用8引腳的微控制器控制帶多個(gè)LED的兩位數(shù)字顯示

8引腳微控制器能支持豐富的外設(shè)功能。不過(guò)，由于芯片電源需要占用兩個(gè)引腳，所以，最多可用I/O引腳數(shù)目常常只有6個(gè)。這樣以來(lái)，采用這些器件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的難度就可能比較大，特別是如果這些系統(tǒng)所包含的顯示要求很高時(shí)。

一般地，Charlieplexing方法可使N個(gè)I/O引腳控制N*(N1)倍的LED。例如，圖1示出了微控制器的5個(gè)引腳接了20個(gè)LED。在上述Charlieplexed表示中，其中一個(gè)引腳被設(shè)置為邏輯“1”輸出引腳，另一個(gè)腳被設(shè)置為邏輯“0”輸出引腳。其余引腳設(shè)置為高阻態(tài)輸入。

因此，在任何給定的時(shí)間內(nèi)，只有一個(gè)LED導(dǎo)通。在適當(dāng)?shù)难舆t后，通過(guò)改變引腳配置，使該LED截止，下一個(gè)LED導(dǎo)通。每個(gè)LED導(dǎo)通的速率必須大于50Hz，以避免出現(xiàn)看得見(jiàn)的閃爍。所以，對(duì)20個(gè)LED，總顯示刷新率應(yīng)該至少為1,000Hz。

圖1：微控制器的5個(gè)引腳接了20個(gè)LED。

我們的應(yīng)用需要一個(gè)最大計(jì)數(shù)為200的計(jì)數(shù)器。本來(lái)可簡(jiǎn)單地使用一個(gè)相稱(chēng)的復(fù)雜微控制器，但是我們最后還是決定嘗試采用最廉價(jià)而現(xiàn)成的8引腳微控制器，最終選擇了AtmelAVRATtiny15。計(jì)數(shù)器的輸入來(lái)自一個(gè)按扭開(kāi)關(guān)，因此6個(gè)I/O引腳中只有5個(gè)可用于顯示。因?yàn)橛?jì)數(shù)器是面向?qū)κM(jìn)制熟悉的工程師，所以，我們決定采用兩位數(shù)字顯示，顯示范圍為00～FF(Hex)，即便如此，裝好兩位數(shù)字顯示似乎也很難。

我們采用Charlieplexed顯示，按需要的兩位數(shù)字，7段格式排列LED，以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目的(圖2)。我們選擇了3mm的高亮度LED，7段顯示的每一段都由3個(gè)LED組并聯(lián)而成。

圖2：采用Charlieplexed顯示，按需要的兩位數(shù)字，7段格式排列LED。

所有電阻都是100Ω、1/4WCFR。通過(guò)LED的峰值電流大約是30mA(5V電源)，而系統(tǒng)能在3V～6V電源電壓范圍任意電壓下工作。刷新率設(shè)置為1,000Hz，由ATtiny15的1.6MHz內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘產(chǎn)生。該電路也適合與許多ATtiny器件或者8引腳PIC微控制器結(jié)合使用。

雖然我們的方案是針對(duì)一個(gè)簡(jiǎn)單計(jì)數(shù)器，但系統(tǒng)是可擴(kuò)展的，可將顯示增加到2-1/2位格式。此外，很多8引腳微控制器都內(nèi)置有一個(gè)模-數(shù)轉(zhuǎn)換器通道，該通道可與2-1/2位顯示一起使用，構(gòu)成電壓表。同樣地，利用該技術(shù)也能實(shí)現(xiàn)具有自動(dòng)量程修正功能的頻率計(jì)數(shù)器。

Charlieplexing的不足之處是流過(guò)每個(gè)LED的電流占空周期低。由于在任意給定的時(shí)間內(nèi)只有一個(gè)LED導(dǎo)通，所以占空周期是1/[N*(N1)]。對(duì)于20個(gè)LED，流過(guò)每個(gè)LED電流的占空周期將只有5%。隨著LED數(shù)目的增加，占空周期縮短。因此，要保持流過(guò)LED的平均電流一定，峰值電流必須按比例增大。在某些點(diǎn)上，峰值電流將超過(guò)LED的額定值，不能再用Charlieplexing。

另一個(gè)需要考慮的是，只能使用那些每個(gè)引腳都能配置為輸出及高阻輸入的微控制器。因此，典型的8051不適合控制CharlieplexedLED顯示。