元器件科普之LED数码管的原理和应用

1、简述

LED 数码管（LED Segment Displays、LED Module）是当今一种很常见的数字信息显示器件，在各种数码产品、家电、工业数字仪器仪表等领域具有广泛应用。其通过封藏在固定的塑胶组件里的多个LED发光二极管的巧妙布局和组合，构成了一个特定功能的显示面板。这些显示面板，有些只能显示十进制0至9的数字，有些还可以显示A到Z的26个大小写英文字母，而有些还能显示特定图案（如汉字或电池的标志符号等等）。所以，狭义来讲，LED数码管只包括七段数码管、八段数码管（在七段的基础上多了一个小数点DP或冒号符：）、米字型数码管；而广义来讲，LED数码管还包括条形数码管、各种段码型LED显示模组（面板）。下图（1）展示了当前市面上各种常见的LED数码管。 

2、结构及工作原理

如下图（2）所示，这是一个常见数码管的结构示意图，从图上可知，LED数码管一般由四部分组成： 显示面板（薄膜片，一般颜色用黑色或灰白色；有些不用薄膜片，而是直接涂印在上面）、LED灯芯、PCB（固定引脚和LED灯芯用）、金属引脚（贴片型，不用）。其中，多个LED发光二极管（分别跟字母a、b、c、d、e、f、g、h对应）通过在PCB上的巧妙布局，形成了一个8字形的数字，且每个可显示的笔段由一个LED发光二极管对应。这样，通过外露出的引脚来控制每个LED发光二极管的亮或灭，就可以显示出特定的数字信息： 0、1、2、3、4、5、6、7、8，还有小数点h。图（3）是对应的内部硬件连线情况。 

3、分类

3-1、按显示位数分类

按能显示多少个“8”，可分为一位、两位、三位、四位或N位LED数码管。例如，四位数码管，表示一个这样的显示组件（显示屏）可以显示四个“8”字。见下图所示： 

3-2、按内部连接方式分类

为减少接口的引脚数量，LED数码管在内部通过共阴或共阳的方式把多个引脚连接在一起组成一个单引脚，简称：公共电极(COM)。一般分有：共阳型和共阴型，见下图： 

3-3、按数码管的高度分类

这种是按LED数码管的字体高度来命名的，比如说：0.36英寸一位数码管，0.36英寸就代表字体的高度，如果用厘米来换算即为9.1mm高度。常见的LED数码管有这几种高度： 0.28英寸、0.3英寸、0.32英寸、0.36英寸、0.39英寸、0.4英寸、0.5英、0.56英寸、0.8英寸、1.0英寸、1.2英寸、1.5英寸、1.8英寸等等。列如，下图是一个0.4英寸的LED数码管，这里它的8字形字体高度是10.16mm ，即0.4英寸： 

3-4、按数码管的发光颜色分类

这种分类是按LED数码管组件可以发光的颜色进行分类，一般有固定单色（如：红色、白色、黄绿色、翠绿色、橙色等等）和双色（支持2种颜色）、及全彩（RGB三基色）。通过使用不同颜色的LED灯，就实现不同的发光颜色。例如，下面两个LED数码管分别是单色、双色型。 

3-5、按数码管的封装分类

可分为贴片型和插件型。

4、优缺点

相比LCD/TFT液晶和OLED等显示器件，LED数码管的主要特点和优点有：

（1）主动发射型，因此具有亮度高、视角宽，室外应用也可清晰可辨。

（2）发光响应时间快！

（3）能在低电压、小电流条件下驱动发光，能与CMOS、ITL电路兼容。

（4）体积小，重量轻，抗冲击性能好。

（5）寿命长，使用寿命在5万小时以上，成本较低。

而它的缺点是：

（1）厚度高，体积较大、重。

（2）耗电大。

（3）能显示信息的内容少。

5、驱动方式

LED数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字，因此根据LED数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。

5-1、静态显示

静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个主控芯片（如单片机）的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多，如驱动8个数码管静态显示则需要8×8=64根I/O端口来驱动! 一般的单片机或ARM是没有这么多IO可用的，实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。下图是一个静态驱动范例： 

5-2、动态显示

LED数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。下图，是一个LED数码管在温度计中的应用，这个电路采用了动态驱动的方式，单片机的引脚D0~D6输出所需要的数字代码，而引脚D8~D11分别控制需要在哪个位置显示什么样的数字代码。 

6、LED 数码管的选型

A、字体高度或尺寸，如0.4寸、0.56寸、0.8寸等等

B、 数码管的位数，确定一个显示组件，最大可以显示的内容。

C、 数码管的发光颜色（发光的波长），如：单红，黄，蓝，绿，白，RGB七彩等等；

D、数码管的亮度，普通亮度或高亮等。

E、数码管的工作电压和电流。

F、表面丝印（面板）的颜色，一般有乳白、黑色或灰色等等。

G、内部连接方式：共阴或共阳。

H、工作寿命。

I、工作温度和湿度。

J、其它性能，如：防水等级，防尘，防紫外线，耐破裂，耐燃，超强抗冲击老化等等

7、检测及使用注意事项

7-1、外观上的检查

LED数码管外观要求颜色均匀、无局部变色及无气泡等。

7-2、电性能上的检测

对数码管的检测，跟检测LED发光二极管是一样的。一般可用数字万用表进初步检测。以下图为例，介绍一下检测方法： 

将万用表的公共表笔（黑表线）固定接触在LED数码管的公共阴极上，红色表笔去接触其它笔段的电极，如果能点亮某些段码，则表示这是一个共阴极的LED数码管，反之（需把两根表笔进行对换），是共阳极的LED数码管。

通过用这种简单的方法就可检测出数码管各个引脚的对应关系(a~g), 以及是否有断笔(某笔画不能显示)，或连笔(即短路、某些笔画连在一起)，并且可相对比较出不同的笔画发光的强弱性能。

7-3、使用注意事项

① 一般的LED数码管，每笔画工作电流I在5～30mA之间，若电流过大会损坏数码管，使用前，需确定工作电压和电流，和加上适当的限流电阻！

② LED数码管对静电有敏感，特别是蓝色、翠绿色、白色的LED数码管，应该在作业和运输时有防静电措施。

③尽量避免机械震动和撞击。

④ 焊接温度不能过高（260度左右即可），焊接时间应该在3秒以内完成。

⑤ LED数码管的表面，有些带有保护膜，防止在加工过程和使用前，显示屏的表面被划伤。因此在加工完毕，应把保护膜撕下来，以免影响显示效果。