MAX7221驅(qū)動大尺寸共陽極LED數(shù)碼顯示器的電路設(shè)計

柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 劉玉瓊

1.概述

MAX7221是一塊應(yīng)用比較普遍的LED驅(qū)動集成電路，在該集成電路的標準應(yīng)用電路中，無需更多的外圍器件，就能很方便地驅(qū)動共陰極的小尺寸數(shù)碼顯示器。在筆者的一個項目中，需要用單片機和MAX7221來驅(qū)動大尺寸共陽極的LED數(shù)碼顯示器，通過查找，并未發(fā)現(xiàn)有這方面的技術(shù)資料和文獻。經(jīng)過多次試驗，找到一個用MAX7221驅(qū)動大尺寸共陽極LED顯示器的方法。本文介紹的采用MAX7221驅(qū)動共陽極大尺寸LED數(shù)碼顯示器的相應(yīng)驅(qū)動電路設(shè)計，經(jīng)實際應(yīng)用的檢驗，具有較高的可靠性。

2.主要元器件介紹

2.1 MAX7221

MAX7221是美國MAXIM（美信）公司推出的緊湊型串行輸入/輸出共陰極顯示驅(qū)動器，可以驅(qū)動8位7段共陰極LED數(shù)碼顯示器、條形圖顯示器或64個獨立的LED。該器件內(nèi)置了BCD B碼譯碼器、多路復(fù)用掃描電路、段和位驅(qū)動電流調(diào)節(jié)器、亮度脈寬調(diào)節(jié)器以及存儲每位數(shù)字的靜態(tài)存儲器，外圍電路只需一個9.53KΩ的電阻用以設(shè)定所有LED的段電流。該芯片通過內(nèi)置的SPI串行接口，可以方便地連接微處理器，對每位數(shù)字單獨進行尋址和更新，無需重新寫入整個顯示器，同時支持多片級聯(lián)，單片機軟件編程十分方便，應(yīng)用十分普及。圖1為MAX7221的典型應(yīng)用電路。

2.2 大尺寸LED數(shù)碼管

在筆者的某個項目中，需要用到大尺寸共陽極的LED數(shù)碼顯示器，在大尺寸數(shù)碼管的制造中，一般是采用多個LED管芯串聯(lián)和并聯(lián)，保證LED數(shù)碼管亮度，以及亮度的均勻度達到一定要求。圖2為筆者在項目中使用的型號為LN40101DS大尺寸LED數(shù)碼管內(nèi)部連接圖。由圖2可以看出，A-G這七段都是由8個發(fā)光二級管兩兩相并然后再串聯(lián)起來，這樣設(shè)計可以最大限度保證每一段亮度的均勻性，同時提高了可靠性，只有小數(shù)點段（DP）采用兩只發(fā)光管相串聯(lián)。為了使其能正常工作，大尺寸LED數(shù)碼管的驅(qū)動電壓較普通的LED數(shù)碼管高許多。

圖1 MAX7221典型應(yīng)用電路

2.3 ULN2803

ULN2803內(nèi)部集成了8個大功率高耐壓的NPN達林頓晶體管陣列，具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負載能力強等特點，同時在內(nèi)部集成續(xù)流二極管，適用于各類要求高速大功率驅(qū)動的系統(tǒng)。每一對達林頓都串聯(lián)一個2.7K的基極電阻，在5V的工作電壓下它能與TTL和CMOS電路直接相連，可以直接處理原先需要標準邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)。ULN2803的第10引腳，是內(nèi)部8個續(xù)流二極管負極的公共端，各二極管的正極分別接各達林頓管的集電極。用于感性負載時，如驅(qū)動繼電器等，該腳接負載電源正極，實現(xiàn)續(xù)流作用，平時可以懸空。圖3為ULN2803電路的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)。

3.MAX7221驅(qū)動大尺寸共陰極LED數(shù)碼顯示電路

用MAX7221驅(qū)動共陽極大尺寸LED電路的關(guān)鍵是將MAX7221共陰極驅(qū)動方式轉(zhuǎn)換為共陽極的驅(qū)動方式，即將MAX7221的段輸出由原來的高電平輸出有效，變?yōu)榈碗娖捷敵鲇行?，位輸出由低電平轉(zhuǎn)為高電平輸出。MAX7221本身無法實現(xiàn)上述要求，通過設(shè)計的驅(qū)動轉(zhuǎn)換電路完成，這個電路主要包括位了電平轉(zhuǎn)換電路和段電平轉(zhuǎn)換電路兩部分。

3.1 位電平轉(zhuǎn)換電路

圖2 LN4010DS內(nèi)部連接圖

圖3 UNL2803等效電路圖

該電路主要功能是將MAX7221低電平輸出有效的位掃描信號轉(zhuǎn)換為符合驅(qū)動的高電壓和大電流的高電平輸出，加到相應(yīng)共陽極大尺寸LED顯示器的公共陽極。該電路利用光電耦合集成電路，完成信號隔離和電平變換功能，與后級的大功率三極管構(gòu)成復(fù)合管，提供滿足大尺寸LED顯示器所需的電流，驅(qū)動相應(yīng)的數(shù)碼顯示器。經(jīng)實測，所選用的LN40101DS數(shù)碼管，靜態(tài)時段電流需要達到25mA，發(fā)光亮度即可滿足要求。MAX7221驅(qū)動顯示是一動態(tài)掃描過程，根據(jù)MAX7221的技術(shù)資料，8個數(shù)碼掃描的頻率在500～1300Hz范圍，同時MAX7221內(nèi)部具有脈寬調(diào)節(jié)亮度功能，顯示的亮度可以通過軟件來調(diào)節(jié)。綜合考慮電路中LED顯示器的段電流設(shè)計為50mA，在數(shù)碼顯示器的A～G段和小數(shù)點段同時點亮的話，位驅(qū)動三極管的最大電流應(yīng)為400mA，驅(qū)動三極管選用集電極電流為1.5A的8050NPN三極管即可滿足。電路中MAX7221使用+5V電源，LED顯示驅(qū)動電源采用直流18V。圖4為位電平轉(zhuǎn)換電路原理圖。

3.2 段電平轉(zhuǎn)換電路

相對于位電平轉(zhuǎn)換電路來說，段電平轉(zhuǎn)換電路比較簡單。MAX7221輸出的高電平，通過ULN2803的反向驅(qū)動，變成低電平輸出，同時提供足夠大的電流。需要注意的是，由于使用的大尺寸LED顯示器中的小數(shù)點，僅由2個LED管芯相串聯(lián)，與其他的段相比較，串聯(lián)的LED數(shù)量較少，故在小數(shù)點的驅(qū)動電路中串聯(lián)一個510Ω的電阻，限制小數(shù)點段的電流。圖5為該驅(qū)動電路的原理圖。

圖4 位電平轉(zhuǎn)換電路

圖5 共陽LED顯示器驅(qū)動電路圖

3.3 電路調(diào)試

一般來說，只要電路布線無誤，元器件選擇正確，焊接可靠，電路基本無需調(diào)試即可正常工作。實際應(yīng)用中，由于電子元器件的離散性等因素的影響，有時會造成個別數(shù)碼顯示器的亮度有些差異，限于MAX7221軟件亮度調(diào)整功能，只能調(diào)整全部8位輸出的亮度，不具備單獨調(diào)整每一位亮度的功能，只能在驅(qū)動電路上進行調(diào)整，可以調(diào)整相應(yīng)位驅(qū)動三極管基極上的電阻阻值（圖5中的R310～R317），使得各顯示器的亮度一致。

4.結(jié)束語

本電路設(shè)計將MAX7221 LED驅(qū)動器運用到共陽極大尺寸LED數(shù)碼顯示器驅(qū)動中，充分利用了MAX7221驅(qū)動器內(nèi)置亮度調(diào)節(jié)、掃描電路、方便和單片機相連和編程簡單等優(yōu)點，并擴寬了MAX7221的適用范圍。本文介紹的電路已在筆者的項目應(yīng)用中，運行穩(wěn)定可靠。

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