Maxim公司的MAX7219芯片用于動態(tài)掃描顯示驅動，芯片內有可存儲顯示信息的8x8靜態(tài)RAM、動態(tài)掃描電路以及段、位驅動器。它與通用微處理器有3根串行線相連，最多可驅動8個共陰數碼管或64個發(fā)光二極管。采用MAX7219芯片實現LED數碼顯示，具有電路緊湊、可節(jié)省CPU的I／O接口、芯片功能強大、編程簡單等優(yōu)點，得到了廣大電路設計者認可。然而MAX7219的工作電壓為5 V，共陰極LED顯示驅動，只適用于3.5 V以下電壓驅動的LED數碼管，限制了其使用范圍。
本文提出一種基于MAX7219芯片，具有擴展驅動能力的LED數碼顯示電路。主要應用在大尺寸、高亮度LED數碼管的顯示電路。
1 電路器件功能簡介
1.1 MAX7219功能簡介
MAX7219為24引腳芯片，如圖1所示。有+5 V電源和2個GND引腳；DIG 0～DIG 7引腳為8位數字驅動線，輸出位選信號；SEG A～SEG G和SEG DP引腳為LED 7段驅動線和小數點線，供給顯示器驅動電流；SET引腳外接電阻調整LED顯示亮度；DIN（數據輸入端）、CLK（時鐘輸入端）、LOAD（鎖存信號）引腳，構成與通用微處理器3線串行線相連，接收的數據和命令格式為16位數據包；DOUT引腳是串行數據輸出端口，用于多片MAX7219級聯擴展顯示。
圖1 MAX7219的引腳分布
16位數據采用串行移位接收方式，即單片機將16位二進制數逐位發(fā)送到DIN端。在CLK上升沿到來前準備就緒，CLK的每個上升沿將一位數據移入MAX7219內移位寄存器，當16位數據移入完畢，在LOAD引腳信號上升沿將16位數據裝入MAX7219內的相應位置，在MAX7219內部硬件動態(tài)掃描顯示控制電路作用下實現動態(tài)顯示。對MAX7219的控制操作很方便，其片內具有8個位寄存器和6個控制寄存器。位寄存器對應LED的具體顯示內容，控制寄存器決定LED的工作方式?？刂萍拇嫫鞣謩e為：不工作方式寄存器、譯碼方式寄存器、亮度控制寄存器、掃描個數寄存器、關閉寄存器、顯示測試寄存器。寄存器的操作格式為2字節(jié)的串行數據，第一個字節(jié)為寄存器地址，第二個字節(jié)為控制命令或待顯示數據。
1.2 ULN2803驅動電路
ULN2803是摩托羅拉公司生產的具有高電壓、大電流的8路達林頓驅動器，廣泛應用于計算機、工業(yè)和消費類產品中。管腳連接見圖2所示，引腳1～8為8路輸入端，TTL電平驅動，引腳11～18為對應的8路集電極開路輸出口，上掛負載，最大工作電壓50 V，驅動電流可達500 mA，引腳10為COM端，當上掛電阻性負載時，引腳10開路；當上掛電感性負載時，引腳10接負載電源，構成在每個感性負載兩端并聯一個續(xù)流二極管以防止反電勢擊穿器件。
圖2 ULN2803管腳連接
1.3 大尺寸數碼管特性
圖3是型號80011B共陽高亮紅色8英寸數碼管各字段的組成。A～G 7個段都是由8只發(fā)光二極管串、并聯而成；DP是小數點，由3只發(fā)光二極管并聯而成。單個發(fā)光二極管的正向電壓標準值為2.1 V，極限值為2.5 V；正向電流標準值為20 mA，峰值為100 mA；功耗40 mW。正向電流If（20 mA）是長時間靜態(tài)驅動時的電流最大值，如果超過此值，將導致數碼管壽命下降，甚至損壞。峰值電流Ipeak（100 mA）是動態(tài)驅動時的脈沖電流最大值。80011B的A～G字段的導通電壓為10.5～12.5 V，單管脈沖電流一般選50 mA，超過50 mA后其亮度就不與電流成比例增加了。DP小數點要串接限流電阻，否則會造成發(fā)光二極管器件損壞。
圖3 80011B各字段的組成
2 大尺寸LED數碼顯示驅動電路設計
2.1 電路組成與原理
MAX7219工作時，在內部硬件動態(tài)掃描顯示控制電路作用下，實現動態(tài)顯示。DIG0～DIG7引腳接8位數碼管的公共端，其信號時序見圖4。當輸出數碼管位選信號DIG0～DIG7某位為低電平時，段碼線SEGA～SEGG和SEGDP輸出數據為所要顯示段碼，并驅動共陰極LED，實現8位數碼管動態(tài)循環(huán)顯示。
圖4 DIG0～DIG7引腳信號時序
圖5為8位共陽LED數碼顯示電路，圖中MAX7219引腳DIG0～DIG7位碼線分別接8片74LS273鎖存器11（CP）腳鎖存控制端，相當于片選信號；段碼線SEGA～SEGG和SEGDP以數據總線形式接在8片74LS273觸發(fā)器器的D0～D7輸入端；當DIG0～DIG7片選信號某一位是低電平時，數據總線D0～D7為對應的段碼數據；當片選信號11（CP）腳有一個上升沿，立即鎖存輸入腳的電平狀態(tài)，并立即呈現在輸出腳Q0～Q7上鎖存：DIG0～DIG7片選低電平信號循環(huán)掃描，將要顯示的數據段碼，分別送入對應的觸發(fā)器鎖存。
圖5 8位共陽LED數碼顯示電路
ULN2803接收74LS273鎖存器輸出信號，實現對數碼管的驅動顯示。ULN2803集電極開路輸出口上掛共陽數碼管的段碼引腳，共陽數碼管公共引腳接電源正極。當74LS273鎖存器輸出高電平時，ULN2803驅動數碼管對應段碼亮，反之滅。
2.2 電路幾點說明
1）數碼管顯示方式
MAX7219在內部硬件動態(tài)掃描顯示控制電路作用下，實現LED數碼管動態(tài)顯示。在本電路中采用74LS273觸發(fā)器鎖存各數碼管的段碼驅動信號，當MAX7219動態(tài)掃描完成一個周期后，可通過微處理器，控制MAX7219工作在休眠狀態(tài)，即不工作方式。此時數碼管為靜態(tài)顯示方式，通過74LS273鎖存的數據，由ULN2803驅動數碼管顯示。電路實現MAX7219間歇工作，只有在數碼管顯示改變的情況下，啟動MAX7219工作，完成數據更新鎖存后，進入不工作狀態(tài)，以節(jié)省功耗。
2）數碼管亮度控制
圖5中的數碼管供電電壓為最大電壓12.5 V，通過微處理器輸出脈寬調制信號PWM，控制PMOS管，調整數碼管供電電壓，實現數碼管亮度控制。由于數碼管供電電壓為最大允許電壓，提高了數碼管工作的安全系數，采用占空比調整數碼管亮度，可靠、方便。同時取消了A～G字段的限流電阻，降低了功耗。
3 結束語
基于MAX7219芯片的大尺寸LED數碼顯示驅動電路，保留MAX7219的使用優(yōu)點的同時，實現了在顯示電路作用下的大尺寸數碼管的動態(tài)顯示，另外驅動電路可通過微處理器輸出的脈寬調制信號PWM，實現數碼管得兩度可調。經實驗測試證明該電路工作性能穩(wěn)定，具有很高的實用價值。
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