.0QAQHQH/SCLKSRCLKSERQAQHQH/SCLKSRCLKSER74HC594驱动与限流ABCD/Y0/Y15……220Ω330ΩVCCULN2003220Ω330Ω用2个不同的行驱动图2.12共阴极双色动态LED显示驱动电路第22页，共47页，2023年，2月20日，星期四（2）共阳双色驱动电路RXDTXDP1.0QAQHQH/SCLKSRCLKSERQAQHQH/SCLKSRCLKSER74HC594驱动与限流ABCD/Y0/Y15……220Ω330ΩVCCULN2003驱动与限流看做2个不同的列图2.12共阳极双色动态LED显示驱动电路第23页，共47页，2023年，2月20日，星期四2.3动态显示刷新的专用模块动态刷新的方法软件刷新——占用CPU时间，可靠性差硬件刷新——8279，MAX7219/7221等8279——并行接口，需外接显示驱动电路（见P37图2.14）MAX7219串行接口，具有刷新、驱动功能，可直接驱动8个共阴极LED数码管，可级联使用MAX7221上升沿锁存、高位在前、16位SPI接口第24页，共47页，2023年，2月20日，星期四8279，MAX7219/7221图2.15MAX7219/7221引脚图图2.1482C79接口信号第25页，共47页，2023年，2月20日，星期四1）MAX7219/7221与LED的接口电路（串行）亮度调节方法（1）硬件调节（2）软件调节图2.16MAX7219与8位LED接口第26页，共47页，2023年，2月20日，星期四第27页，共47页，2023年，2月20日，星期四级联方式：DOUT(1)——DIN(2)多级串联使用时，要使每个芯片所接LED数保持均衡图2.17MAX7219驱动16个LED显示接口第28页，共47页，2023年，2月20日，星期四2）MAX7219/7221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DIG0DG0220Ω330ΩVCC来自7219SE-ASE-BSE-CSE-DSE-ESE-FSE-GULN2803SEBSECSEDSEESEFSEGSEA12ΩIN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7OUT1OUT2OUT3OUT4OUT5OUT6OUT7共阳极LED图2.18MAX7219在驱动接7219LED导通压降为3.4V第29页，共47页，2023年，2月20日，星期四2.4大尺寸显示器的接口大尺寸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。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2V~3V（2）LED导通压降较高时，驱动电压应高于导通压降的15％～20％加2V,如3.6V+3.6V*20％+2V第30页，共47页，2023年，2月20日，星期四若LED尺寸较大，驱动电压高于VCC时，为驱动前应加OC门如7407MAX7219/7221的再驱动VDD(+12V)DIG0DG0220Ω330Ω7407来自7219见P40图2.20P41图2.21第31页，共47页，2023年，2月20日，星期四高压输出驱动电路图2.20用MAX7219驱动大导通压降的LED电路OC门位驱动第32页，共47页，2023年，2月20日，星期四2.5动态显示驱动管的散热问题驱动管在线路板上应均与分布大量的驱动块不能集中在一起通风良好驱动电压不能太大注意安装第33页，共47页，2023年，2月20日，星期四2.6实例对线器的设计问题长线连接信号，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对线器的使用原理第34页，共47页，2023年，2月20日，星期四第35页，共47页，2023年，2月20日，星期四第36页，共47页，2023年，2月20日，星期四第37页，共47页，2023年，2月20日，星期四2.原理图图2.2324路对线器原理图图2.2324路对线器原理图第38页，共47页，2023年，2月20日，星期四3.软件设计图2.24各通道信号时序第39页，共47页，2023年，2月20日，星期四程序使用三个数组P0[4]、P1[4]、P2[4]分别初始化为{0xff，0x7f，0x77，0x99，0xaa}，{0x7f，0x80，0x77，0x99，0xaa}，{0，0x7f，0x77，0x99，0xaa}

，注意：77修改为87第40页，共47页，2023年，2月20日，星期四2.7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2.26LED引脚与性能测试原理第41页，共47页，2023年，2月20日，星期四2.3英寸LED显示器驱动电路设计

难点器件特性:电路实测应该是首选方案，因为这时可以模拟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：小数点的导通压降及工作电流通常与其它段不同，应特别注意第42页，共47页，2023年，2月20日，星期四2.3英寸LED显示器驱动电路设计测得