單片機(jī)系統(tǒng)中LED顯示驅(qū)動(dòng)電路的研究
出處：史水娥，楊豪強(qiáng) 發(fā)布于：2007-09-24 11:20:44
摘要：本文對(duì)比了單片機(jī)系統(tǒng)中LED顯示驅(qū)動(dòng)電路的幾種實(shí)現(xiàn)方案，著重介紹了LED顯示驅(qū)動(dòng)芯片MAX7219 的工作原理和使用方法，給出了一個(gè)用MAX7219驅(qū)動(dòng)8位LED顯示系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例。
關(guān)鍵詞：LED 顯示驅(qū)動(dòng)；MAX7219；單片機(jī)
近年來(lái)，單片機(jī)系統(tǒng)以其體積小、功能強(qiáng)、擴(kuò)展靈活、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，逐漸滲透到各行業(yè)的工程實(shí)際應(yīng)用中。而LED顯示電路就像單片機(jī)系統(tǒng)的眼睛，實(shí)時(shí)地向人們傳遞著系統(tǒng)工作的各種狀態(tài)信息和處理結(jié)果。因此，高效、方便的LED顯示驅(qū)動(dòng)電路是構(gòu)成完善的單片機(jī)系統(tǒng)必不可少的元素。常用的LED顯示驅(qū)動(dòng)電路有并行譯碼方式、串行—并行轉(zhuǎn)換方式、顯示驅(qū)動(dòng)接口芯片方式等。下面分別對(duì)這幾種方式進(jìn)行討論，并給出顯示驅(qū)動(dòng)芯片MAX7219的應(yīng)用實(shí)例。
并行譯碼顯示方式
圖1為單片機(jī)89C2051輸出顯示的一個(gè)例子，4位BCD碼數(shù)據(jù)從其P1.0～P1.3并行輸出，經(jīng)7段LED顯示驅(qū)動(dòng)電路CD4511譯碼后驅(qū)動(dòng)LED顯示，這樣只需向P1.0～P1.3 寫(xiě)入欲顯示數(shù)字的BCD碼，即可顯示出相應(yīng)的數(shù)字。這種方式雖然簡(jiǎn)單，但占用單片機(jī)口線(xiàn)較多，資源利用率低，因此不常采用。
圖1 并行譯碼顯示方式
串行- 并行轉(zhuǎn)換方式
圖2所示為89C2051的串口驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的電路，其中串口工作在方式0，74LS164是8位串入并出移位寄存器，負(fù)責(zé)將RXD輸出的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行信號(hào)。顯然，這種方式顯示同樣的位數(shù)使用單片機(jī)的口線(xiàn)大大減少，并且可以讓LED顯示BCD碼以外的字符(如A、B、C、D 等)，但是，當(dāng)要顯示的位數(shù)較多時(shí)，仍需占用較多的口線(xiàn)，并且在許多情況下需要串口工作在UART方式，以便進(jìn)行串行通信，從而限制了這種方式的使用范圍。
圖2 并行譯碼顯示方式
LED顯示驅(qū)動(dòng)芯片
隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，許多公司都推出了專(zhuān)用LED顯示驅(qū)動(dòng)芯片，如Microchip公司的A Y0438、Maxim公司的MAX7219等都是其中的典型代表。下面以MAX7219為例說(shuō)明LED顯示驅(qū)動(dòng)芯片在單片機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用。
MAX7219簡(jiǎn)介
MAX7219是Maxim公司推出的8位LED串行顯示驅(qū)動(dòng)器，它采用3線(xiàn)串口傳送數(shù)據(jù)，占用資源少且硬件簡(jiǎn)單，只需一個(gè)外部電阻即可方便地調(diào)節(jié)LED的亮度；可靈活地選擇顯示器的個(gè)數(shù)( 1～8個(gè), 級(jí)聯(lián)可成倍增加)；可進(jìn)行譯碼或不譯碼顯示；內(nèi)含硬件動(dòng)態(tài)掃描控制，可設(shè)置低功耗停機(jī)方式。
引腳功能和工作原理
MAX7219采用24腳雙列直插式封裝，其引腳如圖3所示。SEGA～SEGG和DP分別為L(zhǎng)ED七段驅(qū)動(dòng)器線(xiàn)和小數(shù)點(diǎn)線(xiàn)，供給顯示器源電流；DIG0～DIG7為8位數(shù)字驅(qū)動(dòng)線(xiàn)，輸出位選信號(hào)，從每位LED共陰極吸入電流。
圖3MAX7219 引腳功能
DIN是串行數(shù)據(jù)輸入端。在CLK 的上升沿，一位數(shù)據(jù)被加載到內(nèi)部16位移位寄存器中，CLK頻率可達(dá)10MHz，在輸入時(shí)鐘的每個(gè)上升沿均有一位數(shù)據(jù)由DIN端移入到內(nèi)部寄存器中；LOAD用來(lái)裝載數(shù)據(jù)，在LOAD的上升沿，16位串行數(shù)據(jù)被鎖存到數(shù)據(jù)或控制寄存器中，LOAD必須在第16個(gè)時(shí)鐘上升沿的同時(shí)或之后、在下一個(gè)時(shí)鐘上升沿之前變高, 否則數(shù)據(jù)將被丟失。每組數(shù)據(jù)為16 位二進(jìn)制數(shù)據(jù)包，其格式如表1所示。
其中D15～D12位不用，D11～D8位為內(nèi)部5個(gè)控制寄存器和8個(gè)LED顯示數(shù)據(jù)寄存器的地址，D7～D0位為5個(gè)控制寄存器和8個(gè)LED數(shù)碼管待顯示的數(shù)據(jù)，因?yàn)榭刂萍拇嫫髋c顯示數(shù)據(jù)寄存器獨(dú)立編址，所以可以通過(guò)程序?qū)γ總€(gè)寄存器進(jìn)行操作。一般情況下，程序先送控制命令，后向顯示寄存器送數(shù)據(jù)，每16 位為一組，從高位地址字節(jié)位開(kāi)始送，直到低位數(shù)據(jù)字節(jié)一位。MAX7219內(nèi)部有14個(gè)可尋址的控制字寄存器，各寄存器的功能及地址如表2所示。
其中，地址×0H 為空操作寄存器，允許數(shù)據(jù)從輸入到輸出直接通過(guò)，可用于設(shè)備串接。地址×1H～×8H為顯示RAM區(qū)，分別對(duì)應(yīng)DIG0～DIG7引腳的8 位LED顯示數(shù)據(jù)。地址×9H為譯碼模式寄存器，其8 位二進(jìn)制數(shù)分別控制著8個(gè)LED顯示器的譯碼模式，邏輯高電平時(shí)選擇硬件譯碼(BCD - B碼譯碼)， 譯碼器選擇數(shù)據(jù)寄存器中的低4位(D3～D0)進(jìn)行BCD- B碼譯碼， ×0H～×9H對(duì)應(yīng)BCD碼字符0～9，而×AH～×FH分別對(duì)應(yīng)B碼字符-、E、H、L、P及消隱，D4～D6無(wú)效，D7單獨(dú)控制小數(shù)點(diǎn)；譯碼模式寄存器為邏輯低電平時(shí)選擇軟件譯碼，數(shù)據(jù)D6～D0分別對(duì)應(yīng)LED顯示器的A～G段，D7對(duì)應(yīng)小數(shù)點(diǎn)DP。
地址×AH為顯示亮度寄存器，通過(guò)對(duì)該寄存器的D0～D3位寫(xiě)入不同的數(shù)值可實(shí)現(xiàn)對(duì)LED顯示亮度的控制，從00H到0FH共16級(jí)可調(diào)。地址×BH為掃描界限寄存器，其D0～D3位數(shù)值設(shè)定為00H～07H，表示顯示器動(dòng)態(tài)掃描個(gè)數(shù)為1～8。地址×CH為停機(jī)寄存器，當(dāng)其D0位為0時(shí)，MAX7219處于停機(jī)狀態(tài)，掃描振蕩器停振，所有顯示器消隱，寄存器數(shù)據(jù)保持不變；當(dāng)D0為1時(shí)，正常工作。地址×FH為顯示測(cè)試寄存器，當(dāng)其D0位為0時(shí)，正常工作；當(dāng)D0為1時(shí)處于測(cè)試狀態(tài)，全部LED顯示器的所有字段都以亮度接通顯示。
應(yīng)用舉例
圖4 為MAX7219的位LED顯示電路實(shí)例。圖4中，單片機(jī)89C2051的P1.0、P1.1分別接MAX7219的串行數(shù)據(jù)輸入端DIN和時(shí)鐘信號(hào)CLK, P1.2作為L(zhǎng)OAD信號(hào)。電阻R根據(jù)不同的LED選值，范圍在7KΩ～ 60KΩ之間。
圖4 MAX7219 應(yīng)用電路
結(jié)語(yǔ)
通過(guò)以上對(duì)比，并行譯碼方式電路簡(jiǎn)單，但是資源利用率低，因此并不常用，串行- 并行轉(zhuǎn)換方式在小型系統(tǒng)中應(yīng)用具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，但隨著單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的發(fā)展，很多復(fù)雜系統(tǒng)中都采用了專(zhuān)用顯示驅(qū)動(dòng)芯片。從上述應(yīng)用實(shí)例可以看出，使用MAX7219 后，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、程序流程清晰、控制靈活方便，應(yīng)用于儀器儀表、醫(yī)療設(shè)備及智能家電等領(lǐng)域，可省去很多鎖存器、譯碼器及驅(qū)動(dòng)器，大大提高顯示部分的集成程度，因此這種顯示驅(qū)動(dòng)方式在單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中有著廣闊的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：LED 顯示驅(qū)動(dòng)；MAX7219；單片機(jī)
近年來(lái)，單片機(jī)系統(tǒng)以其體積小、功能強(qiáng)、擴(kuò)展靈活、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，逐漸滲透到各行業(yè)的工程實(shí)際應(yīng)用中。而LED顯示電路就像單片機(jī)系統(tǒng)的眼睛，實(shí)時(shí)地向人們傳遞著系統(tǒng)工作的各種狀態(tài)信息和處理結(jié)果。因此，高效、方便的LED顯示驅(qū)動(dòng)電路是構(gòu)成完善的單片機(jī)系統(tǒng)必不可少的元素。常用的LED顯示驅(qū)動(dòng)電路有并行譯碼方式、串行—并行轉(zhuǎn)換方式、顯示驅(qū)動(dòng)接口芯片方式等。下面分別對(duì)這幾種方式進(jìn)行討論，并給出顯示驅(qū)動(dòng)芯片MAX7219的應(yīng)用實(shí)例。
并行譯碼顯示方式
圖1為單片機(jī)89C2051輸出顯示的一個(gè)例子，4位BCD碼數(shù)據(jù)從其P1.0～P1.3并行輸出，經(jīng)7段LED顯示驅(qū)動(dòng)電路CD4511譯碼后驅(qū)動(dòng)LED顯示，這樣只需向P1.0～P1.3 寫(xiě)入欲顯示數(shù)字的BCD碼，即可顯示出相應(yīng)的數(shù)字。這種方式雖然簡(jiǎn)單，但占用單片機(jī)口線(xiàn)較多，資源利用率低，因此不常采用。
圖1 并行譯碼顯示方式
串行- 并行轉(zhuǎn)換方式
圖2所示為89C2051的串口驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的電路，其中串口工作在方式0，74LS164是8位串入并出移位寄存器，負(fù)責(zé)將RXD輸出的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行信號(hào)。顯然，這種方式顯示同樣的位數(shù)使用單片機(jī)的口線(xiàn)大大減少，并且可以讓LED顯示BCD碼以外的字符(如A、B、C、D 等)，但是，當(dāng)要顯示的位數(shù)較多時(shí)，仍需占用較多的口線(xiàn)，并且在許多情況下需要串口工作在UART方式，以便進(jìn)行串行通信，從而限制了這種方式的使用范圍。
圖2 并行譯碼顯示方式
LED顯示驅(qū)動(dòng)芯片
隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，許多公司都推出了專(zhuān)用LED顯示驅(qū)動(dòng)芯片，如Microchip公司的A Y0438、Maxim公司的MAX7219等都是其中的典型代表。下面以MAX7219為例說(shuō)明LED顯示驅(qū)動(dòng)芯片在單片機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用。
MAX7219簡(jiǎn)介
MAX7219是Maxim公司推出的8位LED串行顯示驅(qū)動(dòng)器，它采用3線(xiàn)串口傳送數(shù)據(jù)，占用資源少且硬件簡(jiǎn)單，只需一個(gè)外部電阻即可方便地調(diào)節(jié)LED的亮度；可靈活地選擇顯示器的個(gè)數(shù)( 1～8個(gè), 級(jí)聯(lián)可成倍增加)；可進(jìn)行譯碼或不譯碼顯示；內(nèi)含硬件動(dòng)態(tài)掃描控制，可設(shè)置低功耗停機(jī)方式。
引腳功能和工作原理
MAX7219采用24腳雙列直插式封裝，其引腳如圖3所示。SEGA～SEGG和DP分別為L(zhǎng)ED七段驅(qū)動(dòng)器線(xiàn)和小數(shù)點(diǎn)線(xiàn)，供給顯示器源電流；DIG0～DIG7為8位數(shù)字驅(qū)動(dòng)線(xiàn)，輸出位選信號(hào)，從每位LED共陰極吸入電流。
圖3MAX7219 引腳功能
DIN是串行數(shù)據(jù)輸入端。在CLK 的上升沿，一位數(shù)據(jù)被加載到內(nèi)部16位移位寄存器中，CLK頻率可達(dá)10MHz，在輸入時(shí)鐘的每個(gè)上升沿均有一位數(shù)據(jù)由DIN端移入到內(nèi)部寄存器中；LOAD用來(lái)裝載數(shù)據(jù)，在LOAD的上升沿，16位串行數(shù)據(jù)被鎖存到數(shù)據(jù)或控制寄存器中，LOAD必須在第16個(gè)時(shí)鐘上升沿的同時(shí)或之后、在下一個(gè)時(shí)鐘上升沿之前變高, 否則數(shù)據(jù)將被丟失。每組數(shù)據(jù)為16 位二進(jìn)制數(shù)據(jù)包，其格式如表1所示。
其中D15～D12位不用，D11～D8位為內(nèi)部5個(gè)控制寄存器和8個(gè)LED顯示數(shù)據(jù)寄存器的地址，D7～D0位為5個(gè)控制寄存器和8個(gè)LED數(shù)碼管待顯示的數(shù)據(jù)，因?yàn)榭刂萍拇嫫髋c顯示數(shù)據(jù)寄存器獨(dú)立編址，所以可以通過(guò)程序?qū)γ總€(gè)寄存器進(jìn)行操作。一般情況下，程序先送控制命令，后向顯示寄存器送數(shù)據(jù)，每16 位為一組，從高位地址字節(jié)位開(kāi)始送，直到低位數(shù)據(jù)字節(jié)一位。MAX7219內(nèi)部有14個(gè)可尋址的控制字寄存器，各寄存器的功能及地址如表2所示。
其中，地址×0H 為空操作寄存器，允許數(shù)據(jù)從輸入到輸出直接通過(guò)，可用于設(shè)備串接。地址×1H～×8H為顯示RAM區(qū)，分別對(duì)應(yīng)DIG0～DIG7引腳的8 位LED顯示數(shù)據(jù)。地址×9H為譯碼模式寄存器，其8 位二進(jìn)制數(shù)分別控制著8個(gè)LED顯示器的譯碼模式，邏輯高電平時(shí)選擇硬件譯碼(BCD - B碼譯碼)， 譯碼器選擇數(shù)據(jù)寄存器中的低4位(D3～D0)進(jìn)行BCD- B碼譯碼， ×0H～×9H對(duì)應(yīng)BCD碼字符0～9，而×AH～×FH分別對(duì)應(yīng)B碼字符-、E、H、L、P及消隱，D4～D6無(wú)效，D7單獨(dú)控制小數(shù)點(diǎn)；譯碼模式寄存器為邏輯低電平時(shí)選擇軟件譯碼，數(shù)據(jù)D6～D0分別對(duì)應(yīng)LED顯示器的A～G段，D7對(duì)應(yīng)小數(shù)點(diǎn)DP。
地址×AH為顯示亮度寄存器，通過(guò)對(duì)該寄存器的D0～D3位寫(xiě)入不同的數(shù)值可實(shí)現(xiàn)對(duì)LED顯示亮度的控制，從00H到0FH共16級(jí)可調(diào)。地址×BH為掃描界限寄存器，其D0～D3位數(shù)值設(shè)定為00H～07H，表示顯示器動(dòng)態(tài)掃描個(gè)數(shù)為1～8。地址×CH為停機(jī)寄存器，當(dāng)其D0位為0時(shí)，MAX7219處于停機(jī)狀態(tài)，掃描振蕩器停振，所有顯示器消隱，寄存器數(shù)據(jù)保持不變；當(dāng)D0為1時(shí)，正常工作。地址×FH為顯示測(cè)試寄存器，當(dāng)其D0位為0時(shí)，正常工作；當(dāng)D0為1時(shí)處于測(cè)試狀態(tài)，全部LED顯示器的所有字段都以亮度接通顯示。
應(yīng)用舉例
圖4 為MAX7219的位LED顯示電路實(shí)例。圖4中，單片機(jī)89C2051的P1.0、P1.1分別接MAX7219的串行數(shù)據(jù)輸入端DIN和時(shí)鐘信號(hào)CLK, P1.2作為L(zhǎng)OAD信號(hào)。電阻R根據(jù)不同的LED選值，范圍在7KΩ～ 60KΩ之間。
圖4 MAX7219 應(yīng)用電路
結(jié)語(yǔ)
通過(guò)以上對(duì)比，并行譯碼方式電路簡(jiǎn)單，但是資源利用率低，因此并不常用，串行- 并行轉(zhuǎn)換方式在小型系統(tǒng)中應(yīng)用具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，但隨著單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的發(fā)展，很多復(fù)雜系統(tǒng)中都采用了專(zhuān)用顯示驅(qū)動(dòng)芯片。從上述應(yīng)用實(shí)例可以看出，使用MAX7219 后，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、程序流程清晰、控制靈活方便，應(yīng)用于儀器儀表、醫(yī)療設(shè)備及智能家電等領(lǐng)域，可省去很多鎖存器、譯碼器及驅(qū)動(dòng)器，大大提高顯示部分的集成程度，因此這種顯示驅(qū)動(dòng)方式在單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中有著廣闊的應(yīng)用前景。
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