【正文】 “TI杯”電子設(shè)計大賽報告A題：LED電子顯示屏的設(shè)計隊員：賴 波 2802107013隊員：漆志龍 2802107021隊員：朱維各 28021070122010527LED電子顯示屏的設(shè)計電子工程學(xué)院2008級 賴波 漆志龍 朱維各【摘要】本系統(tǒng)中的LED電子顯示屏采用基于AT89S52的單片機(jī)最小系統(tǒng)來控制，運(yùn)用串行通信方式輸出數(shù)據(jù)，具有占有引腳少，系統(tǒng)相對簡單的特點；通過簡單的編程修改顯示屏可以顯示不同的、相當(dāng)多的信息，且在必要的情況下可以擴(kuò)展更大的外部存儲器；顯示屏采用PCB制作，更加容易擴(kuò)展，更具有實用性。另外，此LED電子顯示屏的電源采用了開關(guān)電源模塊，具有電壓穩(wěn)點，效率高的優(yōu)點。該20*16電子顯示屏各點亮度均勻、充足，滿足了顯示數(shù)字和文字穩(wěn)定、清晰、無串?dāng)_的要求。關(guān)鍵詞： 單片機(jī)控制模塊 開關(guān)電源 效率 5*8點陣模塊 列驅(qū)動器單片機(jī) 電源 LED顯示點陣行 驅(qū)動器 LED電子顯示屏框圖1. 采用6塊市場上常見的8*8點陣?？旖M成24*16的大點陣，在編程的時候只利用其中的20列，余下的4列空置。此種設(shè)計從細(xì)處來看不符合項目的原意，且點陣模塊沒有充分的利用，浪費了空間和資源。2. 采用320個LED焊接成20*16的模塊，以滿足題目的要求。但是此種方法耗時且浪費資源，LED需要較大的驅(qū)動來滿足亮度要求。這樣焊接的顯示屏也不容易達(dá)到亮度均勻、充足，顯示文字清晰的基本要求。3. 采用6塊運(yùn)用相對較少的的5*8點陣模塊拼接成20*16的模塊。這種設(shè)計組合正好可以契合題目要求，而且容易實現(xiàn)電子顯示屏各點亮度均勻、充足，顯示數(shù)字和文字穩(wěn)定、清晰、無串?dāng)_的要求。由于引腳數(shù)量也不是很多，更容易操作。綜合考慮，本系統(tǒng)采用此方案。不論采用哪種方案，由于涉及到較多的焊接工作，究竟采用多層萬能板焊接，還是使用會具有眾多跳線的單層萬能板，亦或是使用PCB板來實現(xiàn)也是不得不面對的問題。考慮到PCB板具有焊接的便利性，系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及系統(tǒng)的整體美觀性，我們采取了運(yùn)用PCB板來實現(xiàn)的方案。（原理圖見附件） 電源模塊一、整流濾波模塊市電經(jīng)過整流濾波后可以變成比較平滑的直流，其原理如下圖：上圖畫出了電容濾波電路在帶電阻負(fù)載后的工作情況。接通交流電源后，二極管導(dǎo)通，整流電源同時向電容充電和向負(fù)載提供電流,輸出電壓的波形是正弦形。在時刻，即達(dá)到u2 90176。峰值時，u2開始以正弦規(guī)律下降，此時二極管是否關(guān)斷，取決于二極管承受的是正向電壓還是反向電壓。 先設(shè)達(dá)到90176。后，二極管關(guān)斷，那么只有濾波電容以指數(shù)規(guī)律向負(fù)載放電，從而維持一定的負(fù)載電流。但是90176。后指數(shù)規(guī)律下降的速率快，而正弦波下降的速率小，所以超過90176。以后有一段時間二極管仍然承受正向電壓，二極管導(dǎo)通。隨著u2的下降，正弦波的下降速率越來越快，uC 的下降速率越來越慢。所以在超過90176。后的某一點，例如圖5(b)中的t2時刻，二極管開始承受反向電壓，二極管關(guān)斷。此后只有電容器C向負(fù)載以指數(shù)規(guī)律放電的形式提供電流，直至下一個半周的正弦波來到，u2再次超過uC，如圖5(b)中的t3時刻，二極管重又導(dǎo)電。以上過程電容器的放電時間常數(shù)為 電容濾波一般負(fù)載電流較小，可以滿足td較大的條件，所以輸出電壓波形的放電段比較平緩，紋波較小，輸出脈動系數(shù)S小，輸出平均電壓UO(AV)大，具有較好的濾波特性。二、DCDC變換器模塊系統(tǒng)供電可以由線性穩(wěn)壓源或開關(guān)電源實現(xiàn)。①線性電源雖然結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)，但具有功耗比較大，效率低的缺點，故本系統(tǒng)不予采用。②開關(guān)電源具有功耗小，效率高，體積小，重量輕，穩(wěn)壓范圍寬等優(yōu)點，本系統(tǒng)采用開關(guān)電源實現(xiàn)供電。具體設(shè)計思路如下：①DCDC降壓變換器（Buck）主回路設(shè)計Buck電路工作原理：Buck電路組要由開關(guān)管，續(xù)流二極管，電感和電容組成。PWM控制器產(chǎn)生的控制信號來控制開關(guān)管的導(dǎo)通和截止。當(dāng)控制信號為高電平時開關(guān)管導(dǎo)通，電流流過開關(guān)管，流經(jīng)電感，向負(fù)載供電。同時向電容充電。當(dāng)控制信號為低電平時，開關(guān)管截止，沒有電流從開關(guān)管流過。但是由于電感和電容都有存儲能量的功能，所以即使沒有電流從開關(guān)管流過，電感也可以通過續(xù)流二級管向負(fù)載提供電流，同時由于電容兩端的電壓不能瞬間變化，在開關(guān)頻率足夠大的時候電容可以保持輸出電壓的穩(wěn)定。理論上講，電感值越大，電容越大和開關(guān)頻率越高，輸出電壓的變化范圍越小，輸出電壓越穩(wěn)定。PWM控制信號的高電平時間越長，輸出電壓越大；反之高電平時間越短，輸出電壓越小。②DC—DC變換器穩(wěn)壓原理 在輸入電壓或負(fù)載變化，要保證輸出電壓保持穩(wěn)定時，可以采用兩種方案。第一可以維持開關(guān)管的截止時間TOFF不變，通過改變脈沖的頻率f來維持輸出電壓U0的穩(wěn)定，這便是脈沖頻率調(diào)制（PFM）控制方式DCDC變換器；第二可以保持脈沖的周期T不變，通過改變開關(guān)管的導(dǎo)通時間TON，即脈沖的占空比q，以實現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定，這就是脈寬調(diào)制（PWM）控制方式DCDC變換器。由于目前已經(jīng)有各種型號的集成PWM控制器，所以DCDC變換器普遍采用PWM控制方式。PWM控制方式又有三種可選方案： 利用單片機(jī)產(chǎn)生PWM控制信號。讓單片機(jī)根據(jù)反饋信號對PWM信號做出相應(yīng)調(diào)整以實現(xiàn)穩(wěn)壓輸出。此方案實現(xiàn)起來比較靈活，可以針對特定的系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。但是系統(tǒng)調(diào)試比較復(fù)雜。 555時基電路是一種將模擬功能與邏輯功能巧妙結(jié)合在同一硅片上的組合集成電路，可以作為控制核心來控制DCDC開關(guān)電源電路。閥門端和觸發(fā)端的電平分別為電源的2/3和1/3，但可以由電壓控制端（CONT）來改變這兩個電平值。當(dāng)觸發(fā)端（TRIG）的電壓下降至比觸發(fā)電平低時，觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)輸出“1”，同時輸出端輸出高電平；當(dāng)觸發(fā)端（TRIG）的電壓高于觸發(fā)電平，而且閥門端（THRES）的電平也高于閥門電平時，觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)輸出“0”，同時輸出端（OUT）輸出低電平；復(fù)位端（RESET）與其他輸入端相比具有最高優(yōu)先權(quán)，當(dāng)復(fù)位端為低電平時，觸發(fā)器將被復(fù)位，而且輸出端為低電平。將復(fù)位端置低可以用來初始化一個新的定時循環(huán)。只要輸出端為低電平，泄放端（DISCH）將提供一個對地的低阻抗通路。但是此芯片不是專門的PWM控制芯片，調(diào)試起來相對比較復(fù)雜，不易實現(xiàn)控制。 TL494集成電路內(nèi)部電路如附件所示，它由振蕩器、D觸發(fā)器、死區(qū)時間比較器、PWM比較器、兩個誤差放大器、5V基準(zhǔn)電壓源和兩個驅(qū)動三極管等組成。當(dāng)TL494正常工作時，輸出脈沖的頻率取決于5腳和6腳所接的電容和電阻，表達(dá)式為 ，在電容CT兩端形成的是鋸齒波，該鋸齒波同時加給死區(qū)時間控制比較器和PWM比較器，死區(qū)時間控制比較器根據(jù)4腳所設(shè)置的電壓大小輸出脈沖的死區(qū)寬度，利用該腳可以設(shè)計電源的軟啟動電路、欠壓或過壓電路等。輸出調(diào)制脈沖寬度是由電容CT端的正向鋸齒波和4腳輸入的兩個控制信號綜合比較后確定的。當(dāng)外接控制信號電壓大于5腳電壓時，10腳輸出脈沖為低電平（設(shè)10腳為跟隨器輸出接法），所以隨著輸入控制信號幅值的增加，TL494輸出脈沖占空比減小。由于TL494是專用PWM控制芯片，調(diào)節(jié)起來相對比較簡單，且有成熟的應(yīng)用方案，故本設(shè)計選擇TL494作為PWM信號的提供電路。（內(nèi)部圖見附件）③DCDC變換器控制電路設(shè)計DCDC變換器控制電路選用集成PWM控制器TL494構(gòu)成，選擇振蕩電容CT為1000pF（），電阻RT為47 kΩ即可滿足要求。將110腳接地，將11腳并聯(lián)作為輸出端。為了保證輸出電壓U0穩(wěn)定，要引入負(fù)反饋，當(dāng)輸出電