5.3. Устройства индикации: светодиоды, семисегментные индикаторы, индикаторы логического выхода с тремя состояниями

В этом параграфе мы научимся подключать различные типы светодиодных индикаторов к выходам микроконтроллера. Основываясь на полученных ранее сведениях об электрических характеристиках светодиода видимого спектра излучения, мы рассмотрим, как подключить к МК линейку из восьми светодиодов и семисегментный индикатор. Далее мы обсудим, проблемы сопряжения с семисегментным индикатором больших размеров. Завершим параграф рассмотрением оригинальной схемы индикации состояния типичных для микропроцессорной техники выходных логических буферов с тремя состояниями.

5.3.1. Светодиоды

В процессе наладки любой микропроцессорной системы крайне удобно использовать светодиоды для индикации состояния тех или иных логических выходов. Светодиод имеет два вывода: анод (+) и катод (–). Для того, чтобы светодиод излучал, напряжение между анодом и катодом должно быть положительным. Светодиоды характеризуются двумя основными параметрами: рабочим током и напряжением прямого смещения. Типичные значения рабочих токов светодиодов лежат в диапазоне от 10 до 15 мА, при этом прямое падение напряжения составляет 1,5 В.

а) Подключение светодиода

б) Подключение «линейки» из восьми светодиодов

в) Подключение семисегментного индикатора

Рис. 5.7. Примеры схем подключения светодиодных индикаторов к МК

На рис. 5.7,a показана схема подключения светодиода к выводу МК. В параграфе 5.1.2 мы убедились в невозможности подключения светодиода непосредственно к выводу МК. Выходные буферы МК не способны обеспечить величины тока светодиода, достаточной для свечения с приемлемой для человеческого глаза яркостью. Поэтому в приведенной схеме использован буферный элемент 7404. При выборе буферного элемента следует убедиться, что максимальное значение выходного тока нуля I_OL этого элемента не ниже номинального значения прямого тока светодиода 10…15 мА. Так для выбранной модели элемента 7404 максимальное значение выходного тока логического нуля составляет 16 мА.

В схеме рис. 5.7,a логический элемент должен обязательно быть с инверсией на выходе. Тогда если выход МК в состоянии логической 1, выход элемента в 0, по цепи светодиода протекает ток, и светодиод светится. Наоборот, если на выходе МК логический 0, выход логического элемента в 1, и светодиод погашен. Для правильной работы схемы напряжение V_CC должно обязательно превышать напряжение прямого смещения светодиода 1,5 В. Для выбранного значения V_CC подбирается резистор R, величина которого ограничивает ток светодиода. Выбирая величину V_CC отличной от напряжения питания МК, необходимо помнить, что, если в цепи светодиода ток отсутствует, то напряжение V_CC прикладывается к выходному буферу логического элемента. Для обычных логических элементов это напряжение не превышает 5,0 В, а для элементов с повышенным коллекторным напряжением — 15 В.

Пример. Определите величину сопротивления резистора R на рис. 5.7,а. Предположите, что прямой ток светодиода должен быть равным 15 мА.

Решение. Падение напряжения на резисторе R в цепи рис. 5.7,а составляет:

V_R = V_CC  – V_D – V_OL = 5,0 – 1,5 – 0,4 = 3,1 В

Тогда величина сопротивления резистора определяется неравенством:

R ≥ V_R / I_D = 3,1 В/15 мА = 206 Ом.

Выбираем ближайший к расчетному значению номинал резистора 220 Ом.

Очень часто разработчик желает индицировать состояние всех линий какого-либо порта. Для этой цели удобно использовать так называемые линейки светодиодов, которые подобно DIP переключателям сгруппированы по 8 и смонтированы в корпусе, который размещается на посадочное место для DIP. Схема подключения такой линейки светодиодов показана на рис. 5.7,б. С точки зрения конструктивного исполнения для такой схемы целесообразно использовать резисторную сборку, что и отражено на рис. 5.7,б.