点阵式led汉字广告屏的设计与制作毕业设计 - 图文 - 下载本文

4.1.1 LED点阵模块的选择

本设计采用四个8×8点阵红绿双色的LED模块拼接成一个16×16的单色模块使用。这样能获得较大的显示单元尺寸和发光亮度。

4.1.2 列驱动电路设计

如图4.1下面虚线框内,本设计中,每个16×16点阵的列驱动电路由两个串联的8位移位锁存器74HC595构成。74HC595,是为Motorola的SPI总线开发的一款串并转换芯片。由于74HC595的输入输出电平兼容LSTTL,NMOS,CMOS电平,且具有较强的输出负载能力,而被广泛地运用于MCU(微控制器)、MPU(微处理器)的I/O口扩展。

74HC595在5V供电的时候能够达到30MHz的时钟速度,每个并行输出端口均能承受20mA的灌电流和拉电流。这个特点保证了不用增加额外的扩流电路即可轻松的驱动LED。它输入端允许500nS的上升(下降)时间,对严重畸形的时钟脉冲仍能检测。这样就可以容纳较大的传输线对地电容,使本设计的抗干扰能力增强。

74HC595并行输出端与LED模块列线之间通过20Ω的电阻连接,这里电阻起到分压,去除红色LED的并联嵌位作用。使红绿两组LED均能正常发光。

由于LED显示屏的工作电流时刻在变化,造成了系统电压的波动。这种电压波动有高频成分,也有低频成分。轻则对周围无线电环境造成电磁污染,重则使系统时钟紊乱,逻辑错误。为避免此,在每个74HC595的电源VCC和GND旁边都并联了两个电容,用于滤波和退耦。稳定系统电压,旁路掉电源中的高频脉动成份。消除自激,减小对外杂散电磁辐射,提高EMI电磁兼容性。

74HC595的引脚及逻辑功能如图4.2

图4.2 74HC595管脚图 74HC595逻辑图

74HC595的管脚功能描述见表4.1: 管脚号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 管脚名称 QB QC QD QE QF QG QH GND SQH Reset 管脚功能描述 14 15 16 锁存器输出,三态 锁存器输出,三态 锁存器输出,三态 锁存器输出,三态 锁存器输出,三态 锁存器输出,三态 锁存器输出,三态 电源地 串行输出,用于级联。无三态输出功能 低电平有效,当此管脚上出现低电平时,将复位内部的移位寄存器,但不影响8位锁存器的值 Shift 移位寄存器时钟输入,上升沿将把A脚上的数据移入Clk 内部寄存器 Latch 锁存时钟输入,上升沿将把内部移位寄存器的值锁存Clk 起来 Output 低电平有效,将锁存器的输出映射到输出并行口Enable (QA-QH)上。当输入高电平时,高阻态,同时本芯片的串行输出无效 A 串行数据输入,数据从这个管脚移进内部的8位串行移位寄存器 QA 锁存器输出,三态 VCC 电源正,2-6V DC 表4.1 74HC595的管脚功能描述

4.1.3 行驱动电路设计

因为本设计要求的行驱动电流较大,目前尚无合适的集成电路来胜任。因此本设计的行驱动电路采用三极管扩流方式,如图4.3。

图4.3 两种三极管扩流方式(共集,共射)

共集驱动方式, 又称射极跟随器,当电源电压足够时,在负载上获得的电压始终等于基极对地电压Ub减去发射结压降Ube。硅管的Ube一般为0.7V左右,因此在5V供电系统中,在负载上最多能获得4.3V的电压,若Ic=1 A 则在三极管上的管耗为1A×0.7V=0.7W,管耗较大,需选用中功率的管子。还有一个重要的特点,共集电路的基极是用高电平驱动,而单片机在复位期间,所有I/O口都呈现高电平。这样的话,在开机上电复位的瞬间,在所有的行线上都会获得电压。而造成开机瞬间全屏显示或造成巨大的浪涌电流冲击,使电源电压跌落,单片机工作异常。

而使用共射驱动方式的话,同样的电源电压下,负载端能获得4.7V的电压,Ic=1A时的管耗只有0.3W。因此可选用小功率器件。共射电路的基极驱动是用低电平,这就不会造成上述共集电路的浪涌电流影响。同时,大部分单片机的I/O是弱上拉输出,也即是单片机能承受较大的灌电流,而只能提供微弱的拉电流。

因此,综合权衡利弊,本设计采用PNP管共射电路作为行扫描线驱动。现对行驱动电路各元件参数进行计算。

4.1.4 行驱动电路元件参数计算

假设条屏使用在极端情况下,每一行的所有LED全部点亮。每行共96点阵,每个点阵包含红色,绿色两个LED。因此每行共192个LED。普通LED的安全工作电流在5~20mA之间,为获得较高亮度,又要兼顾其工作寿命。本设计中,每只LED工作电流取15mA。

如此可知,当一行全点亮的时候

总电流: IT?IC?0.015A?192?2.88A;

管 耗: Pc=IC×VCEsat(管饱和压降)=2.88A×0.3V=0.86W;

STC12C系列单片机的每个I/O口能独立承受20mA的灌电流,也即是能够给共射驱动电路基极提供20mA的偏置电流。根据上述集电极电流和基极电流的比值,可计算出行扫描驱动三极管的直流电流放大系数β.

直流电流放大系数: ??IC2.88A; ??144Ib0.02A对于基极偏流电阻,则起到对基极20mA偏置电流限流作用:

基极限流电阻:R?Vcc?VBE5V?0.7V??86?; IB0.02A根据上述计算,综合其成本、封装、散热等因素考虑。本设计最终采用三只C8550D 小功率PNP管并联成一只PNP中功率管使用。其主要参数见图4.4 。C8550D官方数据手册摘录.

图4.4 C8550D官方数据手册摘录

从C8550D的官方数据手册上可知: 最大集电极电流: Ic=-1.5A; 最大集电极耗散功率:Pc=1W; 直流电流放大系数: β=160~300;

三管并联,其Ic可以扩展到4.5A,β不变,Pc扩展到3W。

本人所购买的50只同一批号的C8550D,经实测,β均在150左右。因此三管并联无须增加射极均流电阻。根据β确定基极电流Ib和基极限流电阻R分别为:

基极电流: Ib?则基极限流电阻:R?2.88A?19mA 150Vcc?Vbe5V?0.7V??226?。 Ib19mA在实际设计中,基极限流电阻使用标准序列值200Ω。采用贴片1206封装,便于缩小PCB体积,增加整体美感。

4.2 单片机控制系统电路设计

4.2.1 单片机的选型

根据方案论证的结果,本设计采用STC12C系列的STC12C5412AD作为主控芯片。STC单片机是深圳宏晶科技的IC产品。STC单片机完全兼容传统51内核,因此使用的编译器和指令代码都和传统51单片机相同。对于STC12C5412AD,主要特性见表4.2:(摘录自STC单片机官方数据手册)

STC单片机与8051单片机的性能比较 高速:一个时钟/机器周期,增强型51内核,平均速度可达到1MIPS/MHz 宽电压:5.5~3.8V 宽温限:-40℃~85℃ 高抗静电:ESD保护,轻松过4KV快速脉冲干扰(EFT测试) 低功耗:有空闲模式(工作电流小于1.3mA),掉电模式(可由外部中断唤醒,工作电流小于0.1uA),正常模式(工作电流2.7~7mA) 工作频率:可从0到48MHz,相当于传统8051主频0~576MHz 时钟:可选择外部晶体或内部RC振荡器