LED電子禮花樹(shù)控制器設(shè)計(jì)

摘要：用LED取代小型燈泡作為電子禮花樹(shù)的顯示器件具有節(jié)電、工作壽命長(zhǎng)、高亮度、多發(fā)光顏色、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。依據(jù)LED顯示器件的特點(diǎn)及系統(tǒng)的可維護(hù)性和可擴(kuò)充性需求，文章給出了一種電子禮花樹(shù)系統(tǒng)主板、LED顯示驅(qū)動(dòng)板的硬件原理電路及主程序的工作流程框圖，同時(shí)也對(duì)LED顯示驅(qū)動(dòng)芯片TPIC6B273進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹。

關(guān)鍵詞：禮花樹(shù)；LED；嵌入式系統(tǒng)；單片機(jī)；TPIC6B273

隨著人們工作、學(xué)習(xí)、休閑和娛樂(lè)環(huán)境的不斷改善，城市的美化、亮化工程也在不斷改觀。電子禮花樹(shù)作為美化、亮化工程的一項(xiàng)重要景觀，一直為人們所重視。但現(xiàn)有的電子禮花樹(shù)是以低壓小型燈泡作為光源，在實(shí)際使用中凸現(xiàn)出耗電大、使用壽命短、易損壞以及缺乏色彩等嚴(yán)重缺點(diǎn)。

ＬＥＤ是一種性能優(yōu)良的顯示器件，具有壽命長(zhǎng)、節(jié)電、高亮度、多種發(fā)光顏色、響應(yīng)速度快和驅(qū)動(dòng)電壓低等優(yōu)點(diǎn)。用ＬＥＤ取代低壓小型燈泡作為仿真禮花樹(shù)的光源器件，不僅可以克服其原有缺點(diǎn)，而且具有節(jié)電、工作壽命長(zhǎng)、高亮度、多發(fā)光顏色、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，且在節(jié)省大量能源的同時(shí)還可以使電子禮花的工作更加豐富多彩、引人入勝。

用ＬＥＤ作為顯示器件的電子禮花樹(shù)的控制器是以嵌入式微處理器為核心，輔以適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)電路組成的。該控制器可在專用控制軟件的控制下進(jìn)行相應(yīng)的工作。

圖1

１　硬件電路設(shè)計(jì)

為了保證系統(tǒng)良好的維護(hù)性能并滿足系統(tǒng)的可擴(kuò)充需求，ＬＥＤ電子禮花樹(shù)控制器在硬件電路的設(shè)計(jì)上采用了插板式的模塊化設(shè)計(jì)方案。主控電路板和驅(qū)動(dòng)電路板分設(shè)為兩塊插板，各自完成獨(dú)立的不同功能，兩種插板按照等同大小的幾何尺寸來(lái)設(shè)計(jì)ＰＣＢ板。一個(gè)ＬＥＤ電子禮花樹(shù)控制器僅需要一塊主控電路板和若干塊驅(qū)動(dòng)電路板（依據(jù)ＬＥＤ電子禮花樹(shù)的規(guī)模大小而定）。主控電路板通過(guò)自定義的總線來(lái)控制各個(gè)驅(qū)動(dòng)電路板的工作。在實(shí)際工作中，所有的主控電路板和驅(qū)動(dòng)電路板都分別插在具有導(dǎo)軌的“機(jī)籠”中，各個(gè)插板之間主要通過(guò)２６芯的扁平電纜來(lái)實(shí)現(xiàn)總線的互連，因而可方便系統(tǒng)的擴(kuò)充并使系統(tǒng)的維修變得簡(jiǎn)單、快捷。

１．１ 主控電路板設(shè)計(jì)

ＬＥＤ電子禮花樹(shù)是以嵌入式微處理器８９Ｃ５２（ＩＣ５）為核心，由于數(shù)據(jù)總線的數(shù)據(jù)只向外輸出，因此，數(shù)據(jù)總線和地址總線的數(shù)據(jù)在經(jīng)過(guò)７４ＨＣ２４４總線驅(qū)動(dòng)器（ＩＣ１、ＩＣ２）驅(qū)動(dòng)后，應(yīng)送入互連總線以增加系統(tǒng)的抗干擾能力。而用可編程門陣列芯片ＧＡＬ１６Ｖ８（ＩＣ３）作為輸出芯片的高端地址譯碼，既可簡(jiǎn)化譯碼電路，又可保證各輸出芯片地址譯碼的唯一性。硬件“看門狗”定時(shí)器電路是用具有ＲＣ振蕩電路的波動(dòng)計(jì)數(shù)器、ＣＭＯＳ芯片ＣＤ４０６０（ＩＣ４）為主構(gòu)成的，其中Ｃ１、Ｒ１和ＶＤ２組成上電復(fù)位電路。改變Ｒ２或Ｃ３的值就可以微調(diào)“看門狗”定時(shí)器的工作時(shí)間，而改變ＶＤ３正極引腳到ＣＤ４０６０輸出引腳的連接位置可以成倍地改變“看門狗”定時(shí)器的工作時(shí)間。跳線開(kāi)關(guān)Ｋ１主要用于模擬禮花彈發(fā)射升空過(guò)程的工作速度設(shè)置，跳線開(kāi)關(guān)Ｋ２用于模擬禮花彈高空爆炸過(guò)程工作速度的給定?？偩€的互連可通過(guò)專用接口（Ｚ１）來(lái)實(shí)現(xiàn)。ＬＥＤ電子禮花樹(shù)主控電路板的電路原理圖如圖１所示。

圖2

１．２ 驅(qū)動(dòng)控制電路板設(shè)計(jì)

本電路的驅(qū)動(dòng)電路板電路原理圖如圖２所示。為了系統(tǒng)擴(kuò)展方便，該驅(qū)動(dòng)電路采用插板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，每個(gè)輸出插板選用４個(gè)ＴＰＩＣ６Ｂ２７３做數(shù)據(jù)鎖存、功率驅(qū)動(dòng)及輸出工作。ＴＰＩＣ６Ｂ２７３如同７４ＬＳ２７３與ＭＣ１４１３的結(jié)合體（ＭＣ１４１３僅７路輸出驅(qū)動(dòng)，而ＴＰＩＣ６Ｂ２７３為８路輸出驅(qū)動(dòng)），它是由美國(guó)ＴＩ公司生產(chǎn)的集８位數(shù)據(jù)鎖存、功率驅(qū)動(dòng)為一體的８通道Ｄ型觸發(fā)器功率輸出器件，具有８位數(shù)據(jù)鎖存、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)輸出控制的復(fù)合功能。因此，該器件的應(yīng)用電路設(shè)計(jì)十分簡(jiǎn)潔。

圖２中，通過(guò)比較譯碼芯片７４ＨＣ６８８（ＩＣ２）和２－４譯碼芯片７４ＨＣ３９３（ＩＣ６）與跳線開(kāi)關(guān)Ｋ１等相配合能完成可變地址的譯碼，并可選擇各個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)芯片（ＩＣ１、ＩＣ３、ＩＣ４和ＩＣ５）的選通、數(shù)據(jù)鎖存工作。由于采用了六位可變地址譯碼，因此，本ＬＥＤ電子禮花樹(shù)控制器可擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)２６＝６４塊驅(qū)動(dòng)板。

電子禮花樹(shù)上的ＬＥＤ工作狀態(tài)是短時(shí)動(dòng)態(tài)工作狀態(tài)，且都選用超高亮度的ＬＥＤ作為發(fā)光元件，設(shè)其短時(shí)瞬態(tài)工作電流為４５ｍＡ（３～４倍的額定靜態(tài)工作電流），混合搭配使用的各色ＬＥＤ的平均管壓降為２．５伏，則各芯片的每一路輸出（依據(jù)ＴＰＩＣ６Ｂ２７３負(fù)載的性能和電流限定）可驅(qū)動(dòng)三個(gè)并聯(lián)（３４５＝１３５ｍＡ＜１５０ｍＡ）和（依據(jù)ＴＰＩＣ６Ｂ２７３的負(fù)載電壓限定）２０只串聯(lián)ＬＥＤ（２．５２０＝５０Ｖ）。因此，ＴＰＩＣ６Ｂ２７３的每一位驅(qū)動(dòng)輸出在理論上可驅(qū)動(dòng)的ＬＥＤ為：?２．５２０?３＝１５０個(gè)。實(shí)際上，為了工作的可靠，應(yīng)采用降額工作方式，即選擇驅(qū)動(dòng)一半數(shù)量的ＬＥＤ（約８０個(gè)）。每個(gè)電子禮花樹(shù)驅(qū)動(dòng)板有四個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片，每個(gè)芯片８位，則每個(gè)電子禮花樹(shù)驅(qū)動(dòng)板可驅(qū)動(dòng)ＬＥＤ為：８０８４＝２５６０個(gè)。設(shè)計(jì)時(shí)可以此為基礎(chǔ)并根據(jù)電子禮花樹(shù)的大小（使用ＬＥＤ的多少）來(lái)選擇不同數(shù)量的驅(qū)動(dòng)電路板。

２　控制軟件設(shè)計(jì)

ＬＥＤ電子禮花樹(shù)由樹(shù)干（用于模擬禮花彈發(fā)射升空過(guò)程）和樹(shù)枝（用于模擬禮花彈高空爆炸顯示景觀）兩個(gè)顯示部分組成。由于電子禮花樹(shù)工作在夜晚，作為支撐體的樹(shù)枝、樹(shù)干已極為模糊，樹(shù)枝、樹(shù)干上不同的ＬＥＤ顯示源的受控工作點(diǎn)亮過(guò)程將模擬出禮花彈由發(fā)射升空到爆炸的全部工作過(guò)程。

電子禮花樹(shù)軟件設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是模擬禮花彈的工作過(guò)程（發(fā)射－爆炸），尤其是以高空爆炸的顯示景觀。設(shè)計(jì)時(shí)?應(yīng)首先為高空顯示景觀命名（如夢(mèng)幻世界、大地紅、滿天星等）?然后依據(jù)其景觀現(xiàn)象描繪和設(shè)計(jì)其具體工作過(guò)程，并依此來(lái)編寫(xiě)相應(yīng)的顯示工作軟件模塊。一個(gè)電子禮花樹(shù)可設(shè)計(jì)１０～１６種顯示工作模塊，以增加顯示花樣。為了防止電子禮花樹(shù)長(zhǎng)時(shí)間工作使觀賞者感到乏味，每一個(gè)工作周期都以隨機(jī)方式產(chǎn)生一個(gè)顯示模塊工作順序并存于線性工作表中，控制程序通過(guò)依次查對(duì)線性工作表中的數(shù)據(jù)來(lái)決定哪一個(gè)模塊工作。由于顯示工作模塊的工作狀態(tài)千差萬(wàn)別，圖３僅給出了該電子禮花樹(shù)的主程序工作流程。

３　結(jié)束語(yǔ)

該ＬＥＤ電子禮花樹(shù)及其控制器經(jīng)過(guò)冬、夏惡劣環(huán)境條件下的長(zhǎng)時(shí)間使用證明，系統(tǒng)工作可靠，優(yōu)點(diǎn)突出、明顯。