【电子电路基础实验】LED点阵（上--硬件部分）

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记录一段旅程–使用74HC595串转并8位移位寄存器来控制LED点阵。

背景

点亮了一颗led，就会想点亮更多的led灯，或许还会想用led灯来显示数字、图案之类的东西。

主题活动

1. 探讨74HC595和LED点阵之间的电气与数字接口，因为我们这次的主要活动是使用74HC595来驱动LED点阵。
2. 点亮以及熄灭一个点：讨论单片机IO口上的数字信号是如何传递到LED点阵上指定的位置上的。
3. 显示一些数字。
4. 显示一些图案。

为了使篇幅简短一些，这次只进行第一个主题活动，二三四在下篇进行。

一、 74HC595和LED点阵之间的电气与数字接口

电气接口

起一个简单的头，我们先来看看手里的普中开发板是怎么处理这个问题的。由于led点阵与74HC595以及单片机IO共同形成led点阵模块，为了确保分析的完整性，需要将led点阵与单片机IO间的接口一并讨论。



为了让事情变得简单一点，我们先从上面的复合电路中抽取基本单元来加以分析。

第一眼看到这个图有一点点吃惊，因为先不管74HC595是ttl器件还是cmos器件，在VCC=5V的条件下，Q_n输出的高电平都肯定会大于4V。但是红色LED的正向压降基本在2V以下，如果74HC595的管脚能提供相当大的电流，比如大于500mA的驱动力，led会先被烧坏，但是好巧不巧，74HC595的管脚驱动力最值为35mA，那么在led烧坏前，74HC595的输出MOS管的导通阻抗有可能由于受损而增大，反倒适配了led的工作要求。

当然上面说的只是我个人感觉，感觉过得去就过得去的感觉，也不存在一个吃席的风险，反正灯也能正常亮起来，设计合不合理我也不在乎，只是对这种厂家（不用加限流电阻省钱）和用户双赢的设计表示很赞，让人有有一种想了解实际工况的冲动。

为了方便对比，只测试QA和QH上亮灯时的工作情况，并在QA输出端与led之间增加150R限流电阻。由于74HC595的每个输出管脚驱动8个灯，所以每个电路采集8组数据，提前注明VCC=5.2V。

索引	Ea(V)	Eb(V)	Ec(V)
1	1.909	1.425	0.457
2	1.909	1.427	0.460
3	1.913	1.437	0.458
4	1.909	1.430	0.456
5	1.902	1.419	0.454
6	1.904	1.421	0.453
7	1.903	1.423	0.453
8	1.902	1.421	0.452

根据上面的数据，再依赖一个感觉仙人的这么一个概念，当驱动1颗led灯时，8条数据大差不差。取第一条数据来看，二极管的正向导通电压为1.425-0.457=0.968V，支路上的电流是(1.909-1.425)/150 = 3.23mA。

接下来看看H通道不加限流电阻的情况。QH’是不小心画上去的，这里不予理睬。

索引	Ea(V)	Eb(V)
1	1.458	0.457
2	1.466	0.457
3	1.458	0.458
4	1.460	0.457
5	1.460	0.454
6	1.462	0.453
7	1.461	0.454
8	1.469	0.452

同样也是依赖感觉，我觉得只需要用第一条数据就行了。能知道的信息就是二极管的正向导通电压是1.458-0.457=1.001V。对比前面测试的情况，发现两种情况单片机IO口上的电压也是差不多的。

后来又发现当74HC595每条输出线同时驱动八颗LED时情况有点不对劲，这次的led灯明显没有前面刺眼睛了。同时驱动8颗led和只驱动1颗led的情况对比，8路led的正向导通电压为0.905V，和前面的感觉也没差多少，比较明显的区别在于QA和QH端口上，单片机IO的端口上的电位差得就有点多了。对比3种情况感觉是VCC和QA之间，单片机IO和GND之间有不可忽略的阻抗。

再从74HC595的手册中找出输出管脚的结构。89c52单片机的P0口是mos开漏输出，在这个例子中，只考虑74hc595和单片机的mos导通电阻，就可以获得一个简单的等效电路。


从定性分析的角度来看，上面的电路可以解释测试单个led灯时的测试数据。但无法解释同时点亮8颗led与只点亮一颗led的不同之处，所以还需要下面的8颗led的组合结构图。8颗led是分别由不同的单片机IO控制的，结论已经很明显了，根据KCL，在Qn只能提供有限的电流的情况下，当每路led只能分到更少的电流时，单片机IO上的压降就会减少，同时表现出led不够亮的现象。

神奇的事情还在后面，我们来进行简单的定量分析，对比QA通道同时驱动八颗LED和只驱动1颗LED的情况。两次算出来的74HC575的输出MOS的导通电阻不同，这个电阻是可变的，当然我也不在乎，因为我觉得到这里就可以停手了，有些东西还是暂时还是少知道的好。驻足于此处，回头放眼望去，一路上的一草一木，一股对设计师的敬佩之情又涌上心头。

数字接口

数字接口其实很简单，将led灯亮状态记作1，灯灭记作0。Qn是74HC595的输出，Pn是MCU的输出。

Qn(in)	Pn(in)	LED state(out)
0	0	0
0	1	0
1	0	1
1	1	0

欲知后事如何，且听下回分解。