LED電子禮花樹(shù)控制器設計

摘要：用LED取代小型燈泡作為電子禮花樹(shù)的顯示器件具有節電、工作壽命長(cháng)、高亮度、多發(fā)光顏色、響應快等優(yōu)點(diǎn)。依據LED顯示器件的特點(diǎn)及系統的可維護性和可擴充性需求，文章給出了一種電子禮花樹(shù)系統主板、LED顯示驅動(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LED顯示驅動(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；單片機；TPIC6B273

隨著(zhù)人們工作、學(xué)習、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(guān)。電子禮花樹(shù)作為美化、亮化工程的一項重要景觀(guān)，一直為人們所重視。但現有的電子禮花樹(shù)是以低壓小型燈泡作為光源，在實(shí)際使用中凸現出耗電大、使用壽命短、易損壞以及缺乏色彩等嚴重缺點(diǎn)。

ＬＥＤ是一種性能優(yōu)良的顯示器件，具有壽命長(cháng)、節電、高亮度、多種發(fā)光顏色、響應速度快和驅動(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)，而且具有節電、工作壽命長(cháng)、高亮度、多發(fā)光顏色、響應速度快等優(yōu)點(diǎn)，且在節省大量能源的同時(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，輔以適當的驅動(dòng)電路組成的。該控制器可在專(zhuān)用控制軟件的控制下進(jìn)行相應的工作。

圖1

１　硬件電路設計

為了保證系統良好的維護性能并滿(mǎn)足系統的可擴充需求，ＬＥＤ電子禮花樹(shù)控制器在硬件電路的設計上采用了插板式的模塊化設計方案。主控電路板和驅動(dòng)電路板分設為兩塊插板，各自完成獨立的不同功能，兩種插板按照等同大小的幾何尺寸來(lái)設計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動(dòng)電路板（依據ＬＥＤ電子禮花樹(shù)的規模大小而定）。主控電路板通過(guò)自定義的總線(xiàn)來(lái)控制各個(gè)驅動(dòng)電路板的工作。在實(shí)際工作中，所有的主控電路板和驅動(dòng)電路板都分別插在具有導軌的“機籠”中，各個(gè)插板之間主要通過(guò)２６芯的扁平電纜來(lái)實(shí)現總線(xiàn)的互連，因而可方便系統的擴充并使系統的維修變得簡(jiǎn)單、快捷。

１．１ 主控電路板設計

ＬＥＤ電子禮花樹(shù)是以嵌入式微處理器８９Ｃ５２（ＩＣ５）為核心，由于數據總線(xiàn)的數據只向外輸出，因此，數據總線(xiàn)和地址總線(xiàn)的數據在經(jīng)過(guò)７４ＨＣ２４４總線(xiàn)驅動(dòng)器（ＩＣ１、ＩＣ２）驅動(dòng)后，應送入互連總線(xiàn)以增加系統的抗干擾能力。而用可編程門(mén)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(mén)狗”定時(shí)器電路是用具有ＲＣ振蕩電路的波動(dòng)計數器、ＣＭＯＳ芯片ＣＤ４０６０（ＩＣ４）為主構成的，其中Ｃ１、Ｒ１和ＶＤ２組成上電復位電路。改變Ｒ２或Ｃ３的值就可以微調“看門(mén)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(mén)狗”定時(shí)器的工作時(shí)間。跳線(xiàn)開(kāi)關(guān)Ｋ１主要用于模擬禮花彈發(fā)射升空過(guò)程的工作速度設置，跳線(xiàn)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€(xiàn)的互連可通過(guò)專(zhuān)用接口（Ｚ１）來(lái)實(shí)現。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 驅動(dòng)控制電路板設計

本電路的驅動(dòng)電路板電路原理圖如圖２所示。為了系統擴展方便，該驅動(dòng)電路采用插板結構設計方案，每個(gè)輸出插板選用４個(gè)ＴＰＩＣ６Ｂ２７３做數據鎖存、功率驅動(dòng)及輸出工作。ＴＰＩＣ６Ｂ２７３如同７４ＬＳ２７３與ＭＣ１４１３的結合體（ＭＣ１４１３僅７路輸出驅動(dòng)，而ＴＰＩＣ６Ｂ２７３為８路輸出驅動(dòng)），它是由美國ＴＩ公司生產(chǎn)的集８位數據鎖存、功率驅動(dòng)為一體的８通道Ｄ型觸發(fā)器功率輸出器件，具有８位數據鎖存、數據驅動(dòng)輸出控制的復合功能。因此，該器件的應用電路設計十分簡(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(xiàn)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)輸出驅動(dòng)芯片（ＩＣ１、ＩＣ３、ＩＣ４和ＩＣ５）的選通、數據鎖存工作。由于采用了六位可變地址譯碼，因此，本ＬＥＤ電子禮花樹(shù)控制器可擴展驅動(dòng)２６＝６４塊驅動(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ＴＰＩＣ６Ｂ２７３負載的性能和電流限定）可驅動(dòng)三個(gè)并聯(lián)（３４５＝１３５ｍＡ＜１５０ｍＡ）和（依據ＴＰＩＣ６Ｂ２７３的負載電壓限定）２０只串聯(lián)ＬＥＤ（２．５２０＝５０Ｖ）。因此，ＴＰＩＣ６Ｂ２７３的每一位驅動(dòng)輸出在理論上可驅動(dòng)的ＬＥＤ為：?２．５２０?３＝１５０個(gè)。實(shí)際上，為了工作的可靠，應采用降額工作方式，即選擇驅動(dòng)一半數量的ＬＥＤ（約８０個(gè)）。每個(gè)電子禮花樹(shù)驅動(dòng)板有四個(gè)驅動(dòng)芯片，每個(gè)芯片８位，則每個(gè)電子禮花樹(shù)驅動(dòng)板可驅動(dòng)ＬＥＤ為：８０８４＝２５６０個(gè)。設計時(shí)可以此為基礎并根據電子禮花樹(shù)的大?。ㄊ褂茫蹋牛牡亩嗌伲﹣?lái)選擇不同數量的驅動(dòng)電路板。

２　控制軟件設計

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(guān)）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)軟件設計的主要任務(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(guān)。設計時(shí)?應首先為高空顯示景觀(guān)命名（如夢(mèng)幻世界、大地紅、滿(mǎn)天星等）?然后依據其景觀(guān)現象描繪和設計其具體工作過(guò)程，并依此來(lái)編寫(xiě)相應的顯示工作軟件模塊。一個(gè)電子禮花樹(shù)可設計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(cháng)時(shí)間工作使觀(guān)賞者感到乏味，每一個(gè)工作周期都以隨機方式產(chǎn)生一個(gè)顯示模塊工作順序并存于線(xiàn)性工作表中，控制程序通過(guò)依次查對線(xiàn)性工作表中的數據來(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(cháng)時(shí)間使用證明，系統工作可靠，優(yōu)點(diǎn)突出、明顯。