張思輝

（廣東萬和熱能科技有限公司 佛山 528305）

引言

現(xiàn)在大多數(shù)的家用電器產(chǎn)品多采用段碼式LED顯示屏用于顯示信息以進行人機交互，用于顯示設(shè)備參數(shù)以及顯示故障代碼等功能。傳統(tǒng)的LED顯示屏多采用共陰極或共陽極封裝方式，其共陰極或共陽極引出一個公共端口，而段位口則根據(jù)需要顯示的內(nèi)容引出相應(yīng)管腳以供實現(xiàn)顯示功能，以常用的8段式“8”字數(shù)碼屏為例，1個“8”字符顯示需要引出1個位選端口及8個段位端口。而大部分家電產(chǎn)品的顯示應(yīng)用場合都會采用多位LED顯示屏進行顯示，這樣一來就需要采用較多I/O口的MCU芯片或者采用專用的LED屏驅(qū)動IC，這樣勢必會導(dǎo)致產(chǎn)品成本變高。同時，由于LED顯示屏引出腳變多也會導(dǎo)致PCB layout的面積較大、布線困難，因此傳統(tǒng)方案不適合應(yīng)用在有限空間的設(shè)備中。為了在有限空間的產(chǎn)品中能使用LED數(shù)碼屏提供顯示界面，本文通過對LED顯示屏的設(shè)計以及驅(qū)動控制方式進行了研究，減少了LED顯示屏的驅(qū)動管腳數(shù)量，有效的減少了PCB layout面積，同時降低產(chǎn)品應(yīng)用成本。

1 傳統(tǒng)LED數(shù)碼屏驅(qū)動方案概述

1.1 傳統(tǒng)LED數(shù)碼屏驅(qū)動原理

段碼式數(shù)碼屏，其每一段均由一個獨立的LED燈珠進行點亮，常用的4位8段式數(shù)碼屏原理如圖1所示。通常將所有位的段碼線相應(yīng)的段并聯(lián)在一起，由單片機8個I/O口控制，形成段碼線的多路復(fù)用，而相應(yīng)的8段LED燈珠的共陽極或共陰極分別由相應(yīng)的1個I/O口控制，分時選通。在某一時刻，對應(yīng)位的位選線處于選通狀態(tài)，而其它各位的位選線處于處于關(guān)閉狀態(tài)，同時，段碼線上輸出顯示字符的段碼譯碼。如此循環(huán)下去，利用人眼的視覺暫留，即可以使各位數(shù)碼管動態(tài)顯示出需要的字符。雖然這些字符是在不同時刻出現(xiàn)的，而在同一時刻，只有一位顯示，其它各位熄滅，但是由于LED顯示器的余輝和人眼的視覺暫留作用，只要每位顯示間隔足夠短，則可以造成多位同時亮的假象，達到同時顯示的效果[1]。

圖1 4位8段LED數(shù)碼屏原理圖

1.2 傳統(tǒng)LED數(shù)碼屏方案的應(yīng)用

采用傳統(tǒng)方案設(shè)計的4位8段式共陰極數(shù)碼屏由4個共陰極管腳及8個段位管腳組成（可驅(qū)動4*8=32個獨立LED燈），數(shù)碼屏的引出腳共12個，封裝圖如圖2所示。注：其中SEGH用于小數(shù)點顯示或時鐘分隔符“：”顯示使用，在實際應(yīng)用時可根據(jù)實際需求做相應(yīng)調(diào)整。由于引出的管腳過多將會導(dǎo)致PCB layout非常復(fù)雜，從而導(dǎo)致相應(yīng)的PCB layout面積增大，從而電路板需要占用較多的安裝空間；在增加了成本的同時也限制了該種顯示方案無法應(yīng)用在特別小的設(shè)備安裝空間，例如：應(yīng)用在燃氣灶的顯示器上，通常PCB板面積只有50*30 mm，其顯示屏使用面積為40*18 mm同時還需要排布一個14腳單片機以2個Φ12 mm觸摸按鍵，1個Φ12 mm蜂鳴器，采用傳統(tǒng)的方案無法進行PCB layout。

圖2 4位8段LED數(shù)碼屏封裝圖

2 本方案LED數(shù)碼屏

2.1 本方案LED數(shù)碼屏驅(qū)動原理

為了在有限空間內(nèi)實現(xiàn)產(chǎn)品功能需求，本文對原有數(shù)碼屏的引腳封裝進行改進。由于LED顯示屏顯示時，每個LED燈珠是單獨點亮的，利用LED-發(fā)光二極管反向?qū)姇r不會被點亮，以及人眼視覺暫留現(xiàn)象實現(xiàn)動態(tài)掃描顯示[2]。這樣可以利用單片機I/O的分時復(fù)用方法，使得在掃描相應(yīng)LED燈時，I/O口可以復(fù)用為位選口或者段碼口。從而實現(xiàn)了驅(qū)動一個4位7段的數(shù)碼屏僅需要的I/O口引腳為6個，即可驅(qū)動6*5=30個獨立LED燈珠，原理圖如圖3所示。其中每一位數(shù)碼管的8段可以由原理圖中所描述的任意8個LED燈組成，LED燈的排布均在顯示屏內(nèi)部封裝，可根據(jù)實際情況排布，不做限制。

圖3 本方案LED數(shù)碼屏原理圖

2.2 本方案LED數(shù)碼屏的應(yīng)用

本方案LED數(shù)碼屏驅(qū)動控制設(shè)計包含三個部分，①顯示屏的結(jié)構(gòu)設(shè)計，②顯示屏驅(qū)動電路的設(shè)計，③程序控制邏輯的設(shè)計。控制系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)框圖

通過單片機I/O口的分時復(fù)用，以及利用LED-發(fā)光二極管的反向不導(dǎo)通特性，本文對LED數(shù)碼屏驅(qū)動方式進行改進設(shè)計，本方案所描述的LED數(shù)碼屏封裝只需要引出6個驅(qū)動管腳，即可實現(xiàn)顯示功能，封裝圖如圖5所示。注：其中的兩個LED用于時間分隔符“：”顯示。

圖5 本方案LED數(shù)碼屏封裝圖

本文所述的數(shù)碼屏采用的是單片機I/O口分時復(fù)用的驅(qū)動方式，單片機驅(qū)動I/O口為大電流輸出口，單個I/O口均可以輸出80 mA以上的電流。每個I/O口與數(shù)碼屏驅(qū)動口直接連接，通過程序邏輯控制I/O口在分時掃描時既可以復(fù)用成位輸出口又可以復(fù)用為段輸出口，從而點亮相應(yīng)的段位LED燈[3]。

2.3 程序控制邏輯

本文所描述的方案其顯示驅(qū)動掃描過程為：程序以1 ms為基準進行計時掃描，P0.0口用作位口輸出時，將P0.0口設(shè)置為輸出口且輸出低電平，此時P0.1、P0.2、P0.3、P0.4、P0.5用作段口輸出顯示數(shù)據(jù)，每一次可以處理5個LED 的亮和滅，當需要點亮相應(yīng)LED時將此LED相連I/O口配置為輸出且輸出高電平，當不需要點亮相應(yīng)LED時將此LED相連I/O口配置為輸入高阻態(tài)，即可點亮顯示屏上相應(yīng)的段位。然后以相同的方法掃描P0.1、P0.2、P0.3、P0.4、P0.5，當掃描完P(guān)0.5口時再重復(fù)從P0.0口開始掃描，這樣就完成顯示屏的動態(tài)掃描流程，程序流程如圖6所示。

圖6 本方案動態(tài)掃描程序流程圖

按上述掃描方式，本文所描述的顯示屏輸出LED段碼對應(yīng)I/O輸出電平，LED數(shù)碼屏輸出真值表如表1所示。

表1 LED數(shù)碼屏真值表

3 測試驗證

本文根據(jù)本公司所設(shè)計的某款燃氣灶具產(chǎn)品的功能需求，設(shè)計出了電路樣板進行硬件原理以及程序驗證，本方案采用一款16引腳單片機即可實現(xiàn)驅(qū)動4位7段數(shù)碼屏的動態(tài)顯示，2個觸摸按鍵的檢測，1路燃氣閥輸出接口，1路蜂鳴器輸出接口，2路A/D檢測口。該控制器安裝于燃氣灶具上，可以實現(xiàn)燃氣灶具的火焰檢測、干燒超溫檢測及定時關(guān)機等功能；顯示屏用于顯示點火故障、干燒故障代碼以及顯示設(shè)置（1～120）min定時時間，并可通過燃氣閥關(guān)斷氣路實現(xiàn)安全保護功能。通過本文所描述的設(shè)計方案使得所有功能得以實現(xiàn)，PCB的安裝空間更加小巧。電路方案原理如圖7所示。

圖7 電路方案原理圖

根據(jù)燃氣灶產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)需求，整體控制器PCB總面積為50*30 mm，采用1.6 t雙面FR-4板材進行元器件排布，樣品圖片如圖8所示。

圖8 樣品圖片

4 結(jié)語

本文對現(xiàn)有段/位獨立式LED數(shù)碼屏的驅(qū)動控制方式進行了重新設(shè)計及改進，在實現(xiàn)數(shù)碼管顯示功能的前提下，使得驅(qū)動LED數(shù)碼屏的I/O口由12個減少為6個，較傳統(tǒng)方案減少了50 %的I/O口資源，降低了電路的整體應(yīng)用成本。同時由于顯示屏引出管腳減少，使得產(chǎn)品PCB layout的面積變小，該方案非常適合應(yīng)用在低成本或?qū)Y(jié)構(gòu)要求緊湊的家用電器產(chǎn)品中。