基于I/O口復用的LED數碼屏驅動的應用研究

張思輝

（廣東萬和熱能科技有限公司 佛山 528305）

引言

現在大多數的家用電器產品多采用段碼式LED顯示屏用于顯示信息以進行人機交互，用于顯示設備參數以及顯示故障代碼等功能。傳統的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，而段位口則根據需要顯示的內容引出相應管腳以供實現顯示功能，以常用的8段式“8”字數碼屏為例，1個“8”字符顯示需要引出1個位選端口及8個段位端口。而大部分家電產品的顯示應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屏驅動IC，這樣勢必會導致產品成本變高。同時，由于LED顯示屏引出腳變多也會導致PCB layout的面積較大、布線困難，因此傳統方案不適合應用在有限空間的設備中。為了在有限空間的產品中能使用LED數碼屏提供顯示界面，本文通過對LED顯示屏的設計以及驅動控制方式進行了研究，減少了LED顯示屏的驅動管腳數量，有效的減少了PCB layout面積，同時降低產品應用成本。

1 傳統LED數碼屏驅動方案概述

1.1 傳統LED數碼屏驅動原理

段碼式數碼屏，其每一段均由一個獨立的LED燈珠進行點亮，常用的4位8段式數碼屏原理如圖1所示。通常將所有位的段碼線相應的段并聯在一起，由單片機8個I/O口控制，形成段碼線的多路復用，而相應的8段LED燈珠的共陽極或共陰極分別由相應的1個I/O口控制，分時選通。在某一時刻，對應位的位選線處于選通狀態，而其它各位的位選線處于處于關閉狀態，同時，段碼線上輸出顯示字符的段碼譯碼。如此循環下去，利用人眼的視覺暫留，即可以使各位數碼管動態顯示出需要的字符。雖然這些字符是在不同時刻出現的，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數碼屏原理圖

1.2 傳統LED數碼屏方案的應用

采用傳統方案設計的4位8段式共陰極數碼屏由4個共陰極管腳及8個段位管腳組成（可驅動4*8=32個獨立LED燈），數碼屏的引出腳共12個，封裝圖如圖2所示。注：其中SEGH用于小數點顯示或時鐘分隔符“：”顯示使用，在實際應用時可根據實際需求做相應調整。由于引出的管腳過多將會導致PCB layout非常復雜，從而導致相應的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用在特別小的設備安裝空間，例如：應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，采用傳統的方案無法進行PCB layout。

圖2 4位8段LED數碼屏封裝圖

2 本方案LED數碼屏

2.1 本方案LED數碼屏驅動原理

為了在有限空間內實現產品功能需求，本文對原有數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-發光二極管反向導通電時不會被點亮，以及人眼視覺暫留現象實現動態掃描顯示[2]。這樣可以利用單片機I/O的分時復用方法，使得在掃描相應LED燈時，I/O口可以復用為位選口或者段碼口。從而實現了驅動一個4位7段的數碼屏僅需要的I/O口引腳為6個，即可驅動6*5=30個獨立LED燈珠，原理圖如圖3所示。其中每一位數碼管的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部封裝，可根據實際情況排布，不做限制。

圖3 本方案LED數碼屏原理圖

2.2 本方案LED數碼屏的應用

本方案LED數碼屏驅動控制設計包含三個部分，①顯示屏的結構設計，②顯示屏驅動電路的設計，③程序控制邏輯的設計。控制系統框圖如圖4所示。

圖4 控制系統框圖

通過單片機I/O口的分時復用，以及利用LED-發光二極管的反向不導通特性，本文對LED數碼屏驅動方式進行改進設計，本方案所描述的LED數碼屏封裝只需要引出6個驅動管腳，即可實現顯示功能，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數碼屏封裝圖

本文所述的數碼屏采用的是單片機I/O口分時復用的驅動方式，單片機驅動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口與數碼屏驅動口直接連接，通過程序邏輯控制I/O口在分時掃描時既可以復用成位輸出口又可以復用為段輸出口，從而點亮相應的段位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據，每一次可以處理5個LED 的亮和滅，當需要點亮相應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LED時將此LED相連I/O口配置為輸入高阻態，即可點亮顯示屏上相應的段位。然后以相同的方法掃描P0.1、P0.2、P0.3、P0.4、P0.5，當掃描完P0.5口時再重復從P0.0口開始掃描，這樣就完成顯示屏的動態掃描流程，程序流程如圖6所示。

圖6 本方案動態掃描程序流程圖

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

表1 LED數碼屏真值表

3 測試驗證

本文根據本公司所設計的某款燃氣灶具產品的功能需求，設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驅動4位7段數碼屏的動態顯示，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，可以實現燃氣灶具的火焰檢測、干燒超溫檢測及定時關機等功能；顯示屏用于顯示點火故障、干燒故障代碼以及顯示設置（1～120）min定時時間，并可通過燃氣閥關斷氣路實現安全保護功能。通過本文所描述的設計方案使得所有功能得以實現，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

根據燃氣灶產品的結構需求，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 結語

本文對現有段/位獨立式LED數碼屏的驅動控制方式進行了重新設計及改進，在實現數碼管顯示功能的前提下，使得驅動LED數碼屏的I/O口由12個減少為6個，較傳統方案減少了50 %的I/O口資源，降低了電路的整體應用成本。同時由于顯示屏引出管腳減少，使得產品PCB layout的面積變小，該方案非常適合應用在低成本或對結構要求緊湊的家用電器產品中。