Maxim公司的MAX7219芯片用于動態掃描顯示驅動，芯片內有可存儲顯示信息的8x8靜態RAM、動態掃描電路以及段、位驅動器。它與通用微處理器有3根串行線相連，最多可驅動8個共陰數碼管或64個發光二極管。采用MAX7219芯片實現LED數碼顯示，具有電路緊湊、可節省CPU的I／O接口、芯片功能強大、編程簡單等優點，得到了廣大電路設計者認可。然而MAX7219的工作電壓為5 V，共陰極LED顯示驅動，只適用于3.5 V以下電壓驅動的LED數碼管，限制了其使用范圍。
本文提出一種基于MAX7219芯片，具有擴展驅動能力的LED數碼顯示電路。主要應用在大尺寸、高亮度LED數碼管的顯示電路。
1 電路器件功能簡介
1.1 MAX7219功能簡介
MAX7219為24引腳芯片，如圖1所示。有+5 V電源和2個GND引腳；DIG 0～DIG 7引腳為8位數字驅動線，輸出位選信號；SEG A～SEG G和SEG DP引腳為LED 7段驅動線和小數點線，供給顯示器驅動電流；SET引腳外接電阻調整LED顯示亮度；DIN（數據輸入端）、CLK（時鐘輸入端）、LOAD（鎖存信號）引腳，構成與通用微處理器3線串行線相連，接收的數據和命令格式為16位數據包；DOUT引腳是串行數據輸出端口，用于多片MAX7219級聯擴展顯示。
圖1 MAX7219的引腳分布
16位數據采用串行移位接收方式，即單片機將16位二進制數逐位發送到DIN端。在CLK上升沿到來前準備就緒，CLK的每個上升沿將一位數據移入MAX7219內移位寄存器，當16位數據移入完畢，在LOAD引腳信號上升沿將16位數據裝入MAX7219內的相應位置，在MAX7219內部硬件動態掃描顯示控制電路作用下實現動態顯示。對MAX7219的控制操作很方便，其片內具有8個位寄存器和6個控制寄存器。位寄存器對應LED的具體顯示內容，控制寄存器決定LED的工作方式。控制寄存器分別為：不工作方式寄存器、譯碼方式寄存器、亮度控制寄存器、掃描個數寄存器、關閉寄存器、顯示測試寄存器。寄存器的操作格式為2字節的串行數據，第一個字節為寄存器地址，第二個字節為控制命令或待顯示數據。
1.2 ULN2803驅動電路
ULN2803是摩托羅拉公司生產的具有高電壓、大電流的8路達林頓驅動器，廣泛應用于計算機、工業和消費類產品中。管腳連接見圖2所示，引腳1～8為8路輸入端，TTL電平驅動，引腳11～18為對應的8路集電極開路輸出口，上掛負載，最大工作電壓50 V，驅動電流可達500 mA，引腳10為COM端，當上掛電阻性負載時，引腳10開路；當上掛電感性負載時，引腳10接負載電源，構成在每個感性負載兩端并聯一個續流二極管以防止反電勢擊穿器件。
圖2 ULN2803管腳連接
1.3 大尺寸數碼管特性
圖3是型號80011B共陽高亮紅色8英寸數碼管各字段的組成。A～G 7個段都是由8只發光二極管串、并聯而成；DP是小數點，由3只發光二極管并聯而成。單個發光二極管的正向電壓標準值為2.1 V，極限值為2.5 V；正向電流標準值為20 mA，峰值為100 mA；功耗40 mW。正向電流If（20 mA）是長時間靜態驅動時的電流最大值，如果超過此值，將導致數碼管壽命下降，甚至損壞。峰值電流Ipeak（100 mA）是動態驅動時的脈沖電流最大值。80011B的A～G字段的導通電壓為10.5～12.5 V，單管脈沖電流一般選50 mA，超過50 mA后其亮度就不與電流成比例增加了。DP小數點要串接限流電阻，否則會造成發光二極管器件損壞。
圖3 80011B各字段的組成
2 大尺寸LED數碼顯示驅動電路設計
2.1 電路組成與原理
MAX7219工作時，在內部硬件動態掃描顯示控制電路作用下，實現動態顯示。DIG0～DIG7引腳接8位數碼管的公共端，其信號時序見圖4。當輸出數碼管位選信號DIG0～DIG7某位為低電平時，段碼線SEGA～SEGG和SEGDP輸出數據為所要顯示段碼，并驅動共陰極LED，實現8位數碼管動態循環顯示。
圖4 DIG0～DIG7引腳信號時序
圖5為8位共陽LED數碼顯示電路，圖中MAX7219引腳DIG0～DIG7位碼線分別接8片74LS273鎖存器11（CP）腳鎖存控制端，相當于片選信號；段碼線SEGA～SEGG和SEGDP以數據總線形式接在8片74LS273觸發器器的D0～D7輸入端；當DIG0～DIG7片選信號某一位是低電平時，數據總線D0～D7為對應的段碼數據；當片選信號11（CP）腳有一個上升沿，立即鎖存輸入腳的電平狀態，并立即呈現在輸出腳Q0～Q7上鎖存：DIG0～DIG7片選低電平信號循環掃描，將要顯示的數據段碼，分別送入對應的觸發器鎖存。
圖5 8位共陽LED數碼顯示電路
ULN2803接收74LS273鎖存器輸出信號，實現對數碼管的驅動顯示。ULN2803集電極開路輸出口上掛共陽數碼管的段碼引腳，共陽數碼管公共引腳接電源正極。當74LS273鎖存器輸出高電平時，ULN2803驅動數碼管對應段碼亮，反之滅。
2.2 電路幾點說明
1）數碼管顯示方式
MAX7219在內部硬件動態掃描顯示控制電路作用下，實現LED數碼管動態顯示。在本電路中采用74LS273觸發器鎖存各數碼管的段碼驅動信號，當MAX7219動態掃描完成一個周期后，可通過微處理器，控制MAX7219工作在休眠狀態，即不工作方式。此時數碼管為靜態顯示方式，通過74LS273鎖存的數據，由ULN2803驅動數碼管顯示。電路實現MAX7219間歇工作，只有在數碼管顯示改變的情況下，啟動MAX7219工作，完成數據更新鎖存后，進入不工作狀態，以節省功耗。
2）數碼管亮度控制
圖5中的數碼管供電電壓為最大電壓12.5 V，通過微處理器輸出脈寬調制信號PWM，控制PMOS管，調整數碼管供電電壓，實現數碼管亮度控制。由于數碼管供電電壓為最大允許電壓，提高了數碼管工作的安全系數，采用占空比調整數碼管亮度，可靠、方便。同時取消了A～G字段的限流電阻，降低了功耗。
3 結束語
基于MAX7219芯片的大尺寸LED數碼顯示驅動電路，保留MAX7219的使用優點的同時，實現了在顯示電路作用下的大尺寸數碼管的動態顯示，另外驅動電路可通過微處理器輸出的脈寬調制信號PWM，實現數碼管得兩度可調。經實驗測試證明該電路工作性能穩定，具有很高的實用價值。