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10级课程设计实践报告LED电子显示屏的设计专 业： 计算机科学与技术 年 级： 10级1班 学 号： 241092216 姓 名： 余超群 教 师： 孙桂鸿 2013年 06月29 日LED电子显示屏的设计10级计算机科学与技术 1 班 余超群 241092216当今社会，随着人们物质生活的不断提高，电子产品已经走进了家家户户，无论是生活或学习，还是娱乐和消遣几乎样样都离不开电子产品，大型复杂的计算能力是人脑所不能胜任的，而且比较容易出错。计算器作为一种快速通用的计算工具方便了用户的使用。计算器可谓是我们最亲密的电子伙伴之一。本设计着重在于分析计算器软件和开发过程中的环节和步骤，并从实践经验出发对计算器设计做了详细的分析和研究。这是我为计算机工程系设计的LED灯显示。1.1整体方案设计 列驱动器单片机 电源 LED显示点阵行 驱动器 LED电子显示屏框图1.2硬件方案论证与比较1.2.1电子显示屏模块1. 采用6块市场上常见的8*8点阵模快组成24*16的大点阵，在编程的时候只利用其中的20列，余下的4列空置。此种设计从细处来看不符合项目的原意，且点阵模块没有充分的利用，浪费了空间和资源。2. 采用320个LED焊接成20*16的模块，以满足题目的要求。但是此种方法耗时且浪费资源，LED需要较大的驱动来满足亮度要求。这样焊接的显示屏也不容易达到亮度均匀、充足，显示文字清晰的基本要求。3. 采用6块运用相对较少的的5*8点阵模块拼接成20*16的模块。这种设计组合正好可以契合题目要求，而且容易实现电子显示屏各点亮度均匀、充足，显示数字和文字稳定、清晰、无串扰的要求。由于引脚数量也不是很多，更容易操作。综合考虑，本系统采用此方案。二、DC-DC变换器模块系统供电可以由线性稳压源或开关电源实现。线性电源虽然结构简单，容易实现，但具有功耗比较大，效率低的缺点，故本系统不予采用。开关电源具有功耗小，效率高，体积小，重量轻，稳压范围宽等优点，本系统采用开关电源实现供电。具体设计思路如下：DC-DC降压变换器（Buck）主回路设计Buck电路工作原理：Buck电路组要由开关管，续流二极管，电感和电容组成。PWM控制器产生的控制信号来控制开关管的导通和截止。当控制信号为高电平时开关管导通，电流流过开关管，流经电感，向负载供电。同时向电容充电。当控制信号为低电平时，开关管截止，没有电流从开关管流过。但是由于电感和电容都有存储能量的功能，所以即使没有电流从开关管流过，电感也可以通过续流二级管向负载提供电流，同时由于电容两端的电压不能瞬间变化，在开关频率足够大的时候电容可以保持输出电压的稳定。理论上讲，电感值越大，电容越大和开关频率越高，输出电压的变化范围越小，输出电压越稳定。PWM控制信号的高电平时间越长，输出电压越大；反之高电平时间越短，输出电压越小。DCDC变换器稳压原理 在输入电压或负载变化，要保证输出电压保持稳定时，可以采用两种方案。第一可以维持开关管的截止时间TOFF不变，通过改变脉冲的频率f来维持输出电压U0的稳定，这便是脉冲频率调制（PFM）控制方式DC-DC变换器；第二可以保持脉冲的周期T不变，通过改变开关管的导通时间TON，即脉冲的占空比q，以实现输出电压的稳定，这就是脉宽调制（PWM）控制方式DC-DC变换器。由于目前已经有各种型号的集成PWM控制器，所以DC-DC变换器普遍采用PWM控制方式。PWM控制方式又有三种可选方案：1、 利用单片机产生PWM控制信号。让单片机根据反馈信号对PWM信号做出相应调整以实现稳压输出。此方案实现起来比较灵活，可以针对特定的系统进行优化。但是系统调试比较复杂。2、 555时基电路是一种将模拟功能与逻辑功能巧妙结合在同一硅片上的组合集成电路，可以作为控制核心来控制DC-DC开关电源电路。阀门端和触发端的电平分别为电源的2/3和1/3，但可以由电压控制端（CONT）来改变这两个电平值。当触发端（TRIG）的电压下降至比触发电平低时，触发器翻转输出“1”，同时输出端输出高电平；当触发端（TRIG）的电压高于触发电平，而且阀门端（THRES）的电平也高于阀门电平时，触发器翻转输出“0”，同时输出端（OUT）输出低电平；复位端（RESET）与其他输入端相比具有最高优先权，当复位端为低电平时，触发器将被复位，而且输出端为低电平。将复位端置低可以用来初始化一个新的定时循环。只要输出端为低电平，泄放端（DISCH）将提供一个对地的低阻抗通路。但是此芯片不是专门的PWM控制芯片，调试起来相对比较复杂，不易实现控制。3、 TL494集成电路内部电路如附件所示，它由振荡器、D触发器、死区时间比较器、PWM比较器、两个误差放大器、5V基准电压源和两个驱动三极管等组成。当TL494正常工作时，输出脉冲的频率取决于5脚和6脚所接的电容和电阻，表达式为 ，在电容CT两端形成的是锯齿波，该锯齿波同时加给死区时间控制比较器和PWM比较器，死区时间控制比较器根据4脚所设置的电压大小输出脉冲的死区宽度，利用该脚可以设计电源的软启动电路、欠压或过压电路等。输出调制脉冲宽度是由电容CT端的正向锯齿波和3、4脚输入的两个控制信号综合比较后确定的。当外接控制信号电压大于5脚电压时，9、10脚输出脉冲为低电平（设9、10脚为跟随器输出接法），所以随着输入控制信号幅值的增加，TL494输出脉冲占空比减小。由于TL494是专用PWM控制芯片，调节起来相对比较简单，且有成熟的应用方案，故本设计选择TL494作为PWM信号的提供电路。（内部图见附件）DC-DC变换器控制电路设计DC-DC变换器控制电路选用集成PWM控制器TL494构成，调制脉冲的频率选择23.4kHz，选择振荡电容CT为1000pF（0.001H），电阻RT为47 k即可满足要求。将4、13、7、9、10脚接地，将8、11脚并联作为输出端。为了保证输出电压U0稳定，要引入负反馈，当输出电压增高时，反馈信号和参考电压比较后，误差放大器的输出增大，结果使输出脉冲的宽度变窄，开关管的导通时间变短，输出电压将保持稳定。图中连接在误差放大器2脚和3脚之间的电阻和电容是构成PID调节器，目的是改善系统的动态特性。1.3 软件设计方案 程序使用C语言编写。系统主程序开始后，首先对系统初始化，包括设置串口、定时器、中断和相应端口，然后全亮显示，持续几秒钟，接着关闭所有LED，持续一段时间，进入倒计时显示（10秒），计时完后判断tt的值（tt为显示方式的选择标记）。tt=0时，循环左移；tt=1时，循环上移；tt=2时，循环下移。循环显示方式可以通过单片机外部中断切换，利用单片机外部中断可以节省单片机资源，提高单片机效率。系统程序会在循环显示阶段不断循环的执行。LED电子显示屏使用双色点阵模块组合而成，由于没有采用电路上的控制，需要人为调整点阵模块连接方式实现双色效果。首先连接到红色控制端进行测试。上电启动后，自动的按如下顺序显示：（1） LED灯全亮；（2） LED灯全灭；（3） 倒计时依次显示数值 10，9，8，7，6，5，4，3，2，1，0.（4） 接着依次显示： 祝计算机工程系全体学子前程似锦（5） 按一下控制按键，显示内容的移动方向变为向上，依次显示：祝计算机工程系全体学子前程似锦（6） 再按一下控制按键，显示内容的移动方向变为向下，依次显示：祝计算机工程系全体学子前程似锦（7） 再按一下又变为默认的左移状态，以后循环上述步骤可以得到相应的结果。部分或全部调节列控制端，可以实现红绿相映或纯绿色的全新效果。在测试的过程中，显示内容亮度均匀、充足，显示的数字和文字稳定、清晰、无串扰，整体效果比较好。程序流程图2. 系统测试2.1 开关电源测试1、输出电压测试测试结果：输出电压为5.02V。2、输出电流测试方法：在开关电源输出端加负载RL，调整负载值，同时在嗲源输出端传串联一个万用表测量数电流。观测输出电流范围能否达到01A。测试是结果：输出电流为00.97A3、电压调整率测试方法：用实验室的直流电压源输出直接接在开关电源DC-DC变换输入端，调整负载使输出电流达到最大1A，调整直流电源输出电压在7V15V变化时，测量输出电压Uo。测试结果：输入电压Ui（V）789101112131415输出电压（V）5.015.015.015.015.015.015.015.025.02输出电压变化量（V）0.010.010.010.010.010.010.0100电压调整率Su（%）0.20.20.20.20.20.20.2004、负载调整率方法：电源输入端接10V电压，输出电压Uo=5.02V,在负载电阻RL上串联一个万用表测量输出电流，调节负载电阻时输出电流在01A变化，记录输出电流，计算负载调整率。结果：Io(A)0.970.590.05Uo（V）5.015.015.02输出电压变化量（V）0.010.010负载调整率（%）0.20.205、 输出纹波电压峰峰值测试方法：开关电源输出加负载，使输出电流达到最大0.97A，用60MHz的数值示波器交流档加带宽限制测量输出电压纹波峰-峰值。测量结果：加在输出电压上的纹波电压峰峰值为85mV。6、 电源效率方法：用万压表测量输入电压大小，输入电流大小，输出电流大小和输出电压大小。分别计算出输入功率和输出功率，再求输出功率和输入功率的比值既得电源效率。结果： 输入 输出输入电压Uo（V）7.22输出电压Uo（V） 5.01输入电流Ii（A）0.88输出电流Io（A） 0.97输入功率Pi（W）6.35输出功率Po（W） 4.86电源效率（%） 76.5软件设计汇编语言和C语言的特点及选择本设计是硬件电路和软件编程相结合的设计方案，选择合适的编程语言是一个重要的环节。在单片机的应用系统程序设计时，常用的是汇编语言和C语言。机硬件，程序可读性和可移植性比较差。而C语言虽然执行效率没有汇编语言高，但语言简洁，使用方便，灵活，运算丰富，表达化类型多样化，数据结构类型丰富，具有结构化的控制语句，程序设计自由度大，有很好的可重用性，可移植性等特点。在本设计中采用C语言编写软件程序。主程序的设计详见附录二。 心得体会：LED电子显示屏系统看似简单，其实想要做好，还是有很多需要注意的事项。比如说点阵模块的焊接过程需要注意连线的分布，既要考虑容易控制，还要兼顾系统的美观性；开关电源的设计过程中需要认真的调试，采取一系列的手段减小或消