基于I/O口复用的LED数码屏驱动的应用研究

张思辉

（广东万和热能科技有限公司 佛山 528305）

引言

现在大多数的家用电器产品多采用段码式LED显示屏用于显示信息以进行人机交互，用于显示设备参数以及显示故障代码等功能。传统的LED显示屏多采用共阴极或共阳极封装方式，其共阴极或共阳极引出一个公共端口，而段位口则根据需要显示的内容引出相应管脚以供实现显示功能，以常用的8段式“8”字数码屏为例，1个“8”字符显示需要引出1个位选端口及8个段位端口。而大部分家电产品的显示应用场合都会采用多位LED显示屏进行显示，这样一来就需要采用较多I/O口的MCU芯片或者采用专用的LED屏驱动IC，这样势必会导致产品成本变高。同时，由于LED显示屏引出脚变多也会导致PCB layout的面积较大、布线困难，因此传统方案不适合应用在有限空间的设备中。为了在有限空间的产品中能使用LED数码屏提供显示界面，本文通过对LED显示屏的设计以及驱动控制方式进行了研究，减少了LED显示屏的驱动管脚数量，有效的减少了PCB layout面积，同时降低产品应用成本。

1 传统LED数码屏驱动方案概述

1.1 传统LED数码屏驱动原理

段码式数码屏，其每一段均由一个独立的LED灯珠进行点亮，常用的4位8段式数码屏原理如图1所示。通常将所有位的段码线相应的段并联在一起，由单片机8个I/O口控制，形成段码线的多路复用，而相应的8段LED灯珠的共阳极或共阴极分别由相应的1个I/O口控制，分时选通。在某一时刻，对应位的位选线处于选通状态，而其它各位的位选线处于处于关闭状态，同时，段码线上输出显示字符的段码译码。如此循环下去，利用人眼的视觉暂留，即可以使各位数码管动态显示出需要的字符。虽然这些字符是在不同时刻出现的，而在同一时刻，只有一位显示，其它各位熄灭，但是由于LED显示器的余辉和人眼的视觉暂留作用，只要每位显示间隔足够短，则可以造成多位同时亮的假象，达到同时显示的效果[1]。

图1 4位8段LED数码屏原理图

1.2 传统LED数码屏方案的应用

采用传统方案设计的4位8段式共阴极数码屏由4个共阴极管脚及8个段位管脚组成（可驱动4*8=32个独立LED灯），数码屏的引出脚共12个，封装图如图2所示。注：其中SEGH用于小数点显示或时钟分隔符“：”显示使用，在实际应用时可根据实际需求做相应调整。由于引出的管脚过多将会导致PCB layout非常复杂，从而导致相应的PCB layout面积增大，从而电路板需要占用较多的安装空间；在增加了成本的同时也限制了该种显示方案无法应用在特别小的设备安装空间，例如：应用在燃气灶的显示器上，通常PCB板面积只有50*30 mm，其显示屏使用面积为40*18 mm同时还需要排布一个14脚单片机以2个Φ12 mm触摸按键，1个Φ12 mm蜂鸣器，采用传统的方案无法进行PCB layout。

图2 4位8段LED数码屏封装图

2 本方案LED数码屏

2.1 本方案LED数码屏驱动原理

为了在有限空间内实现产品功能需求，本文对原有数码屏的引脚封装进行改进。由于LED显示屏显示时，每个LED灯珠是单独点亮的，利用LED-发光二极管反向导通电时不会被点亮，以及人眼视觉暂留现象实现动态扫描显示[2]。这样可以利用单片机I/O的分时复用方法，使得在扫描相应LED灯时，I/O口可以复用为位选口或者段码口。从而实现了驱动一个4位7段的数码屏仅需要的I/O口引脚为6个，即可驱动6*5=30个独立LED灯珠，原理图如图3所示。其中每一位数码管的8段可以由原理图中所描述的任意8个LED灯组成，LED灯的排布均在显示屏内部封装，可根据实际情况排布，不做限制。

图3 本方案LED数码屏原理图

2.2 本方案LED数码屏的应用

本方案LED数码屏驱动控制设计包含三个部分，①显示屏的结构设计，②显示屏驱动电路的设计，③程序控制逻辑的设计。控制系统框图如图4所示。

图4 控制系统框图

通过单片机I/O口的分时复用，以及利用LED-发光二极管的反向不导通特性，本文对LED数码屏驱动方式进行改进设计，本方案所描述的LED数码屏封装只需要引出6个驱动管脚，即可实现显示功能，封装图如图5所示。注：其中的两个LED用于时间分隔符“：”显示。

图5 本方案LED数码屏封装图

本文所述的数码屏采用的是单片机I/O口分时复用的驱动方式，单片机驱动I/O口为大电流输出口，单个I/O口均可以输出80 mA以上的电流。每个I/O口与数码屏驱动口直接连接，通过程序逻辑控制I/O口在分时扫描时既可以复用成位输出口又可以复用为段输出口，从而点亮相应的段位LED灯[3]。

2.3 程序控制逻辑

本文所描述的方案其显示驱动扫描过程为：程序以1 ms为基准进行计时扫描，P0.0口用作位口输出时，将P0.0口设置为输出口且输出低电平，此时P0.1、P0.2、P0.3、P0.4、P0.5用作段口输出显示数据，每一次可以处理5个LED 的亮和灭，当需要点亮相应LED时将此LED相连I/O口配置为输出且输出高电平，当不需要点亮相应LED时将此LED相连I/O口配置为输入高阻态，即可点亮显示屏上相应的段位。然后以相同的方法扫描P0.1、P0.2、P0.3、P0.4、P0.5，当扫描完P0.5口时再重复从P0.0口开始扫描，这样就完成显示屏的动态扫描流程，程序流程如图6所示。

图6 本方案动态扫描程序流程图

按上述扫描方式，本文所描述的显示屏输出LED段码对应I/O输出电平，LED数码屏输出真值表如表1所示。

表1 LED数码屏真值表

3 测试验证

本文根据本公司所设计的某款燃气灶具产品的功能需求，设计出了电路样板进行硬件原理以及程序验证，本方案采用一款16引脚单片机即可实现驱动4位7段数码屏的动态显示，2个触摸按键的检测，1路燃气阀输出接口，1路蜂鸣器输出接口，2路A/D检测口。该控制器安装于燃气灶具上，可以实现燃气灶具的火焰检测、干烧超温检测及定时关机等功能；显示屏用于显示点火故障、干烧故障代码以及显示设置（1～120）min定时时间，并可通过燃气阀关断气路实现安全保护功能。通过本文所描述的设计方案使得所有功能得以实现，PCB的安装空间更加小巧。电路方案原理如图7所示。

图7 电路方案原理图

根据燃气灶产品的结构需求，整体控制器PCB总面积为50*30 mm，采用1.6 t双面FR-4板材进行元器件排布，样品图片如图8所示。

图8 样品图片

4 结语

本文对现有段/位独立式LED数码屏的驱动控制方式进行了重新设计及改进，在实现数码管显示功能的前提下，使得驱动LED数码屏的I/O口由12个减少为6个，较传统方案减少了50 %的I/O口资源，降低了电路的整体应用成本。同时由于显示屏引出管脚减少，使得产品PCB layout的面积变小，该方案非常适合应用在低成本或对结构要求紧凑的家用电器产品中。