Sterowanie wyświetlaczami LED – multipleksowanie

Kontynuujemy temat wyświetlaczy. W amatorskich konstrukcjach najczęściej spotyka się wyświetlacze LCD z wbudowanym sterownikiem – dane do tych wyświetlaczy wysyła się w postaci cyfrowej wprost z mikrokontrolera. O tym jak powinno to wyglądać od strony mikrokontrolera może kiedyś napiszę, a na razie opiszę sposób sterowania dużo prostszymi w budowie siedmiosegmentowymi wyświetlaczami LED.

Budowa i działanie wyświetlacza LED

Budowa wyświetlacza jest bardzo prosta – jest to zalewana obudowa z umieszczonymi wewnątrz kilkoma diodami elektroluminescencyjnymi, czyli LED’ami. Jest ich co najmniej siedem, co umożliwia wyświetlanie wszystkich dziesięciu cyfr i niektórych liter. Często występuje też kropka, która może być niewątpliwie przydatna przy wyświetlaniu liczb. Spotyka się też wyświetlacze z rozszerzoną ilością segmentów, mogące wyświetlić wszystkie litery alfabetu.

Aby wyświetlić daną literę, należy doprowadzić zasilanie do odpowiednich diod. Ważną rzeczą z tym związana jest to, że diody dla zmniejszenia ilości wyprowadzeń mają katody lub anody połączone ze sobą i wyprowadzone jako pojedynczy pin. Reszta z nich jest oznaczona kolejnymi literami alfabetu i rozmieszczona standardowo tak jak na rysunku poniżej:

Dla przykładu jeśli chcemy wyświetlić cyfrę 7 na wyświetlaczu ze wspólną katodą należy podać dodatnie napięcie zasilania do segmentów a, b i c.

Sterowanie przez multipleksowanie

Zwykle potrzeba aby wyświetlacz składał się z co najmniej kilku cyfr. Jak dosyć łatwo odgadnąć, każdy wyświetlacz (z kropką) potrzebuje dołączenia do aż ośmiu wyprowadzeń sterujących i zasilania do wspólnej anody lub katody. Osiem to cały port mikrokontrolera ośmiobitowego, a mają ich one co najwyżej kilka. Jakim sposobem zmniejszyć zapotrzebowanie wyświetlaczy na cenne wyprowadzenia?

Odpowiedzią jest multipleksowanie, czyli naprzemienne korzystanie z wyprowadzeń. Wbrew pozorom jest to łatwe do osiągnięcia – jedynymi dodatkowymi elementami potrzebnymi do sterowania wyświetlaczami będą tranzystory kluczujące. Całość może wyglądać jak na schemacie poniżej:

Zapotrzebowanie na wyprowadzenia znacznie się zmniejsza – pd teraz potrzeba ośmiu sterujących segmentami i po jednym na każdą dodatkową cyfrę wyświetlacza. Do wszystkich wyświetlaczy doprowadzany jest taki sam sygnał. Jak to ma działać? Kluczem do zrozumienia jest tutaj właściwość ludzkiego oka, które nie zauważa migotania obrazu jeśli dzieje się to z dużą częstotliwością. Przy sterowaniu wyświetlaczami poprzez multipleksowanie mikrokontroler lub inny sterownik zapala w danym momencie tylko jeden wyświetlacz poprzez klucz tranzystorowy odcinający lub podający zasilanie. Podczas przełączania powinny zostać również zostać zmienione sygnały podawane do segmentów. Dzięki temu trickowi choć wyświetlacze świecą się naprzemiennie to na każdym z nich może być wyświetlana inna treść.

Ostatnią ważną rzeczą jest zasilanie wyświetlaczy – przy pracy naprzemiennej prąd podawany do segmentów należy zwiększyć tak, aby jego wartość średnia podczas pracy wyświetlacza była równa nominalnemu prądowi pracy. Diodom to nie powinno zaszkodzić, choć warto sprawdzić maksymalna wartość płynącego prądu, która jest do zaakceptowania i czas w jakim podwyższony prąd może się utrzymywać. Np. gdy mamy dwa wyświetlacze, a prąd nominalny diody wynosi 20mA, segmenty powinny być zasilane prądem 40mA. Dzięki temu możliwe jest uzyskanie odpowiedniej jasności świecenia.

Podobny sposób jest wykorzystywany przy sterowaniu wyświetlaczami VFD, można też go używać do sterowania matrycami LED czy innymi efektami świetlnymi.