数码管自诊断修复系统、方法及时间显示装置

技术领域

本发明涉及数码管领域，具体涉及一种数码管自诊断修复系统、方法及时间显示装置。

背景技术

LED作为抗震、节能、环保、高效的新型光源，在国民生活的各个方面的应用已经越来越广泛，采用数码管作为时钟显示单元，用以显示时、分、秒，提供时间服务。一旦数码管在运行过程中出现短路与断路等故障，不能正确显示时间信息，为生活带来诸多不便，影响正常使用。

根据上述问题，专利号为CN211402621U的专利公开了一种数码管运行状态检测系统,控制模块储存有数码管所能显示的所有字符的标准电流值，通过对电流检测模块测得的电流与内部存储的标准电流值做对比，可以获知数码管是否正常工作,对数码管LED实时进行从a到g共7个段码的集约式电流检测，通过与控制单元中记忆的标准电流进行对比，从而可以实现故障数码管及具体段码的诊断，并回传至控制模块做进一步处理。

此种检测算法软件实现困难复杂，虽然理论上能够定位到出现故障的段码，但是需要经过多次的推理与比较，定位效率低，并且只是通过数码管闪烁发出报警信息，没有提出解决方案。现有技术中LED出现损坏的情况时，首先需要检测到出现故障的段码，其次往往需要停止运行更换元件，影响正常的显示，维修工作量大。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种数码管自诊断修复系统、方法及时间显示装置，能够在线实时检测存在故障的段码并及时进行修复。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种数码管自诊断修复系统，包括：

电源模块，用于向自诊断修复系统供电；

自诊断模块，所述自诊断模块包括主位控制译码器、备位控制译码器、主段控制移位寄存器、备段控制移位寄存器、N位数码管，N为大于等于1的整数，其中：所述数码管由7个段码组成，每个所述段码均由两段LED串组成，主段LED串用于正常显示，备段LED串用于备用显示，主位控制译码器、主段控制移位寄存器的输出端分别与主段LED串电性连接，备位控制译码器、备段控制移位寄存器的输出端分别与备段LED串电性连接；

MCU控制模块，所述MCU控制模块先利用主段控制移位寄存器、备段控制移位寄存器进行段选，再利用主位控制译码器、备位控制译码器实现位选，所述MCU控制模块检测出主段LED串测试端电压超出阈值范围后，自动切换到备段LED串工作。

优选地，所述数码管采用共阳极的连接方式；

所述主段控制移位寄存器的各输出端分别与对应主段三极管的基极相连，所述主段三极管的集电极与主段LED串负极相连，所述主段三极管的发射极与主段电阻的第一端相连，所述主段电阻的第二端接地，所述主段三极管的发射极引出测试端PA与所述MCU控制模块AD采样端相连；

所述备段控制移位寄存器的各输出端分别与对应备段三极管的基极相连，所述备段三极管的集电极与备段LED串负极相连，所述备段三极管的发射极与备段电阻的第一端相连，所述备段电阻的第二端接地；

所述主位控制译码器的各输出端分别与对应主位三极管的基极相连，所述主位三极管的集电极与M个主段LED串的正极相互连接,所述主位三极管发射极与电源VCC相连；

所述备位控制译码器的各输出端分别与对应备位三极管的基极相连，所述备位三极管的集电极与M个备段LED串的正极相互连接,所述备位三极管的发射极与电源VCC相连。

优选地，所述主段控制移位寄存器的各输出端分别与对应基极电阻R3的一端相连，基极电阻R3的另一端与所述主段三极管的基极相连，所述主段三极管发射极与电阻R4和主段电阻R5相连，所述主段电阻R5的另一端接地,所述电阻R4的另一端引出测试端PA,所述测试端PA通过开关二极管电性连接电源VCC′，通过电容C1接地。

本发明还提供了一种数码管自诊断修复方法，其特征在于，包括：

S1、对电路上电进行初始化；

S2、判断第一位数码管故障标志位是否为零，如果是，则进入S4，如果否，则进入S3；

S3、故障段码切换到的备段LED串工作；

S4、显示所述数码管预先设定的字符；

S5、检测下一位数码管各段码的测试端PA电压值是否超过阈值；

S6、通过电压阈值范围判断是否存在故障、故障段码、故障类型；

S7、若无故障则进行步骤S4，若有故障则进行步骤S3。

优选地，检测到数码管某一段码主段LED串有故障时，上传报警信息，显示故障段码，故障类型。

优选地，所述电压阈值范围包括断路电压阈值范围和短路电压阈值范围。

优选地，断路电压阈值范围为测试端PA电压值在0.05V至0.5V之间。

优选地，短路电压阈值范围为测试端PA电压值大于U1-U2-U3-(m-n)U4+ΔU。其中：

电源VCC的数值是U1，主段三极管的饱和压降是U2，主位三极管的饱和压降是U3，主段LED串由m个发光二级管串联组成，n为发生短路的发光二极管个数，m、n为大于1的整数，且n小于等于m，单个所述发光二级管压降为U4，ΔU为修正系数。

本发明还提供了一种数码管时间显示装置，包括所述的数码管自诊断修复系统。

优选地，数码管时间显示装置采用8位数码管，每位数码管的7个段码按日字形排列，用以显示时、分、时与分之间的冒号、秒及分与秒之间的冒号。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)MCU控制系统通过实时检测各段码的测试端的电压值，监测发生故障的故障段码及故障类型，定位出现故障的段码速度快，定位精准。

2)每一个段码均由两段LED串组成，实时检测出某一段码的主段LED串出现故障时可以及时切换到备段LED串工作，不影响数码管正常的时间显示。

3)将故障段码切换到备段LED串工作的同时，上传报警信息，显示故障段码，故障类型，方便后期选择合适的时机进行维修。

3)本发明数码管自诊断修复方法，算法简单，相应快，不需要外加元器件。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例数码管自诊断修复系统电路示意图；

图2是本发明实施例数码管的段码中主段LED串电路连接方式示意图；

图3是本发明实施例数码管时间显示装置示意图；

图4是本发明实施例数码管时间显示装置自诊断修复方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“连接”等指示部件之间的连接关系，该术语应做广义理解，例如，可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个部件内部的连通或两个部件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示的一种数码管自诊断修复系统，包括：用于向自诊断系统供电的电源模块、自诊断模块和MCU控制模块，自诊断模块包括主位控制译码器SM74HC138、备位控制译码器SM74HC138、主段控制移位寄存器74HC595D、备段控制移位寄存器74HC595D、N位数码管，每位数码管均由a～g共7个段码组成，N为大于1的整数，图1仅为一位数码管电路连接图,其他数码管连接方式依次类推,数码管的数量可为本电路译码器输出端能控制范围内的任意数量。

数码管每个段码均由两段LED串组成，主段LED串用于正常显示，备段LED串用于备用显示，LED串由若干个LED串联组成，LED的数量可以根据具体应用调整，MCU控制模块检测出主段LED串测试端电压超出阈值范围后，自动切换到备段LED串工作。

数码管采用共阳极的连接方式，主段控制移位寄存器74HC595D的各输出端分别与对应主段三极管Qa的基极相连，所述主段三极管Qa的集电极与主段LED串的负极相连，主段三极管Qa发射极与主段电阻Ra的第一端和MCU控制模块的A/D采样端连接在一起，所述主段电阻Ra的第二端接地。

每一个主段控制移位寄存器74HC595D的工作输出端数量与主段三极管Qa数量、数码管段码数量一致，即如果数码管包含7个段码，需要主段控制移位寄存器74HC595D的7个输出端工作，每个工作输出端连接一个主段三极管。

主段控制移位寄存器优选采用74HC595D，也可以是其他能实现段选功能的移位寄存器/锁存器。

备段控制移位寄存器74HC595D的各输出端分别与对应备段三极管Qa′的基极相连，所述备段三极管Qa′的集电极与备段LED串负极相连，所述备段三极管Qa′的发射极与备段电阻Ra′的第一端相连，所述备段电阻Ra′的第二端接地。

每一个备段控制移位寄存器74HC595D的工作输出端数量与备段三极管Qa′数量、数码管段码数量一致，即如果数码管包含7个段码，需要备段控制移位寄存器74HC595D的7个输出端工作，每个工作输出端连接一个备段三极管Qa′。

备段控制移位寄存器优选采用74HC595D，也可以是其他能实现段选功能的移位寄存器/锁存器。

主位控制译码器SM74HC138的输出端分别与对应主位三极管Q1的基极相连，所述主位三极管Q1的集电极与主位LED串的正极相互连接，所述主位三极管Q1发射极与电源VCC相连。

每一个主位控制译码器SM74HC138的工作输出端数量与主位三极管Q1数量、数码管数量N一致，即如果是控制3位数码管，需要主位控制译码器的三个输出端工作，每个工作输出端连接一个主位三极管Q1。

主位控制译码器优选采用SM74HC138，也可以采用其他能实现位选功能的译码器。

备位控制译码器SM74HC138的各输出端分别与备位三极管Q1′的基极相连，所述备位三极管Q1′的集电极与备段LED串的正极相互连接，备位三极管Q1′的发射极与电源VCC相连。

每一个备位控制译码器SM74HC138的工作输出端数量与备位三极管Q1′数量、数码管数量N一致，即如果是3位数码管，需要备位控制译码器的三个输出端工作，每个工作输出端连接一个备位三极管Q1′。

备位控制译码器优选采用SM74HC138，也可以采用其他能实现位选功能的译码器。

图1所示实施例是数码管采用共阳极的连接方式，在本发明思路下数码管也可采用共阴极的连接方式，电路连接方式稍作变形，这里不再赘述。

MCU控制模块优选采用STM32F103RCT6，也可以采用其他能实现控制功能的单片机。包含上述自诊断修复系统的数码管显示装置通过动态扫描的方式显示信息，先段选后位选，MCU控制模块利用74HC595D移位寄存器/锁存器实现段选，74HC595D输出端与数码管的7个段码分别相连，送出相应的高低电平实现相应的显示，MCU控制模块通过控制SM74HC138译码器实现位选，SM74HC138的真值表如下表1所示，在

表7 SM74HC138译码器的真值表

注：H表示高电平，L表示低电平，×表示任意电平

STM32F103RCT6运用ADC采样每一段码主段LED串测试端PA的电压值，通过测定测试端PA电压阈值范围判断主段LED串是否出现短路或者断路故障，一旦检测到故障，所述段码立即启用备段LED串用于显示时间，保证正常使用。

优选的，测试端PA电路进一步改进，如图3所示，所述主段控制移位寄存器74HC595D的输出端与基极电阻R3的一端相连，基极电阻R3的另一端与所述主段三极管Qa的基极相连，所述主段三极管2发射极与电阻R4和主段电阻R5相连，所述主段电阻R5的另一端接地,所述电阻R4的另一端引出测试端PA,所述测试端PA通过开关二极管电性连接电源VCC′，通过电容C1接地。

主位三极管Q1的基极通过电阻R1与主位控制译码器SM74HC138输出端电性连接，电阻R2连接在所述三极管1的发射极与基极之间。

针对本发明数码管自诊断修复系统，提供了一种数码管自诊断修复方法，包括如下步骤：

S1、对电路上电进行初始化；

S2、判断第一位数码管故障标志位是否为零，如果是则进入S4，如果否则进入S3；

S3、故障段码切换到的备段LED串工作；

S4、显示所述数码管预先设定的字符；

S5、检测下一位数码管各段码的主段LED串测试端PA电压值；

S6、判断各段码测试端PA电压值是否超过阈值；

S7、通过电压阈值范围判断是否存在故障、故障段码、故障类型；

S8、若无故障则进行步骤S4，若有故障则进行步骤S3；

进一步的，检测到某一所述段码主段LED有故障时，上传报警信息，显示故障段码，故障类型。

所述电压阈值范围包括断路电压阈值范围和短路电压阈值范围，断路电压阈值范围为测试端PA电压值在0.05V至0.5V之间，短路电压阈值范围为测试端PA电压值大于U1-U2-U3-(m-n)U4+ΔU。其中：VCC的数值是U1，三极管1的饱和压降是U2，三极管2的饱和压降是U3，主段LED串由m个发光二级管串联组成，n为发生短路的发光二极管个数，m、n为大于1的整数，且n小于等于m，单个所述发光二级管压降为U4，ΔU为修正系数。根据测试端PA的电压值可以判断短路发光二极管的位置和数量。

下面以包含上述自诊断电路的数码管时间显示装置为例，详细分析自诊断修复方法工作原理和过程。

数码管时间显示装置中，6位数码管各由7个段码按日字形排列，分别用以显示时、分、秒，2位数码管用以显示时与分之间的冒号、分与秒之间的冒号，时、分、秒每一位的每个段码、时与分以及分与秒之间的两个冒号都由两段串联在一起的两个LED组成，分为主段LED串、备段LED串，检测每个主段LED串的短路与断路情况是相同的。

时间显示模块每一个段码的LED连接方式如图3所示，每个LED有正常、断路与短路三种情况，两个LED串联在一起，可列出的故障情况如表2所示。从表中分析可得，理论上LED出现短路与断路共可造成阻抗无穷大、阻抗为0与阻抗变为原来的1/2三种情况，每一种情况都会造成MCU控制系统的PA端检测电压的变化，通过对电子元件的工作参数的分析以及多次实验，可以确定出现每一种情况时PA端口检测电压的阈值，根据对阈值的判断诊断出每一个段码的状态。算法过程如下：

图3中电源VCC的数值是5V,两个硅型三极管的饱和压降均为0.3V左右，本发明所用的LED的正向压降为1.8V左右，VCC′的数值是3.3V,理论上在正常状态下PA端测得的电压值应为0.8V左右，在其中任何一个LED出现断路时，PA端口测得的电压值应为0V；在其中任何一个LED出现短路时，PA端口测得的电压值应为：

U1-U2-U3-(m-n)U4+ΔU＝5-0.3-0.3-1.8＝2.6V；

两个LED同时出现短路时，PA端口测得的电压值应为：

U1-U2-U3-(m-n)U4+ΔU＝5-0.3-0.3＝4.4V；

此时连接的开关二极管导通，起到钳位保护作用，测试端PA测得的电压值为3.3。

经过多次测试，两个LED之中任何一个发生断路时，ADC采样的电压值小于0.3V，任何一个发生短路时，ADC采样的电压值为2.6V，同时发生短路时，ADC采样的电压值大于3.2V，基本和理论推导值相同。所以，可以设定ADC采样的电压值在0.05V至0.5V之间作为断路的电压阈值范围，ADC采样的电压值大于2V时(修正系数为-0.6V)，断定主段LED出现了短路，随后立即启用备段LED。

表2段码的主段LED串出现故障的分类表

针对不同的电源电压的不同及三极管饱和压降、LED的正向压降的不同，电压阈值范围会不同，本领域的技术人员可以根据具体应用对电压阈值范围进行计算并修正，均在本发明的保护范围之内。

如图4所示，在本实施数码管时间显示装置中，数码管自诊断修复方法包括如下步骤：

步骤S1对电路上电进行初始化；

步骤S2：判断故障标志位是否为0，如果是，则进入S4，如果否，则进入步骤S3；

步骤S3：故障段码切换到的备段LED串工作；

步骤S4：显示时的十位；

步骤S5：ADC采样下一位数码管各段码测试端电压值是否超过阈值；

步骤S6：超过，有故障的段码切换到备段LED显示，上传报警信息，显示故障段码，故障类型；

步骤S7：显示时的个位；

步骤S8：重复S5，依次进行时与分冒号、分的十位、分的个位、分与秒之间的冒号、秒的十位、秒的个位数码管的检测、运行。

需要声明的是，上述具体实施方式仅仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员应该明白，还可以对本发明做各种修改、等同替换、变化等等。但是，这些变换只要未背离本发明的精神，都应在本发明的保护范围之内。另外，本申请说明书和权利要求书所使用的一些术语并不是限制，仅仅是为了便于描述。