LED电子礼花树控制器设计

LED电子礼花树控制器设计

关键词：礼花树；LED；嵌入式系统；单片机；TPIC6B273

随着人们工作、学习、休闲和娱乐环境的不断改善，城市的美化、亮化工程也在不断改观。电子礼花树作为美化、亮化工程的一项重要景观，一直为人们所重视。但现有的电子礼花树是以低压小型灯泡作为光源，在实际使用中凸现出耗电大、使用寿命短、易损坏以及缺乏色彩等严重缺点。

ＬＥＤ是一种性能优良的显示器件，具有寿命长、节电、高亮度、多种发光颜色、响应速度快和驱动电压低等优点。用ＬＥＤ取代低压小型灯泡作为仿真礼花树的光源器件，不仅可以克服其原有缺点，而且具有节电、工作寿命长、高亮度、多发光颜色、响应速度快等优点，且在节省大量能源的同时还可以使电子礼花的工作更加丰富多彩、引人入胜。

用ＬＥＤ作为显示器件的电子礼花树的控制器是以嵌入式微处理器为核心，辅以适当的驱动电路组成的。该控制器可在专用控制软件的控制下进行相应的工作。



１　硬件电路设计

为了保证系统良好的维护性能并满足系统的可扩充需求，ＬＥＤ电子礼花树控制器在硬件电路的设计上采用了插板式的模块化设计方案。主控电路板和驱动电路板分设为两块插板，各自完成独立的不同功能，两种插板按照等同大小的几何尺寸来设计ＰＣＢ板。一个ＬＥＤ电子礼花树控制器仅需要一块主控电路板和若干块驱动电路板（依据ＬＥＤ电子礼花树的规模大小而定）。主控电路板通过自定义的总线来控制各个驱动电路板的工作。在实际工作中，所有的主控电路板和驱动电路板都分别插在具有导轨的“机笼”中，各个插板之间主要通过２６芯的扁平电缆来实现总线的互连，因而可方便系统的扩充并使系统的维修变得简单、快捷。

１．１ 主控电路板设计

ＬＥＤ电子礼花树是以嵌入式微处理器８９Ｃ５２（ＩＣ５）为核心，由于数据总线的数据只向外输出，因此，数据总线和地址总线的数据在经过７４ＨＣ２４４总线驱动器（ＩＣ１、ＩＣ２）驱动后，应送入互连总线以增加系统的抗干扰能力。而用可编程门阵列芯片ＧＡＬ１６Ｖ８（ＩＣ３）作为输出芯片的高端地址译码，既可简化译码电路，又可保证各输出芯片地址译码的唯一性。硬件“看门狗”定时器电路是用具有ＲＣ振荡电路的波动计数器、ＣＭＯＳ芯片ＣＤ４０６０（ＩＣ４）为主构成的，其中Ｃ１、Ｒ１和ＶＤ２组成上电复位电路。改变Ｒ２或Ｃ３的值就可以微调“看门狗”定时器的工作时间，而改变ＶＤ３正极引脚到ＣＤ４０６０输出引脚的连接位置可以成倍地改变“看门狗”定时器的工作时间。跳线开关Ｋ１主要用于模拟礼花弹发射升空过程的工作速度设置，跳线开关Ｋ２用于模拟礼花弹高空爆炸过程工作速度的给定。总线的互连可通过专用接口（Ｚ１）来实现。ＬＥＤ电子礼花树主控电路板的电路原理图如图１所示。



１．２ 驱动控制电路板设计

本电路的驱动电路板电路原理图如图２所示。为了系统扩展方便，该驱动电路采用插板结构设计方案，每个输出插板选用４个ＴＰＩＣ６Ｂ２７３做数据锁存、功率驱动及输出工作。ＴＰＩＣ６Ｂ２７３如同７４ＬＳ２７３与ＭＣ１４１３的结合体（ＭＣ１４１３仅７路输出驱动，而ＴＰＩＣ６Ｂ２７３为８路输出驱动），它是由美国ＴＩ公司生产的集８位数据锁存、功率驱动为一体的８通道Ｄ型触发器功率输出器件，具有８位数据锁存、数据驱动输出控制的复合功能。因此，该器件的应用电路设计十分简洁。

图２中，通过比较译码芯片７４ＨＣ６８８（ＩＣ２）和２－４译码芯片７４ＨＣ３９３（ＩＣ６）与跳线开关Ｋ１等相配合能完成可变地址的译码，并可选择各个输出驱动芯片（ＩＣ１、ＩＣ３、ＩＣ４和ＩＣ５）的选通、数据锁存工作。由于采用了六位可变地址译码，因此，本ＬＥＤ电子礼花树控制器可扩展驱动２６＝６４块驱动板。

电子礼花树上的ＬＥＤ工作状态是短时动态工作状态，且都选用超高亮度的ＬＥＤ作为发光元件，设其短时瞬态工作电流为４５ｍＡ（３～４倍的额定静态工作电流），混合搭配使用的各色ＬＥＤ的平均管压降为２．５伏，则各芯片的每一路输出（依据ＴＰＩＣ６Ｂ２７３负载的性能和电流限定）可驱动三个并联（３×４５＝１３５ｍＡ＜１５０ｍＡ）和（依据ＴＰＩＣ６Ｂ２７３的负载电压限定）２０只串联ＬＥＤ（２．５×２０＝５０Ｖ）。因此，ＴＰＩＣ６Ｂ２７３的每一位驱动输出在理论上可驱动的ＬＥＤ为：?２．５×２０?×３＝１５０个。实际上，为了工作的可靠，应采用降额工作方式，即选择驱动一半数量的ＬＥＤ（约８０个）。每个电子礼花树驱动板有四个驱动芯片，每个芯片８位，则每个电子礼花树驱动板可驱动ＬＥＤ为：８０×８×４＝２５６０个。设计时可以此为基础并根据电子礼花树的大小（使用ＬＥＤ的多少）来选择不同数量的驱动电路板。

２　控制软件设计

ＬＥＤ电子礼花树由树干（用于模拟礼花弹发射升空过程）和树枝（用于模拟礼花弹高空爆炸显示景观）两个显示部分组成。由于电子礼花树工作在夜晚，作为支撑体的树枝、树干已极为模糊，树枝、树干上不同的ＬＥＤ显示源的受控工作点亮过程将模拟出礼花弹由发射升空到爆炸的全部工作过程。

电子礼花树软件设计的主要任务是模拟礼花弹的工作过程（发射－爆炸），尤其是以高空爆炸的显示景观。设计时?应首先为高空显示景观命名（如梦幻世界、大地红、满天星等）?然后依据其景观现象描绘和设计其具体工作过程，并依此来编写相应的显示工作软件模块。一个电子礼花树可设计１０～１６种显示工作模块，以增加显示花样。为了防止电子礼花树长时间工作使观赏者感到乏味，每一个工作周期都以随机方式产生一个显示模块工作顺序并存于线性工作表中，控制程序通过依次查对线性工作表中的数据来决定哪一个模块工作。由于显示工作模块的工作状态千差万别，图３仅给出了该电子礼花树的主程序工作流程。

３　结束语

该ＬＥＤ电子礼花树及其控制器经过冬、夏恶劣环境条件下的长时间使用证明，系统工作可靠，优点突出、明显。

来源：国外电子元器件/作者：东北大学 王明顺