2.1 LED显示器及其接口技术

1．静态显示方式
定义：当显示器显示某一字符时，相应的发光二极管恒 定的导通或截止。
特点；每位显示器都有各自的锁存器、译码器、驱动器， 用以锁存待显示数字的字段码。 优点：占用CPU时间少，显示稳定可靠。 缺点：功耗较大，占用I/O线较多。
4个LED组合的静态显示电路如图所示
I/O(1) I/O(2) I/O(3) I/O(4)
控制系统中应用最为广泛，其接口电路也wk.baidu.com有普遍借鉴性。 因此，我们介绍8段LED数码管显示器。
8段LED显示器的结构与工作原理如图所示。
8段LED显示器的结构图
一个 8 段 LED 显示器的结构与工作原理 如图所示。它是由8个发光二极管组成，各 段依次记为 a 、 b 、 c 、 d 、 e 、 f 、 g 、 dp ， 其中dp表示小数点（不带小数点的称为7段 LED）。8段LED显示器有共阴极和共阳极两 种结构，分别如图（b）、（c）所示。 共阴极LED的所有发光管的阴极并接成公 共端 COM ，而共阳极 LED 的所有发光管的阳 极并接成公共端COM。当共阴极LED的COM端 接地，则某个发光二极管的阳极加上高电 平时，则该管有电流流过因而点亮发光； 当共阳极 LED 的 COM 端接高电平，则某个发 光管的阴极加上低电平时，则该管有电流 流过因而点亮发光。
2.1 LED显示器接口
学习目标
掌握LED显示器件的工作原理、显示方式及其接 口电路。 了解图形显示画面的几种形式与功能作用。
引言
在计算机控制中，显示装置是一个重要组 成部分，主要用来显示生产过程的工艺状况与 运行结果，以便于现场工作人员的正确操作。
常用的显示器件有显示记录仪、发光二极管显
示器LED、液晶显示器LCD、大屏幕显示器和
I/O(2) I/O(3) I/O(4)
dp g f e d c b a dp g f e d c b a dp g f e d c b a
COM
COM
COM
GND
图 7-5 LED静态显示方式
2．动态显示方式
定义:一位一位轮流点亮各位显示器，对于每一位显示器 来说，每隔一段时间点亮一次。 特点：所有的LED数码管的各段对应连接在一起，通过逐 个驱动各数码管的公共端，轮流点亮各个数码管，利用人 眼的视觉暂滞特性，产生连续发光显示效果。 优点：使用硬件少，占用I/O线少 缺点：占用CPU时间长
图形显示器终端CRT。
显示器简介


显示记录仪--是以模拟方式连续显示和记录过程参数的动态变化，但 其价格都很贵，在目前的计算机控制系统中已很少采用。 LED数码管--由于具有结构简单、体积小、功耗低、配置灵活、显示 清晰、可靠性高等优点，目前已被微型计算机控制系统及智能化仪表 广泛采用。 LCD--则以其功耗极低的特点，占据了从电子表到计算器，从袖珍仪 表到便携式微型计算机等应用场合。 CRT终端--CRT终端以其图文并茂的直观生动画面，可以显示生产过 程中的各种画面及报表，如生产流程图、显示报警图、趋势曲线图、 状态和回路查询图等,在很多微型计算机控制系统中，特别在DDC， SCC以及DCS控制系统中，大都采用CRT操作台进行监视和控制。
例题分析：， 1、首先由I/O口（1）送出数字4的段选码66H即 I/O(1) 数据01100110到4个LED共同的段选线上。 2、接着由I/O口（2）送出位选码××××0111 dp g f e d c b a dp g f e d c b a dp g f e d c b a dp g f e d c b a 到位选线上，其中数据的高4位为无效的×，唯 有送入左边第一个LED的COM端D3为低电平“0”， 因此只有该LED的发光管因阳极接受到高电平 COM COM COM COM “1”的f、g、c、b段有电流流过而被点亮，也 D3 D2 D1 D0 就是显示出数字4，而其余3个LED因其COM端均 I/O(2) 为高电平“1”而无法点亮；显示一定时间后， 图7-6 LED动态显示方式 再由I/O口（1）送出数字5的段选码6DH即 01101101到段选线上，接着由 I/O口（2）送出点亮左边第二个LED的位选码××××1011到位选线上， 此时只有该LED的发光管因阳极接受到高电平“1”的g、f、d 、 c、a段有 电流流过因而被点亮，也就是显示出数字5，而其余3位LED不亮； 3、如此再依次送出第三个LED、第四个LED的段选与位选的扫描代码，就 能一一分别点亮各个LED，使4个LED从左至右依次显示4、5、6、7。
段码锁存器U1和位码锁存器U2均连在数据总线D7~ D0上， CPU通过数据总线送出的数据是到U1还是U2，这要由 74LS138对地址译码后的输出信号和决定。U1端口地址 PORT0被选中，U1选通并锁存住CPU输出的段选码；当U2 端口地址PORT7被选中，U2锁存住CPU输出的位选码。 设该接口电路从左到右（即从LED1到LED4）进行动 态扫描，其显示过程如下：首先CPU把LED1要显示的字符 段码送入段码锁存器U1，接着就往位码锁存器U2送入点亮 LED1的位选码，即仅使LED1的COM端为低电平。 虽然段 选码通过驱动电路同时送到各位LED，但这时只有LED1的 相应段被导通点亮，而其余LED并不显示。然后CPU把 LED2要显示的字符段码再送入段码锁存器U1，接着往位 码锁存器U2送入点亮LED2的位选码。……如此依次分别送 出扫描代码，一一分别点亮各个LED。 只要刷新时间不太 长，就会给人以同时显示的稳定的视觉效果。
接口程序为： MOV BX，OFFSET DATA1 MOV AL，[BX] OUT PORT1，AL ；显示左2位 INC BX MOV AL，[BX] OUT PORT0，AL ；显示右2位
2、动态显示电路

动态显示接口电路的关键是由两个I/O 并行端口分别进行 段选码与位选码的锁存，除了需要配置驱动电路以外，译 码扫描功能则完全由软件编程来完成。下图给出4个LED 组成的动态显示软件译码接口电路，4个共阴极LED显示 器的段选线对应并接，由一片8D触发器74LS374（U1） 进行段选控制，其间串有8个三极管以正向驱动LED的阳 极，此可称为段选通道。4个LED的COM端由另一片 74LS374（U2）进行位选控制，其间接有达林顿阵列驱 动器MC1413（内含7对复合三极管）以对LED的阴极进 行反向驱动，此构成了位选通道。
在小型控制装置和数字化仪器仪表中，往往
只要几个简单的数字显示或字符状态便可满足现
场的需求，而显示数码的LED因其成本低廉、配置
灵活，与计算机接口方便等特点在小型微机控制
系统中得到极为广泛的应用。
本节主要讨论LED 数码管 工作原理及其接口 电路。
一、 LED数码管结构与工作原理
LED（发光二极管Light Emitting Diode的英文缩写）是 采用半导体材料制成的能将电能转换成光能的固体发光器件，
第二章 微型计算机控制系统的接口技术
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5

LED显示器接口 键盘接口技术 模拟量输入通道 模拟量输出通道 开关量输入/输出通道
硬件系统
作用：获得过程或被控信号的参数值，进行 参数处理和转换，并控制对象以及对过程参 数的显示和干预。 组成：1、信号参数的采集通道及变换 2、参数的处理 3、控制信号的输出通道 4、过程显示和人工干预
根据制造材料的不同可以发出红、黄、绿、白等不同色彩的
可见光来。LED的伏安特性类似于普通二极管，正向压降约 为2伏左右，工作电流一般在10 -20 mA之间较为合适。
LED显示器有多种结构形式，单段的圆形或方形LED常 用来显示设备的运行状态，8段LED可以显示各种数字和字
符，所以也称为LED数码管，其外形如图所示。8段LED在
8段LED通过不同段点亮时的组合，可以显示0~9、A~F等十六进
制数。显然，将单片机的数据输出口与LED各段引脚相连，控制输
出的数据就可以使LED显示不同的字符。通常把控制LED数码管发光 显示字符的8位字节数据称为段选码或者字符译码，如图所示。
8段LED选码原理与结构图
二、 LED数码管显示方式 在计算机控制系统中，常利用多个LED数码管构成多 位显示。通常把点亮LED某一段的控制称为段选，而把点 亮 LED某一位的控制称为位选或片选。根据 LED 显示器的 段选线、位选线与控制端口的连接方式不同，LED显示器 有静态显示与动态显示两种方式，下面以 4 个共阴极 LED 的组合为例进行说明。


图为4个LED组成的静态显示硬件译码接口电路

图中，4片CD4511B分别对应连接4片7段共阴极 LED显示器，74LS138译码器译出片选信号 PORT0、PORT1，分别作为U1、U2和U3、U4 的锁存允许信号。CPU通过输出指令把要显示字 符的BCD码数据通过数据总线D7~ D0输出到 U1~U4的数据输入端D、C、B、A，其中每2片 （U1和U2，U3和U4）共用一个字节及一个片选 信号。若要显示带小数点的十进制数，则只要在 LED显示器的dp端另加驱动控制即可。
dp g f e d c b a dp g f e d c b a dp g f e d c b a dp g f e d c b a
COM
COM
COM
COM
GND
图 静态显示方式 7-5 LED静态显示方式 LED
例题1：说明采用4个共阴极LED数码管静态显示4567数字的
工作过程。
例题分析：当所有COM端连接在一 I/O(1) 起并接地时，首先由 I/O 口（ 1 ）送出 数字 4 的段选码 66H 即数据 01100110 到 左边第一个LED的段选线上，阳极接受 到高电平“ 1” 的发光管 f 、 g 、 c 、 b 段 dp g f e d c b a 因为有电流流过则被点亮，则结果为 左边第一个 LED 显示 4 ；接着由 I/O 口 （ 2 ）送出数字 5 的段选码 6DH 即数据 01101101到左边第二个LED的段选线上， 阳极接受到高电平“ 1” 的共阴极发光 COM 管g、f、d 、 c、a段则被点亮，则结 果为左边第二个 LED 显示 5 ；同理，由 I/O 口（ 3 ）送出数字 6 的段选码 7cH 即 01111100到左边第三个LED的段选线上， 由 I/O 口（ 4 ）送出数字 7 的段选码 07H 即00000111 到左边第四个LED 的段选线 上，则第三、四个LED分别显示6、7。
图中有CD4511B的引脚分配，它的真值表见表
（BLanking）为空白（全灭）信号，低电平有效； (Lamp Test )为全亮试验信号，低电平有效； 这两个引脚只用来测试与之连接的LED，在LED正常工作 时，均接成高电平。 锁存允许信号(Latch Enable)为低电平有效，作为允许 BCD码输入的片选信号，片选端一般是与接口地址译码 信号相连。一旦片选有效即＝0,则数据输入端A、B、C、 D所接收的4位BCD码就会被内部逻辑电路自动译为输出 端a—g的段选信号，从而驱动点亮7段LED显示出相应的 字符。
三、LED显示器接口电路
控制系统中的LED显示电路，除了要完成 把字符转换成对应的段选码的译码功能以 外，还要具有数据锁存与驱动的功能。其 中，译码功能可以通过硬件译码器完成， 也可通过软件编程实现；而数据锁存与驱 动只有依赖硬件电路来实现。结合上面讨 论的两种显示方式：
1、静态显示电路

静态显示方式的关键是多个LED需与多个I/O并行 口相连，一般的并行I/O口如8255A或锁存器只具 备锁存功能，还要有硬件驱动电路，再配以软件 译码程序。目前广泛使用一种集锁存、译码、驱 动功能为一体的集成电路芯片，以此构成静态显 示硬件译码接口电路。如美国RCA公司的 CD4511B是4位BCD码─7段十进制锁存译码驱动 器，美国MOTOROLA公司的 MC14495是4位 BCD码─7 段十六进制锁存译码驱动器。下面以 CD4511B为例，说明其接口电路。如图所示。
LED动态显示电路如图所示
I/O(1)
dp g f e d c b a dp g f e d c b a dp g f e d c b a dp g f e d c b a
COM D3
COM D2
COM D1 I/O(2)
COM D0
图7-6 LED动态显示方式 LED 动态显示方式
例题2：说明采用4位共阴极LED数码管动态显示4567 数字的工作过程