數(shù)碼管的工作原理與編碼顯示接口分析

　　數(shù)碼管的一種是半導(dǎo)體發(fā)光器件，數(shù)碼管的工作原理是通過(guò)單片機(jī)的I/O端口進(jìn)行驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的各個(gè)段碼，點(diǎn)亮不同的段碼從而形成字符顯示出我們要的數(shù)字。

　　數(shù)碼管是一類價(jià)格便宜、使用簡(jiǎn)單，通過(guò)對(duì)其不同的管腳輸入相對(duì)的電流，使其發(fā)亮，從而顯示出數(shù)字能夠顯示 時(shí)間、日期、溫度等所有可用數(shù)字表示的參數(shù)的器件。在電器特別是家電領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛，如顯示屏、空調(diào)、熱水器、冰箱等等。絕大多數(shù)熱水器用的都是數(shù)碼管，其他家電也用液晶屏與熒光屏。

　　數(shù)碼管也稱LED數(shù)碼管，不同行業(yè)人士對(duì)數(shù)碼管的稱呼不一樣，其實(shí)都是同樣的產(chǎn)品。數(shù)碼管按段數(shù)可分為七段數(shù)碼管和八段數(shù)碼管，八段數(shù)碼管比七段數(shù)碼管多一個(gè)發(fā)光二極管單元，也就是多一個(gè)小數(shù)點(diǎn)（DP）這個(gè)小數(shù)點(diǎn)可以更精確的表示數(shù)碼管想要顯示的內(nèi)容；按能顯示多少個(gè)（8）可分為1位、2位、3位、4位、5位、6位、7位等數(shù)碼管。

　　常用的LED顯示器有LED狀態(tài)顯示器（俗稱發(fā)光二極管）、LED七段顯示器（俗稱數(shù)碼管）和LED十六段顯示器。發(fā)光二極管可顯示兩種狀態(tài)，用于系統(tǒng)狀態(tài)顯示；數(shù)碼管用于數(shù)字顯示十六段顯示器用于字符顯示。

　　數(shù)碼管結(jié)構(gòu)

　　數(shù)碼管由8個(gè)發(fā)光二極管（以下簡(jiǎn)稱字段）構(gòu)成，通過(guò)不同的組合可用來(lái)顯示數(shù)字0~9、字符A ~ F、H、L、P、R、U、Y、符號(hào)“-”及小數(shù)點(diǎn)“。”。

　　數(shù)碼管的外形結(jié)構(gòu)如下圖所示。數(shù)碼管又分為共陰極和共陽(yáng)極兩種結(jié)構(gòu)。

　　數(shù)碼管的工作原理

　　共陽(yáng)極數(shù)碼管的8個(gè)發(fā)光二極管的陽(yáng)極（二極管正端）連接在一起。通常，公共陽(yáng)極接高電平（一般接電源），其它管腳接段驅(qū)動(dòng)電路輸出端。當(dāng)某段驅(qū)動(dòng)電路的輸出端為低電平時(shí)，則該端所連接的字段導(dǎo)通并點(diǎn)亮。根據(jù)發(fā)光字段的不同組合可顯示出各種數(shù)字或字符。此時(shí)，要求段驅(qū)動(dòng)電路能吸收額定的段導(dǎo)通電流，還需根據(jù)外接電源及額定段導(dǎo)通電流來(lái)確定相應(yīng)的限流電阻。

　　共陰極數(shù)碼管的8個(gè)發(fā)光二極管的陰極（二極管負(fù)端）連接在一起。通常，公共陰極接低電平（一般接地），其它管腳接段驅(qū)動(dòng)電路輸出端。當(dāng)某段驅(qū)動(dòng)電路的輸出端為高電平時(shí)，則該端所連接的字段導(dǎo)通并點(diǎn)亮，根據(jù)發(fā)光字段的不同組合可顯示出各種數(shù)字或字符。此時(shí)，要求段驅(qū)動(dòng)電路能提供額定的段導(dǎo)通電流，還需根據(jù)外接電源及額定段導(dǎo)通電流來(lái)確定相應(yīng)的限流電阻。

　　數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)方式

　　直流驅(qū)動(dòng)是指每個(gè)數(shù)碼管的每一個(gè)段碼都由一個(gè)單片機(jī)的I/O端口進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，或者使用如BCD碼二-十進(jìn)制譯碼器譯碼進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。優(yōu)點(diǎn)是編程簡(jiǎn)單，顯示亮度高，缺點(diǎn)是占用I/O端口多。

　　動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)是將所有數(shù)碼管通過(guò)分時(shí)輪流控制各個(gè)數(shù)碼管的的COM端，就使各個(gè)數(shù)碼管輪流受控顯示。將所有數(shù)碼管的8個(gè)顯示筆劃“a，b，c，d，e，f，g，dp”的同名端連在一起，另外為每個(gè)數(shù)碼管的公共極COM增加位選通控制電路，位選通由各自獨(dú)立的I/O線控制，當(dāng)單片機(jī)輸出字形碼時(shí)，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個(gè)數(shù)碼管會(huì)顯示出字形，取決于單片機(jī)對(duì)位選通COM端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒(méi)有選通的數(shù)碼管就不會(huì)亮。

　　數(shù)碼管字形編碼

　　要使數(shù)碼管顯示出相應(yīng)的數(shù)字或字符，必須使段數(shù)據(jù)口輸出相應(yīng)的字形編碼。對(duì)照?qǐng)D1（a），字型碼各位定義為：數(shù)據(jù)線D0與a字段對(duì)應(yīng)，D1與b字段對(duì)應(yīng)……，依此類推。如使用共陽(yáng)極數(shù)碼管，數(shù)據(jù)為0表示對(duì)應(yīng)字段亮，數(shù)據(jù)為1表示對(duì)應(yīng)字段暗；如使用共陰極數(shù)碼管，數(shù)據(jù)為0表示對(duì)應(yīng)字段暗，數(shù)據(jù)為1表示對(duì)應(yīng)字段亮。如要顯示“0”，共陽(yáng)極數(shù)碼管的字型編碼應(yīng)為：11000000B（即C0H）；共陰極數(shù)碼管的字型編碼應(yīng)為：00111111B（即3FH）。依此類推。

　　靜態(tài)顯示接口

　　靜態(tài)顯示是指數(shù)碼管顯示某一字符時(shí)，相應(yīng)的發(fā)光二極管恒定導(dǎo)通或恒定截止。這種顯示方式的各位數(shù)碼管相互獨(dú)立，公共端恒定接地（共陰極）或接正電源（共陽(yáng)極）。每個(gè)數(shù)碼管的8個(gè)字段分別與一個(gè)8位I/O口地址相連，I/O口只要有段碼輸出，相應(yīng)字符即顯示出來(lái)，并保持不變，直到I/O口輸出新的段碼。采用靜態(tài)顯示方式，較小的電流即可獲得較高的亮度，且占用CPU時(shí)間少，編程簡(jiǎn)單，顯示便于監(jiān)測(cè)和控制，但其占用的口線多，硬件電路復(fù)雜，成本高，只適合于顯示位數(shù)較少的場(chǎng)合。

　　動(dòng)態(tài)顯示接口

　　動(dòng)態(tài)顯示是一位一位地輪流點(diǎn)亮各位數(shù)碼管，這種逐位點(diǎn)亮顯示器的方式稱為位掃描。通常，各位數(shù)碼管的段選線相應(yīng)并聯(lián)在一起，由一個(gè)8位的I/O口控制；各位的位選線（公共陰極或陽(yáng)極）由另外的I/O口線控制。動(dòng)態(tài)方式顯示時(shí)，各數(shù)碼管分時(shí)輪流選通，要使其穩(wěn)定顯示，必須采用掃描方式，即在某一時(shí)刻只選通一位數(shù)碼管，并送出相應(yīng)的段碼，在另一時(shí)刻選通另一位數(shù)碼管，并送出相應(yīng)的段碼。依此規(guī)律循環(huán)，即可使各位數(shù)碼管顯示將要顯示的字符。雖然這些字符是在不同的時(shí)刻分別顯示，但由于人眼存在視覺暫留效應(yīng)，只要每位顯示間隔足夠短就可以給人以同時(shí)顯示的感覺。

　　采用動(dòng)態(tài)顯示方式比較節(jié)省I/O口，硬件電路也較靜態(tài)顯示方式簡(jiǎn)單，但其亮度不如靜態(tài)顯示方式，而且在顯示位數(shù)較多時(shí)單片機(jī)要依次掃描，占用CPU較多的時(shí)間。

　　常見問(wèn)題解讀

　　恒流驅(qū)動(dòng)與非恒流驅(qū)動(dòng)對(duì)數(shù)碼管的影響主要有：

　　顯示效果

　　由于發(fā)光二極管基本上屬于電流敏感器件，其正向壓降的分散性很大， 并且還與溫度有關(guān)，為了保證數(shù)碼管具有良好的亮度均勻度，就需要使其具有恒定的工作電流，且不能受溫度及其它因素的影響。另外，當(dāng)溫度變化時(shí)驅(qū)動(dòng)芯片還要能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出電流 的大小以實(shí)現(xiàn)色差平衡溫度補(bǔ)償。

　　安全性

　　即使是短時(shí)間的電流過(guò)載也可能對(duì)發(fā)光管造成永久性的損壞，采用恒流驅(qū)動(dòng)電路后可防止 由于電流故障所引起的數(shù)碼管的大面積損壞。

　　另外，我們所采用的超大規(guī)模集成電路還具有級(jí)聯(lián)延時(shí)開關(guān)特性，可防止反向尖峰電壓對(duì)發(fā)光二極管的損害。超大規(guī)模集成電路還具有熱保護(hù)功能，當(dāng)任何一片的溫度超過(guò)一定值時(shí)可自動(dòng)關(guān)斷，并且可在控制室內(nèi)看到故障顯示。

　　關(guān)于亮度一致性的問(wèn)題是一個(gè)行業(yè)內(nèi)的常見問(wèn)題。

　　影響一致性主要有兩個(gè)大的因素。

　　一是使用原材料芯片的選取，一是使用數(shù)碼管時(shí)采取的控制方式。

　　1、原材料--芯片的VF和亮度和波長(zhǎng)是一個(gè)正態(tài)分布，即使篩選過(guò)芯片，VF和亮度和波長(zhǎng)已在一個(gè)很小的范圍了，生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品還是在一個(gè)范圍內(nèi)，結(jié)果就是亮度不一致。

　　2、要保證數(shù)碼管亮度一樣，在控制方式選取上也有差別最好的辦法是恒流控制，流過(guò)每一個(gè)發(fā)光二極管的電流都是相同的，這樣發(fā)光二極管看起來(lái)亮度就是一樣的了。如恒壓控制，則導(dǎo)致VF不相同的發(fā)光二極管分到的電流不相同，所以亮度也不同。

　　當(dāng)然以上二個(gè)條件是相輔相成的。

　　怎樣測(cè)量數(shù)碼管引腳，分共陰和共陽(yáng)？

　　找公共共陰和公共共陽(yáng)：首先，我們找個(gè)電源（3到5伏）和1個(gè)1K（幾百歐的也行）的電阻，VCC串接個(gè)電阻后和GND接在任意2個(gè)腳上，組合有很多，但總有一個(gè)LED會(huì)發(fā)光的，找到一個(gè)就夠了，然后GND不動(dòng)，VCC（串電阻）逐個(gè)碰剩下的腳，如果有多個(gè)LED（一般是8個(gè)），那它就是共陰的了。相反用VCC不動(dòng)，GND逐個(gè)碰剩下的腳，如果有多個(gè)LED（一般是8個(gè)），那它就是共陽(yáng)的。也可以直接用數(shù)字萬(wàn)用表，紅表筆是電源的正極，黑表筆是電源的負(fù)極。