大型动感霓虹灯设计

摘 要该动感霓虹灯设计是基于 8031 单片机、串口联级新型的共阴极驱动芯片MAX7219 霓虹灯扫描控制器，采用 环保节能 LED 及 LED 灯组以实现个性化的动态显示效果。该设计的动 感霓虹灯，整体上可以分为电源模块、 显示模块和控制模块三个部分。电源模块 采用变压器、 桥式整流滤 波电路和 7805 稳压芯片构成，为 CPU、EPROM 及 MAX7219 等弱电电路供电 。显示模块采用 LED 及 LED灯组，灯 线采用独立 LED 有序排列形成，灯字则采用 LED 灯组来实现，并用MAX7219 来实现恒流驱动，整体效果 动感十足，醒目形象。控制模块包括单片机 8031、程序存储器 EPROM2732、地址锁存器 74LS373、地址锁存器 74LS138等，完成向显示驱动模块输 送扫描花样信号的任务。设计采用新型扫描控制器及MAX7219 驱动，具有较高的通用性及很大的 实用价 值，显示则采用 LED 实现动感效果，节能环保，经济实用。整体 设计成本低廉，实用性强，节能环保，有较高的通用性。关键词：LED ，动感霓虹灯，单片机，扫描控制，软件设计The Design of Large-scale Dynamic NeonAbstractThis design of dynamic Neon light is based on 8031 Single Chip Micyoco, the serial port association level new common cathode drives to move the chip - MAX7219 neon light scanning controller, uses LED and the LED lamp bank realizes the personalized dynamic demonstration effect.This article introduced the design of dynamic neon light, divide into the power source module, the demonstration module and the control module roughly.The power source module uses the transformer, the bridge type rectification filter circuit and 7805 constant voltage chip constitution, is CPU, EPROM and MAX7219 and so on the weak electricity electric circuit power supply.The demonstration module uses LED and the LED lamp bank, the lamp wire uses the independent LED order arrangement formation, the lamp character uses the LED lamp bank to realize, and realizes the constant flow actuation with MAX7219, the overall effect project is full, striking image.The control module including the monolithic integrated circuit 8031, program memory EPROM2732, address latch 74LS373, address latch 74LS138 and so on, completes to the demonstration actuation module transportation scanning pattern signal duty.The design uses the new scanning controller and the MAX7219 actuation, has the high versatility and the very great practical value, demonstrated uses the LED to realize dynamic effect, the economy is practical.The overall design cost is inexpensive, usable, the energy conservationenvironmental protection, has the high versatility.Keywords：LED, Dynamic Neon, Single Chip Micyoco, Scan Contronl, SoftwareDesign 目 录1 绪论 .12 系统方案设计 .22.1 系统方框图 .22.2 动感效果图 .33 系统原理概述及仿真 .43.1 电源模块 .43.2 显示模块 .53.2.1 发光二极管的工作特性 .53.2.2 发光二极管的工作原理 .63.2.3 发光二极管的驱动电路 .73.2.4 PWM(脉 宽 调 制 )调 光 技 术 .93.3 控制模块 .93.3.1 单片机 8031 最小化系统 .103.3.2 程序存储器 EPROM2732.113.3.3 功率输出板 .144 软件程序设计 .154.1 主程序流程图 .154.2 程序编制 .164.2.1 顺序扫描程序 .174.2.2 PWM 调光程序 .175 结束语 .18致谢 .19参考文献 .19附录 1 驱动电路 .20附录 2 显示程序 .2111 绪论霓虹灯自 1910 年问世以来，历经百年不衰。它是一种特殊的低气压冷阴极辉光放电发光的电光源，而不同于其它诸如荧光灯、高 压钠灯、金属 卤化物灯、水银灯、白炽灯等弧光灯。霓虹灯是靠充入玻璃管内的低压惰性气体，在高 压电场下冷阴极放电而发光。发 光 颜色由气体的光谱特性决定：充入氖气，发红色光；充入氩气及汞，发蓝色、黄色等光。然而其由于其造价相对较高、维修难度大、动感表现不足、成本高等缺点。而当前全球能源短缺的忧虑再度升高的背景下，节约能源是我们未来面临的重要的问题，在照明领域，LED 发光产品的应用正吸引着世人的目光， LED 作为一种新型的绿色光源产品，必然是未来发展的趋势，二十一世 纪将进入以 LED为代表的新型照明光源时代。LED 被称为第四代照明光源或绿色光源，具有节能、环保、寿命长、体积小等特点，可以广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明和城市夜景等领域。目前虽然霓虹灯的种类繁多，但有维修难度大、 动感表现不足、成本高等缺点，且采用 LED 作为光源、 动 感展示的较少，因此，在中小城市和一些小型的 娱乐场所和商店，媒体的应用 还 不是很普遍。本设计克服了其缺点，采用简单的数字电路，可以节约投资和便于维修，只要是有一点电 路基础的人员就可进行维修。可以在中小城市和乡镇中普遍的推广。随着人类社会的发展和生活水平的提高。广告已成为人类了解信息的有效途径。而霓虹灯作 为新兴的装饰广告工具用来作广告或信号，凭借其造型奇特、新颖、色彩丰富、种类 多、构造灵活等特点，在城市建设和广告业中得到广泛 应用。该动感霓虹灯设计采用一种新型的霓虹灯扫描控制器来控制显示模块，基于 8031 单片机智能控制， 节能发光二极管 LED 作为基本显示元件，并由MAX7219 联级新型共阴极驱动芯片来驱动，以实现 三种类型的独特新颖的动感效果。该动感霓虹灯具有功耗低、亮度高、寿命 长、尺寸小、通用性强、性价比低等优点， 该霓虹灯模型将在霓虹灯生产中得到广泛的应用。2 系统方案设计 对于新型节能环保动感霓虹灯的设计，主要有以下几个方面的要求:（1）霓虹灯材料环保、节能;（2）画面的设计要突出动感，系统要美观、工作 稳定、环保节能、成本低、便于推广；（3）电路的设计要求布线合理，便于实现，便于推广，成本要低，便于一般人员维修；2（4）电源的设计要能保证稳定、噪音小、功耗小；（5）通用性好，可以简单调试，适用于不同 场合。2.1 系统方框图 该动感霓虹灯大体可分为三个模块，即电源模块，控制模块和显示模块，使用单片机 8031 为控制单元，由内部程序通过外部的驱动电路来控制 LED 灯及LED 灯组的导 通或者截止，进而形成各种灯光效果，以实现其预想的动画效果。整体系统方框图如图所示：图 1 系统方框图由于显示模块采用多个 LED 的群组，以单片机为主控核心的 电路单元框图如图 1 所示。这样会有很大的电流或者很高的电压流过电路，这时需在单片机和外部驱动电路之间加一级隔离电路，可以防止外部高电压或者是大电流对单片机正常工作是的干扰，使电 路工作的稳定性更高。 一般是采用光电隔离器，具体的器件型号要根据具体的电路中的电流的大小，电压的高低确定，和使用交流还是直流等具体的情况来考虑。使用单片机作为核心电路，主要应用的是程序控制，相应的硬件控制电路比较简单，操作也容易方便，而且价格较低，但是由于采用程序控制，虽然硬件电路很简单，便于电路设计，但维护需要有一定专业知 识的技术人员才能进行， 对于一般人员来说就有一定的难度。另外，程序的控制在 电力设备较多或者干扰很强的情况下会受到干扰，严 重影响系统正常工作的稳定性，所以单片机为主控核心的设计虽然应用很普遍，也 较实用，但是并不符合本课题的性能要求。2.2 动感效果图 该设计的重点及闪亮点在于如何实现霓虹灯效果，其能实现三种非常理想的霓虹灯动感效果：一是灯线能够体现出时间和位移上的连续性、不间断性，间隔渐变动画效果；二是所有字幕在同一瞬时出现亮度变化并且不断循环变换，即渐亮渐灭的动感效果；三是多个亮点能同时呈现在不同位置上并且不断循环变换，与实际动作有较高的相似性，即动作化的动感效果。整体设想的的三种动感效果较为理想，但由于设计的主题及设计成本限制电源模块8031控制模块 隔离/驱动 显示模块3仅以下面几种较为简单的方式表现显示出来。只为一种近乎理想的参考模型。灯光的整体效果图如图 2 所示，这里显示动感效果主要采用发光二极管 LED 作为实现的手段，将主楼的轮廓线用 LED 勾画出来。先是 L1、L2 从下向上依次点亮，时间间隔由慢到快，呈一条亮线流星式快速显示。然后在经过数秒的延时后，L1、L2 从下向上依次熄灭， 显示方式和效果一样。主楼上面的 “河南科技学院”字体常亮，但是亮度不断变化，由明到暗，由暗到明，不断循环。主楼中间则显示“庆建校 60 周年 ”字样，以每隔 2 秒方式逐次显示每一个字。总体来说，整体显示效果共有三种显示方式，动感效果明显而且生动形象。该动感霓虹灯的整体显示效果图如下图图 2 所示：图 2 主楼整体效果图3 系统原理概述及仿真 3.1 电源模块 电源部分是任何一个有电系统的供电核心，对于系统正常工作起着至关重要的作用。根据不同的系统，对电源的要求也就不同的，但无 论是什么样的系统，也无论系统的大小，都要求有一个稳定的供电电源，否则会造成整个系统的不稳定，甚至无法正常工作，因此对电源有相当高的要求。 该动感霓虹灯硬件电路需要+5V、+5V电源， +5V为 CPU、EPPROML1 L1L2 L2河南科技学院庆建校60周年4及 MAX7219 等弱电电路供电，+5V为光耦 4N25 专门供电。电源模块的硬件电路的由变压器、桥式整流滤波电路和 7805 稳压芯片构成，电源工作性能相当稳定，基本符合要求。电源部分选择两相变压器，在选择电源变压器时主要考虑的性能指标是二次输出的电压、电流和功率等参数。由于各个 发光二极管是并联的关系，所以它们的电压是相同的，电流是各个发光二极管的电流之和。如已知一个管子电流的大小，根据发光二极管的个数来确定总的电流的大小。根据欧姆定律， P = U I 确定电源变压器的功率。假设采用 1000 个二极管，每个二极管流过的电流是 5 毫安，那么电源变压器的输出电流最小就需要 10005=5000 毫安=5 安， 为了留有余量，以应付在负载不稳定时系统能够稳定的工作，变压器应采用 5V/6A 或者其它的 5V/5A 以上，功率是 55=25 W 的或者是 30W 的电源变压器。该设计采用集成稳压电路 7805 和简单的元器件构成一个 5V 的稳压电源来给系统提供电能。为了使电 路的工作性能更加的稳定，采用分开供电， 给控制电路和照明电路采用两路供电，因为虽然控制电路的电压和输出给二极管电路的电压一样大，但是控制电路的电流很小，而 输出给二极管电路的电流比较大，有可能给控制电路造成干扰， 为了尽量避免这种情况的发生，采用两路供电是比较理想的选择，给控制电路提供电能的变压器要求较低，采用一般的变压器就可以。电源模块的电路原理图见图 3 所示。图 3 电源模块硬件电路3.2 显示模块 该动感霓虹灯设计显示模块主要采用发光二极管 LED 或是 LED 灯组显示。LED 即 发光二极管 英文LightEmittingDiode的缩写。 LED 是一种电流发光器件，通过电流产生光源，将电能 转化为光能。材料的不同决定了它通过电流后产生的发光颜色和发光强度。磷砷化 镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二5极管发黄光。红绿蓝为三基色，由此三种颜色可调出任意颜色。把 发光二极管按一定的点间距任意纵横排成阵列就是 LED 点阵版面，即 LED 电子显示屏。LED以其亮度高，耗电量少，性能稳定，寿命 长。考 虑设计成本等因素因而采用 LED作为显示模块的主要构件。3.2.1 发光二极管的工作特性发光二极管是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能。除了造价较低之外，还 有以下工作特性：（1）在低电压（1.52.5V）、小电流(530mA)的条件下工作，即可获得足够高的亮度。（2）发光响应速度快（10 -710 -9 s），高频特性好，能显示脉冲信息。（3）单色性好，常见颜色有红、 绿、黄、橙等。（4）体积小。发光面形状分圆形、 长方形、异形（三角形等）。其中圆形管子的外径有 1、2、3、4、5、8、10、12、15、20（mm）等规格，直径 1mm 的属于超微型 LED。（5）防震动及抗冲击穿性能好，功耗低，寿命长。由于 LED 的 PN 结工作在正向导通状态，本射功耗低，只要加必要的限流措施，即可长期使用，寿命在 10万小时以上，甚至可达 100 万小时。（6）使用灵活，根据需要可制成数码管、字符管、 电平显示器、点阵显示器、固体发光板、LED 平极型电视屏等。（7）容易与数字集成电路匹配。3.2.2 发光二极管的工作原理发光二级管的发光原理在于其内部特殊的结构，发光二极管的内部是具有发光特性的 PN 结。当给发 光二极管加上正向电压 后，从 P 区注入到 N 区的空穴和由 N 区注入到 P 区的电子，在 PN 结附近数微米内分别与 N 区的电子和 P 区的空穴复合，依靠少数载流子的注入以及随后的复合而辐射发光，由于不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同，所以当电子和空穴复合时释放出6的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。 这就是发光二极管的基本工作原理。发光二极管 LED 在正向导 通之前几乎没有电流，当其两端的电压超过开启电压时， 电流就急剧上升。因此，LED 属于电流控制型半导体器件，其发光亮度L（单位 cd/ ，读作坎德拉每平方米）与正向电流 IF 近似成正双，有公式：2m（1）LKIFm公式（1）中，K 为比例系数，在小电流范围内（IF=110mA），m=1.3 1.5。当 IF10mA 时， m=1，可 简化为：（2）ILED 的正向电压则 与正向 电流以及管芯的半导体材料有关。使用时应根据所要求的显示亮度来选取合适的 IF 值（一般选 10mA 左右，对于高亮度 LED 可选 12mA），既保证亮度适中，也不会损坏 LED。若电流过大，会烧毁 LED 的PN 结。此外，LED 的使用寿命将缩短。发光二极管的反向击穿电压约 5 伏。它的正向伏安特性曲线很陡，使用时必须串联限流电阻以控制通过管子的电流。限流电阻 R 可用下式计算：（3）()/REUFI公式（3）中 E 为电源电压 ，UF 为 LED 的正向压降，IF 为 LED 的一般工作电流。 发光二极管的两根引 线中较长的一根为正极，应按电源正极。有的发光二极管的两根引线一样长，但管壳上有一凸起的小舌，靠近小舌的引线是正极。与小白炽灯泡和氖灯相比，发光二极管的特点是：工作电压很低（有的仅一点几伏）；工作电流很小（有的仅零点几毫安即可发光）；抗冲击和抗震性能好，可靠性高，寿命长；通过调制通过的电流强弱可以方便地调制发光的强弱。由于红色和黄色的发光二极管的工作电压是 2V 的，其它颜色的工作电压都是 3V 的，一般的发光二极管的工作 电流是 20mA，如果接在五伏的电源上，电源电压减二极管的工作电压就是分压电阻要分掉的电压，再用这个电压除以二极管工作的电流就能计算出这个电阻的阻值。比如说 3V 的二极管（5-3）/0.02=100欧，2 伏的二极管（5-2 ）/0.02=150 欧，但是不是所有的发光二极管的工作电流都是 20 毫安，有的大一点有的小一点，实际使用的时 候也可以用整流二极管来分压，一只二极管的压降是 0.7V，用 3 只串联分掉的电压就是 2.1V，剩下的正好是 3.1V 或者用四个串联剩下 2.2V 限流到 20mA 以下，红灯 1.2V，绿灯 1.4V(导通时) 。所以其限流 电阻的大小必须在一定的范围内，否则可能导致 LED 烧毁或是低亮度现象。7LED 亮度与电 流不是线性关系，电流大到一定值时 ，亮度变化不大。只要电流超过了最大的正向电流就会烧了。特殊的主要看资料，一般的电流选定在 3-20mA。要控制发光二极管的正向电流，就必须知道发光二极管的一个重要参数：Vf值。不同 颜色的发光二极管有不同的 Vf 值，同 颜色的发光二极管的 Vf 值也不一样，绝大部分 应用中都需要 进行分光和分色。不同种 类的发光二极管的最大正向电流是不一样的。我们常用的直径 5mm 的发光二极管的最大正向电流一般都是25mA，实际应用中常工作在 20mA。3.2.3 发光二极管的驱动电路为了保证显示模块的发光二极管 LED 及其灯组能够可靠稳定工作，很多 场合都要求采用恒流技术来进行发光二极管的驱动。该动感霓虹灯设计显示模块构件主要为发光二极管 LED 及 LED 灯组，其中那几个字“河南科技学院，庆建校 60 周年”则采用 LED 灯组实现，其他的灯 线则可以采用独立的 LED 依次 连接即可。 该设计采用的 驱动的芯片 MAX7219，是一种联级新型的共阴极驱动芯片。MAX7219 是 MAXIM 公司生产的串行输入/ 输出共阴极数码管显示驱动芯片，一片 MAX7219 可 驱动 8 个 7 段（包括小数点共8 段）数字 LED、LED 条线图形显示器、或 64 个分立的 LED 发光二级管。下面对 MAX7219 的特点做介绍：(1) 采用 3 线 串行接口传送数据；(2) 内部有 8 字节显示静态 RAM 和 6 个特殊功能寄存器，相当于 14 个字节的 RAM 单元。它们是可寻 址的，即可以有 选择的任意写入；(3) 只需一个外部 电阻即可调节 LED 的段电流，并且允许程控方式 LED 通电的占空比而可方便的调节 LED 显示的亮度，或用于模拟亮度显示；(4) 有不译码和 B 码两种显示模式，这种选择可做到位控，即各 LED 显示器可以有不同的显示方式：译码或不译码；(5) 含硬件动态扫 描显示控制，可设置低功耗方式，可进行图条显示。该芯片具有10MHz传输率的三线串行接口可与任何微处理器相连，只需一个外接电阻即可设置所有LED的段电流。它的操作很 简单，MCU只需通过模拟SPI三线 接口就可以将相关的指令写入MAX7219的内部指令和数据寄存器，同时它还允许用户选择多种译码方式和译码位。此外它还支持多片7219串联方式，这样MCU就可以通 过3根线（即串行数据线、串行 时钟线 和芯片选通线）控制更多的数码管显示。MAX7219的外部引脚分配如图4所示8图4 MAX7219 封装图MAX7219 的数据输入主要由三根输入线完成。它们分别是串行数据线、时钟线与加载线。当 1 个 16 位的数据从高位到低位依次输入 MAX7219 后，在加载的上升沿将 D7D0 送入对应的内部寄存器。MAX7219 的串行输入数据格式，高位字节的高 4 位保留，低 4 位为片内寄存器地址；低位字节为 8 位数据。MAX7219 的 16 位串行数据的作用如表 1 所示：表 1 MAX7219 的 16 位串行数据D15 D14 D13 D12 D11 D10 D9 D8 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0无关比特 地址 数据位其中，低8位表示显示数据本身，最高的4位D15D12 为无关比特， D11D8为用于寻址4个内部寄存器。 为使MAX7219能够正常工作，必需在使用前对其进行初始化。正常显示时的程序十分简单，只需向内部寄存器地址X1X8H写入相应的显示值即可。其驱动LED电 路见附录1。如果在实际工作中需要驱动 的数码管个数大于8个，或需要驱动的发光二极管个数大于64个，可以用多片MAX7219的级连来实现，即将一片MAX7219的串行数据输出与下一片MAX7219的串行数据输入相连，时钟信号与加载信号多片复用。 MAX7219是一种非常好的共阴数码管及发光二极管显示驱动芯片。它与微处 理器只有3根连线，印制板走线简单，占用系 统软、硬件资源少。它适用范围广，通过改变R SET的阻值，可适用于驱动电压为1.5V3.5V，驱动电流为10mA40mA的所有发光二极管。它扩展能力强，可 实现多片的级连。由于MAX7219 具有较多优点，所以今后它的应用将越来越广泛。3.2.4 PWM(脉宽调制)调 光技术LED 的亮度与通 过的电流有关，但并不呈线性关系。在一定范围内，电流越大，两度越高。每个发光二极管都有一个最佳工作电 流，低于 这个电流，发光二极管的亮度会降低；高于这个电流，发光二极管的亮度会增加，但是发光二极管的寿命会降低。当这个电流超 过最大允许电流时， 发 光二极管就会损坏。人们普遍接受的 LED 亮度控制方法有两种，即模 拟调 光和 PWM 调光。当9采用模拟调光时，LED 电流的调节范围在某个最大 值至该最大值的约 10% 之间(10:1 调光范围) 。由于 LED 的色谱与电流有关，因此这种方法并不适合于某些应用。然而，PWM 数字调光方式则是以某种快至足以掩盖视觉闪烁的速率(通常高于 100KHz)在零电流和最大 LED 电流之间进行切 换。该占空比改变了有效平均电流，从而实现了高达 3000：1 的调光范围(仅受限于最小占空比)。由于 LED 电流要么 处于最大值 ，要么被关断，所以该方法还具有能够避免发生 LED色偏的优点，而在采用模拟调光时这种 LED 色偏现 象是很常见的。本该动感霓虹灯设计中利用 PWM 技术，即脉 宽调制技术，通过软件编程控制单片机引脚电压变化，使引脚所接二极管亮度变化。脉冲宽度调节就是调节脉冲的宽度，由于一个脉冲的周期固定，通过调整高电压 和低电压的时间即占空比，就可以控制这段时间电压 的平均值， 进而实现 LED 亮度调节。3.3 控制模块 该设计控制模块包括单片机 8031、程序存储器 EPROM2732、地址 锁存器74LS373、地址译码器 74LS138 等，完成向 显示驱动 模块输送扫描花样信号的任务。CPU 在 6MHz 的时钟驱动下，从 EPROM2732 中读取扫描花样指令，向每一片 7219 送出数据，扫描花 样需要哪一片 MAX7219 的数据更新，74LS138 对应的输出端产生一个上升沿，使新数据打入 MAX7219。由于 CPU 执行速度很快，所以在对多路 LED 发光二极管进行依次点亮时，其时间差很小，肉眼根本感 觉不到，相 对人眼而言，好像各点的变化是同时的，无任何延时。3.3.1 单片机 8031 最小化系统单片机应用系统是以单片机为核心，配以输入、 输出、显 示、控制等外围电路和软件，能实现一种或多种功能的实用系统。 单片机 应用系统是由硬件和软件组成的，硬件是应用系统的基 础， 软件则在硬件的基 础上对其资源进行合理调配和使用，从而完成应用系统 所要求的任务，二者相互依赖，缺一不可。本系 统采用 8031 为单片机的核心， 8031 是标准的 40 引脚双列直插式集成电路芯片，引脚排列请参见图 5。10图 58031 引脚图其信号引脚介绍如下：P0、P1、P2、P3 口均为 8 位双向口线。VCC：+5 V 电源。VSS：地线。ALE：地址锁 存控制信号。在系统扩展时， ALE 用于控制把 P0 口输出的低8 位地址锁存起来，以实现 低位地址和数据的隔离。此外，由于 ALE 是以晶振1/6 的固定频率输出的正脉冲，因此,可作为外部时钟 或外部定时脉冲使用。：外部程序存储器读选通信号。在 读外部 ROM 时，有效（低电平），以PSEN实现外部 ROM 单元的读操作。：访问程序存储控制信号。当信号为低电平时，对 ROM 的读操作限定在A外部程序存储器；当信号为高电平时，对 ROM 的读 操作是从内部程序存储器开始，并可延至外部程序存储 器。RST：复位信号。当 输入的复位信号延 续两个机器周期以上的高电平时即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作。XTAL1 和 XTAL2：外接晶体引 线端。当使用芯片内部时钟时，此二引线端用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。本设计采用 8031 单片机作为整个扫描控制器的控制中心，四个端口 作为0P低位地址/数据信号复用线，通过低位地址锁存器 74LS373 实现分时复用功能。口作为高位地址线，其中 用于 2732 的高位地址选通， 经2P2.0P.3 2.4.774LS138 译码输 出信号 ,作为驱动芯片 18 片 MAX7219 的数据锁存信Y7号，地址分配见如下表 2表 2 地址分配表功率板 2.7P.62.5.4.3P.0.70. 地址范围 点数1 1 0 0 0 8000H8FFFH 0642 1 0 0 1 9000H9FFFH 651283 1 0 1 0 A000HAFFFH 1291924 1 0 1 1 B000HBFFFH 1932565 1 1 0 0 C000HCFFFH 257320116 1 1 0 1 D000HDFFFH 3213847 1 1 1 0 E000HEFFFH 3854488 1 1 1 1 F000HFFFFH 449512P、 口作为开关信号 的输入端。 EPROM 中存储着 16 种基本的扫3K6描花样，用 户可以通过 这 16 个开关选择 16 种扫描花样的一种或多种，1因此该扫描控制器实际可实现组合的扫描花样有 种即 65536 种，从而可极大162地满足各种用户的需要。3.3.2 程序存储器 EPROM2732该动感霓虹灯设计选用 8031 单片机，由于其内部无 ROM 区，无 论所需程序长短都必须在其外部扩展程序存储器（目前较少这样使用，但扩展方法比较典型、实用）。在选择程序存储器芯片时，首先必 须满足程序容量，其次在价格合理情况下尽量选用容量大的芯片。 这样做的话，使用的芯片少，从而接 线简单，芯片存储容量大，程序调整余量也大。如估计程序总长 3KB 左右，最好是扩展一片 4KB的 EPROM2732。该设计就采用扩展 EPROM2732 的办法来实现单片机集中智能控制。程序存储器 EPROM2732 是紫外 线可擦除， 电可改写程序存 储器，而且 EPROM 是国内用得较多的程序存储器。EPROM2732 芯片上有一个玻璃窗口，在紫外 线照射下，存储器中的各位信息均变 1，即处于擦除状态。擦除干净的 EPROM 可以通过编程器将应用程序固化到芯片中。它存储的 16 种基本扫描花样可由厂方写好供用户直接使用，由用户根据需要自行编写。EPROM2732 的容量为 4K8 位。4K 表示有 41024（22210=212）个存储单元，8 位表示每个单元存储 数据的宽度是 8 位。前者确定了地址线的位数是 12 位（A0A11），后者确定了数据 线的位数是 8 位（O0 O7）。程序存储器 EPROM 2732 的封装形式为 DIP24，管脚封装图如图 6。图 6EPROM2732 的封装目前，除了串行存储器之外，一般情况下，我 们使用的都是 8 位数据存储器。122732 采用单一+5V 供电，最大静态工作电流为 100mA，维持电流为 35mA，读出时间最大为 250ns。其中，A0A11 为地址线；O0 O7 为数据线；为片选线；/VPP为输出允许/编程高压。除了 12 条地址线和 8 条数据 线之外，为片选线，低电平有效。也就是说，只有当为低电平时，2732 才被选中，否则，2732 不工作。/VPP为双功能管脚，当 2732 用作程序存储器时，其功能是允许读数据出来；当对EPROM 编程（也称为固化程序）时， 该管脚用于高电压输入，不同生 产厂家的芯片编程电压也有所不同。当我们把它作为程序存储器使用时，不必关心其编程电压。该动感霓虹灯设计中需要在 8031 单片机扩展一片 EPROM 2732 程序存储器，其硬件电路图如图 7 所示。图 7 硬件电路图由上面 8031 单片机扩展 EPROM 2732 程序存储器的硬件电路图可知还需要扩展 74LS373 锁存器，以 实现控制的目的。（1）芯片说明地址锁存器 74LS373 是带三态缓冲输出的 8D 锁存器，由于片机的三总线结构中，数据线与地址线的低 8 位共用 P0 口，因此必须用地址锁存器将地址信号13和数据信号区分开。74LS373 的锁存控制端 G 直接与单片机的锁存控制信号ALE 相连，在 ALE 的下降沿锁存低 8 位地址。一般的 CPU，像 INTEL8086/8088、Z80 等，都有 单 独的地址总线、数据 总线和控制总线，而 MCS-51 系列单片机由于受管脚的限制，数据 线与地址线是复用的，为了将它们分离开来，必须在单片机外部增加地址 锁存器，构成与一般 CPU相类似的三总线结构。（2）连线说明： 地址 线。单片机扩展片外存 储器时，地址是由 P0 和 P2 口提供的。图 8中，2732 的 12 条地址线（ A0A11）中，低 8 位 A0A7 通过锁存器 74LS373 与P0 口连接，高 4 位 A8A11 直接与 P2 口的 P2.0P2.3 连接，P2 口本身有锁存功能。注意，锁 存器的锁存使能端 G 必须和单片机的 ALE 管脚相连。 数据 线。2732 的 8 位数据 线直接与单片机的 P0 口相连。因此，P0 口是一个分时复用的地址/数据线。 控制 线。 CPU 执行 2732 中存放的程序指令时，取指阶段就是对 2732进行读操作。注意， CPU 对 EPROM 只能进行读操作，不能进行写操作。CPU 对2732 的读操作控制都是通过控制线实现的。2732 控制线的连接有以下几条：接地端。由于系统中只扩展了一个程序存储器芯片，因此， 2732 的片选端直接接地，表示 2732 一直被 选中。若同 时扩展多片，需通过译码器来完成片选工作。片选端：接 8031 的读选通信号端。在访问片外程序存储器时，只要端出现负脉冲，即可从 2732 中读出程序。（3）扩展程序存储器地址范围的确定。14单片机扩展存储器的关键是搞清楚扩展芯片的地址范围，8031 最大可以扩展 64KB（0000HFFFFH ）。决定存 储器芯片地址范 围的因素有两个：一个是片选端的连接方法，一个是存储 器芯片的地址线与单片机地址线的连接。在确定地址范围时，必 须保证片选端为 低电平。存储器扩展电路是单片机应用系统的功能扩展部分，只有当应用系统的软件设计完成了，才能把程序通 过特定的编程工具（一般称为编程器或 EPROM 固化器）固化到 2732 中，然后再将 2732 插到用户板的插座上（扩展程序存储器一定要焊插座）。当上电复位时，PC=0000H，自动从 2732 的 0000H 单元取指令，然后开始执行指令。如果程序需要反复调试，可以用紫外线擦除器先将 2732 中的内容擦除，然后再固化修改后的程序，进 行调试。如果要从 EPROM 中读出程序中定义的表格，需使用查表指令：MOVC A,A+DPTRMOVC A,A+PC3.3.3 功率输出板该动感霓虹灯设计关键点在于控制模块与显示模块之间的连接部分，即为功率输出，并由此模块来承担 这部分任务。 单片机 8031 通过串口 RXD 和 TXD端将数据传输到每个功率板的 MAX7219，然后由地址译码器 74LS138 输出端 输出对应的数据锁存信号。 MAX7219 对应 的点产生的高电平去驱动光0Y7电耦合器 4N25，由 4N25 去触发双向可控硅，控制霓虹灯变压器的加电与否， 进而控制显示模块的工作与否。译码器 74LS138 为 3 线8 线译码器， 3 个输入变 量控制 8 个输出端。其工作原理如下：当一个选通端（G1）为高电平，另两个选通端（/(G2A)和/(G2B)）为低电平时可将地址端（A、B、C）的二进制编码在一个对应的输出端以低电平译出。15利用 G1、/(G2A)和/(G2B)可级联扩展成 24 线译码器；若外接一个反相器还可级联扩展成 32 线译码器。 若将选通端中的一个作为数据输入端时，74LS138 还可作数据分配器。74LS138 译码器的引脚图如图 8图 8 74LS138 引脚图74LS138 的八个输出引脚，任何 时刻要么全为高电 平 1芯片处于不工作状态，要么只有一个为低电平 0，其余 7 个输出引脚全 为高电平 1。如果出 现两个输出引脚同时为 0 的情况，说 明该芯片已经损坏。每块功率输出板带有一片 7219，可驱动 64 路独立 LED 发光二极管，用户可以根据需要进行扩充配置功率板的块数，最多可带动 8 块驱动 512 路独立发光二极管。它集 BCD 码译码 器、多路 扫描器、段驱动和位驱动电路于一体，内含88 位双口静态 SRAM，可保存 8 位 LED 数据。 该电 路由于采用了光电耦合器，使强电与弱电相互隔绝，使用寿命延 长、干 扰小、便于维修。4 软件程序设计 利用 8031 汇编语言中几种简单的指令即可完成软件的编制工作，整套程序采用主程序调用子程序的方法编制，结构清晰简单易懂。4.1 主程序流程图在本设计中，以 L1、L2 为 起点的两条 LED 灯线采用顺序扫描方式，扫描花样分别为 、 ，中间采用延时程序加以控制，以 实现渐变间隔扫描的动感效果。1K2“河南科技学院 ”六个字则 由有 LED 灯组模块来实现，扫描花样分别 花样，3K8是同级顺序扫描，而且采用 PWM 调光技术通过软件程序来实现渐明渐暗的动感效果；“庆建校 60 周年”六个字 则也由 LED 灯组模块来实现，扫描花样分别16有 来实现，采用顺序扫描方式以实现第三种方式的动感效果。9K14该设计采用硬件系统与软件编程相结合的方式加以控制，其主程序流程图详见图 9。初始化始K1、K2 是否合上（ =0）？1.0p调 用花样 1 子程序 PATERN1循环次数是否达到调用花样 2 子程序PATERN2K3K8 是否合上（ 等=0）？1.2p循环次数是否达到K9K14 是否合上（ 等=0）？2.3p调用花样 38 子程序 PATERN38循环次数是否达到NYNNNNNYYYY图 9 主程序流程图判断 花样选择用 JB bit，rel；调用花样子程序或是延时程序用1K6LCALL address16；花样重复次数 则用 DJNE Rn，rel。具体实现花样扫描的方式则通过软件编程控制。 174.2 程序编制设计采用硬件系统与软件编程相结合的方式加以控制，程序编制主要分为顺序扫描和 PWM 调光两大方面。4.2.1 顺序扫描程序该动感霓虹灯设计显示模块中有以 L1、L2 为起点的两条 LED 灯线， 该部分电路的控制需采用顺序扫描方式，下面简要介绍一下 8 路顺序扫描程序，其编写步骤如下：（1）首先对 MAX7219 进行初始化；（2）确定扫描花样，依照用户的喜好可以设计成如下花样：顺序扫描、流水扫描、追逐扫描等；（3）写出十六进制控制码，如以 8 路顺序扫描为例（表 3）；表 3 8 路顺序扫描状态 P G F E D C B