МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ
ХАРЬКОВСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к лабораторной работе № 4 по курсу „Цифровые устройства”
для студентов направления подготовки 6.050901 "Радиотехника"
Харьков 2011
|
4 Исследование динамической индикации цифровой
ИНФОРМАЦИИ НА МНОГОРАЗРЯДНОМ СЕМИСЕГМЕНТНОМ
СВЕТОДИОДНОМ ИНДИКАТОРЕ И СХЕМЫ ЕГО СОПРЯЖЕНИЯ
С AVR МИКРОКОНТРОЛЛЕРОМ
4.1 Цель работы – изучение схем сопряжения многоразрядных светодиодных семисегментных индикаторов с микроконтроллером; исследование метода динамической инициализации цифровой информации на семисегментных светодиодных индикаторах; приобретение практического опыта разработки программ для AVR микроконтроллеров управления динамической индикацией.
4.2 Общие сведения о семисегментных индикаторах
Для отображения цифровой информации в системах на базе микроконтроллеров используются светодиодные семисегментные индикаторы. Они просты в управлении, имеет высокую яркость, широкий диапазон рабочих температур и низкую стоимость. К недостаткам светодиодных индикаторов относятся – высокое энергопотребление, отсутствие управляющего контроллера и скудные возможности по выводу буквенной информации. Светодиодный семисегментный индикатор представляет собой группу светодиодов расположенных в определенном порядке и объединенных конструктивно. Зажигая одновременно несколько светодиодов можно формировать на индикаторе символы цифр.
Семисегментный индикатор, как говорит его название, состоит из семи элементов индикации (сегментов), включающихся и выключающихся по отдельности. Включая их в разных комбинациях, из них можно составить упрощённые изображения арабских цифр. Часто семисегментные индикаторы делают в курсивном начертании, что повышает читаемость.
Существует огромное множество различных моделей светодиодных индикаторов, разных размеров, цвета свечения. Существуют как индикаторы представляющие собой отдельный один разряд, для индикации всего одной цифры, так и многоразрядные индикаторные панели (см. рис.4.1).
Рис. 4.1 – Внешний вид различных светодиодных индикаторов
В зависимости от модели индикатора схема их подключения может быть разной. Все выпускаемые индикаторы делятся на две большие группы. Это индикаторы с общим анодом и индикаторы с общим катодом.
В обычном одноразрядном светодиодном индикаторе девять выводов: один идёт к катодам всех сегментов, и остальные восемь — к анодам каждого из сегментов. Эта схема называется «схема с общим катодом». Если в индикаторе один вывод соединен с анодами всех сегментов, то такая схема называется «схема с общим анодом».
Многоразрядные индикаторы часто устроены по матричному принципу. Выводы всех одноимённых сегментов всех разрядов соединены вместе. Чтобы выводить информацию на такой индикатор, управляющая микросхема должна циклически подавать ток на общие выводы всех разрядов, в то время как на выводы сегментов ток подаётся в зависимости от того, зажжён ли данный сегмент в данном разряде.
Семисегментный индикатор представляет собой микросхему, на верхней поверхности которой располагаются светодиоды, отлитые в форме сегментов. Каждый сегмент индикатора обозначают буквами латинского алфавита от A до G; восьмой сегмент – десятичная запятая (предназначенная для отображения дробных чисел) обозначают буквами - DP. Стандартное расположение и обозначение сегментов индикатора показано на рис. 4.2.
Рис. 4.2 – Стандартное обозначение сегментов индикатора
Изредка на семисегментном индикаторе отображают буквы. Но лишь немногие из букв имеют интуитивно понятное семисегментное представление. Поэтому семисегментные индикаторы используют только для отображения простейших сообщений.
4.3 Основы программного управления светодиодными
семисегментными индикаторами
Семисегментным индикатором можно управлять статически или динамически. При статическом управлении разряды индикатора подключены к микроконтроллеру независимо друг от друга через ограничительные резисторы, и информация на них выводится постоянно. Этот способ управления проще динамического, но подключить многоразрядный семисегментный индикатор к микроконтроллеру будет проблематично - может не хватить выводов.
Индикаторы обычно располагают в местах, удобных для просмотра информации, отображаемой на них. Остальная цифровая схема может располагаться на других печатных платах. При увеличении количества индикаторов увеличивается количество проводников между платой индикаторов и цифровой платой. Это приводит к определенным неудобствам разработки конструкции и эксплуатации аппаратуры. Эта же причина приводит к увеличению ее стоимости.
Количество соединительных проводников можно уменьшить, если заставить индикаторы работать в импульсном режиме, то есть использовать схему динамической индикации.
Динамическое управление (динамическая индикация) подразумевает поочередное зажигание разрядов индикатора с частотой, не воспринимаемой человеческим глазом. Схема подключения индикатора в этом случае на порядок экономичнее благодаря тому, что одинаковые сегменты разрядов индикатора объединены. Человеческий глаз обладает инерционностью и если заставить индикаторы отображать информацию поочередно с достаточно большой скоростью, то человеку будет казаться, что все индикаторы отображают свою информацию непрерывно. В результате можно по одним и тем же проводникам поочередно передавать отображаемую информацию. Обычно достаточно частоты обновления информации 50 Гц, но лучше увеличить эту частоту до 100 Гц.
Во сколько же раз мы в результате уменьшили количество соединительных проводников? Если мы на плате индикации оставим только четыре индикаторы, то для их работы потребуется 8 информационных сигналов для сегментов и четыре коммутирующих сигнала. Всего 12 проводников. В статической схеме индикации нам потребовалось бы 8×4=32 проводников. Как видим, выигрыш налицо.
Теперь давайте рассчитаем ток, протекающий через каждый сегмент светодиодного индикатора при его свечении.
Для нормальной работы светодиода обычно требуется ток от 3 до 10 мА. Зададимся минимальным током светодиода 3 мА. Однако при импульсном режиме работы яркость свечения индикатора падает в N раз, где коэффициент N равен скважности импульсов тока, подаваемых на этот индикатор.
Если мы собираемся сохранить ту же яркость свечения, то требуется увеличить величину импульсного тока, протекающего через сегмент, в N раз. Для четырехразрядного индикатора коэффициент N равен четыре. Пусть первоначально мы выбрали статический ток через светодиод, равный 3 мА. Тогда для сохранения той же яркости свечения светодиода в восьмиразрядном индикаторе потребуется импульсный ток:
Iсег дин = Iсег стат×N = 3мА×4 = 12мА.
Такой ток могут обеспечить серийные цифровые микросхемы. То есть, сегменты индикатора можно подключать к микроконтроллеру напрямую через ограничивающие резисторы.
Теперь определим ток, который будет протекать через общий вывод отдельного разряда четырехразрядного блока индикации. При отображении цифры 8 потребуется зажечь все семь сегментов индикатора, значит импульсный ток, протекающий в этот момент через ключ, можно определить следующим образом:
Iобщ = Iсег дин×Nсег = 12мА×7 = 84мА.
Такой ток недопустим для коммутации выходами микроконтроллера напрямую, поэтому необходимо использовать транзисторные ключи.
На рис. 4.3 показано, какие коды необходимо подавать на сегменты светодиодного индикатора со схемой с общим анодом для формирования в первом разряде индикатора цифры 4 (четыре).
Рис. 4.3 – Формирование кода отображения цифры четыре
Теперь можно обсудить достоинства и недостатки схемы динамической индикации. Несомненным достоинством динамической индикации является малое количество соединительных проводов, что делает ее незаменимой в некоторых случаях, таких как работа с матричными индикаторами.
В качестве недостатка следует привести наличие больших импульсных токов, а так как любой проводник является антенной, то динамическая индикация служит мощным источником помех. Еще одним путем распространения помех является источник питания.
Обратим внимание, что фронта у коммутирующих импульсов очень короткие, поэтому их гармонические составляющие перекрывают диапазон радиочастот вплоть до ультракоротких волн.
Итак, применение динамической индикации позволяет минимизировать количество соединительных проводов между цифровым устройством и индикатором, но является при этом мощным источником помех, поэтому ее применение в радиоприемных устройствах нежелательно.
Если по каким-либо причинам, например, необходимость применения матричных индикаторов, приходится использовать динамическую индикацию, то нужно принять все меры по подавлению помех.
В качестве мер по подавлению помех от динамической индикации можно назвать экранирование блока, соединительного кабеля и плат. Использование минимальной длины соединительных проводов, применение фильтров по питанию.