神奇的查理复用-驱动LED数码管

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在做消费类电子产品设计时，常因单片机的IO不够驱动LED而发愁，有一种电路利用了单机IO正反推驱动LED，其查理复用算法可让相同针脚数量的IO口点亮更多LED灯。理论上能达到N个I0口可以驱动 N*(N-1)个LED灯。

今天分享下，只需要5个IO就能驱动188数码管。其实现原理，利用IO口三态控制及程序编写控制正反推驱动LED，为了更方便理解后面电路工作原理，咱们由浅入深一步步来，先从简单的2个IO来说其工作原理吧。

图一，两个LED反并联连接，红色LED的阳极连接到绿色LED的阴极。

当IO1变为高电平，IO2 变为低电平时，则红色LED点亮，

当IO1变为低电平，IO2 变为高电平时，则绿色LED点亮。

这个明白后，咱们再加一个IO就能实现3个IO控制4个LED如下图二。

这个也好理解，如果再升级一下呢，如下图，MCU仅通过3个端口即可单独控制6个LED。那么其和IO1、IO2、IO3 都会接入各2个灯。那么如何工作呢？

1.IO1=高电平，IO2=低电平，IO3=高阻态;那么上述中 IO1->LED1->IO2和 IO1->(LED6+LED4)->IO2能各形成一个回路，由于两路形成并联,(LED6+LED4)和 LED1是并联，所以当电压被钳位到LED1的点亮电压(例如2.8v)，那么此时就只有 LED1点亮。LED6+LED4无法点亮。

2.IO1=高电平，IO2=高阻态（输入模式），IO3=0V;IO1->LED6->IO3同理LED6点亮;LED1+LED3 由于并联;LED6原因电压被钳位到比如2.4V，电压太低不足以点亮(LED1+LED3)2个灯。

3.IO1=高阻态（输入模式），IO2=高电平，IOP3=低电平;同理LED3点亮。(LED2+LED6)电压太低不足以点亮2个灯。以此类推，LED4,LED2,LED5点亮同理论。

上面如果你明白了，下面就好理解了，我们知道驱动一个1个8字数码管需要7个LED如下图，

那么我们用5个IO就能控制188型的数码管
A;为了更好的让layout画PCB，原理图还可以这样示意。
B;为了更好理让软件更好的编写程序原理图还可以这样，如第一个8字数码管示意。
第二个8字数码管示意。
硬件部分讲完了，咱们再讲解下软件部分--程序的编写思路

对于使用了“查理复用算法”的LED控制电路，程序开发基本思路步骤:

1.初始化所有端口为高阻态:

2.初始化指定LED灯对应的两个针脚为推挽输出:

3.设置两个针脚的高低电平变化:

如是重复 1、2、3步骤即可:

上面说了电路的优点（省IO），下面咱们再聊下这种电路的4个缺点。

1、LED 显示频率

“查理复用” 技术的原理就是每次点亮一个发光二极管，然后再设置点亮另一个，周期重复。（LED二极管是单极性的）但如果频率足够快，人眼会认为LED是一直亮着的。每个LED的刷新速率必须大于50HZ。

2、峰电流

“查理复用”当显示的数量变大，通过LED的平均电流必须(大约)大于一个维持它持续点亮的常数(不是每个MCU都适用），这要求增加相应的电流峰值，这将导致限制了使用“查理复用”显示数量的问题。如果MCU代码崩溃，已点亮的LED比传统的复用处在一个非常大的电压下，增加了一个危险故障隐患。

3、三态要求.

“查理复用” 要求单片机的IO必须有三态。如果电流足够低以至于不能直接驱动微控制器的 I/O引脚显示，但如果必须使用外部状态，每个三态一般需要两个输出线，以控制消除了一个“查理复用”显示优势。由于来自微控制器引脚的电流通常仅限于20mA，因此这严重限制了一个 “查理复用”显示的实际功耗。

4、正向电压的复杂性

“查理复用”矩阵比传统的复合矩阵明显更加复杂，无论是在所需的PCB板布局和微控制器编程，这增加了设计时间。当使用不同正向的电压的颜色LED，可能存在的问题就是我们不期望亮的LED会亮起。原因如下：

红色 LED：通常是 1.8V->2.2V。黄色 LED：通常是 2.0V->2.4V。

绿色 LED：大概在 2.2V->2.8V。白/蓝色 LED：通常是 2.8V->3.5V。

例如我们想点亮 LED1，可以让IO1=高，IO2=低，IO3=高阻（输入模式），这样LED1就亮起来了，但是如果LED1损坏时呢？当电源电压较高时(例如5V)，会形成图中箭头所示电流回路，造成LED4+LED5两只LED被意外点亮，然而用3V电压为什么没事呢？因为3V电压还没达到大部分LED压降的两倍，所以不会导致两只二极管串联导通(称之为二极管连锁现象)。同时所需的PCB板布局布线更绕。

最后是一些经验

硬件设计方面：

• 限流电阻：每个LED或段需串联电阻，防止过流（通常220Ω~1kΩ）。

• 二极管特性：LED反向耐压较低，避免反向电压（可并联反向保护二极管）。

• 引脚电流限制：确保单引脚电流不超过MCU额定值（如20mA/引脚）。
  

  软件优化方面：

• 扫描频率：建议>60Hz（每帧≤16ms），避免闪烁。

• 消隐处理：防止“鬼影”，切换数码管时短暂关闭所有段。

• 低功耗优化：其他空闲时引脚设为高阻态，减少静态功耗。

  常见问题

• 交叉干扰：因高阻态漏电导致相邻LED微亮，可通过降低扫描间隔或优化PCB布局加大距离解决。

• 亮度不均：扫描占空比不一致时，需调整每位数码管的显示时间。

• 驱动能力不足：对于大尺寸数码管，需增加晶体管或专用驱动芯片（如74HC595）。
  

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