LED应用技术-课件 学习单元7、8 单片机LED控制系统设计、LED新技术与配光应用

1学习单元7单片机LED控制系统设计7.1ATMEGA16单片机简介7.24位数码管显示系统设计7.3英文字符点阵显示系统设计7.4中文字符显示系统设计7.5串口通信控制点阵显示系统设计7.1ATMEGA16单片机简介2ATmega16单片机最小系统1管脚说明提纲1管脚说明ATmega16封装形式VCC数字电路的电源GND地端口B(PB7..PB0)端口B为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。端口C(PC7..PC0)端口C为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。端口D(PD7..PD0)端口D为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲RESET复位输入引脚。XTAL1反向振荡放大器与片内时钟操作电路的输入端。XTAL2反向振荡放大器的输出端。AVCCAVCC是端口A与A/D转换器的电源。AREFA/D的模拟基准输入引脚。2ATmega16单片机最小系统ATmega16全功能最小系统

7.24位数码管显示系统设计

2数码管显示实例18段LED数码管结构提纲18段LED数码管结构8段LED数码管结构

单片机向字段输出口发送字形码时，虽然所有数码管都接收到相同的字形码，但是否点亮则要受控制端控制。如上例中选的是PB3，若要第一位数码管亮。因所有数码管的8个笔画段a～h的同名端连在一起，在同一个瞬间所有的数码管都是显示相同的数，那么如何显示2547不同的数字呢？这里采用循环扫描的方式。设计要求：在4位数码管的第一位置显示一个数字‘2547

系统调试打开ICCAVR软件，菜单栏选择“工程”中的“新建工程”，命名为DT.prj保存，然后在菜单栏选择“文件”中的“新建文件”弹出的窗口中编写程序，然后保存后缀为“DT.c”的程序，最后把该文件加载到工程中。菜单栏选择“项目”中的“编译”，如果程序无误即编译成功，否则修改程序直至编译成功。打开Proteus软件，新建文件File→NewDesign，同样在弹出的原理图编辑窗口中绘制原理图，然后保存。加载程序，选择单片机上双击鼠标，在弹出的对话框中点击“programfile”选择在ICCAVR软件中编写保存的程序如“DT.cof”，点击“OK”即加载成功。在Proteus软件中的左下方点击图标仿真调试开始。7.34位数码管显示系统设计

2电路设计1点阵显示器简介提纲1点阵显示器简介1）显示原理8×8点阵LED外观及引脚图

8×8点阵LED内部结构2）显示方式LED显示器工作方式有两种：静态显示和动态显示。静态显示是指显示数码、字符、图像、视频时，显示屏上的LED点同时发光。这种方式的优点是占用CPU时间少、便于控制、亮度高；缺点是占用硬件资源多；动态显示是指利用人眼的视觉暂留特性，即当亮度熄灭的时间小于1/25秒时，给人们感觉是亮度没变，将LED显示屏的各行分别点亮。N行共占用一个显示数据驱动器，每行通电占空比时间为1／N，所以相比静态显示，动态显示亮度稍差一些，选择限流电阻式应该略小于静态显示电路。3）工作参数允许功耗Pm:允许加于LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。超过此值，LED发热、损坏。最大正向直流电流IFm：允许加的最大的正向直流电流。超过此值可损坏二极管。最大反向电压VRm：所允许加的最大反向电压。超过此值，LED发光二极管可能被击穿损坏。工作环境topm:LED发光二极管可正常工作的环境温度范围。正向工作电流IF：它是指发光二极管正常发光时的正向电流值，LED的工作电流IF一般选在10~20mA。正向工作电压VF：参数表中给出的工作电压是在给定的正向电流下得到的。2电路设计7.4中文字符显示

2电路设计1汉字LED显示屏简介提纲1汉字LED显示屏简介汉字字模提取：可用来提取点阵汉字字模的软件很多，如：“汉字字库”、“字模提取”、“点阵字库软件”，等有的软件上可以对不满意的字模进行修改，本设计采用ZIMO221.EXE软件提取字模。点亮时间：为使在点阵屏上显示的内容没有闪烁感，点亮一屏的频率要大于24Hz，那么点阵一行的时间就要小于1.5ms。驱动能力：由点阵屏的连接方式，以4个字的点阵为例，共阳的一行就有4×16=64个LED管。单片机接口：为有效扩展单片机IO口资源，列采用74LS138或74LS154进行扫描，行采用串行输入数据。硬件电路主要包括ATmega16单片机最小系统和LED点阵驱动电路

2电路设计

7.5中文字符显示

2电路设计1电路组成及控制单元设计提纲1电路组成及控制单元设计系统结构框图1）显示屏行驱动电路设计从单片机输出五个信号分别输入到2个级联的74HC154译码器，然后输出16位行信号，接单片机PC口2）显示屏列驱动电路设计从单片机里出来的列信号通过8个8位74HC595级联而成信号输出端连接16*16的点阵LED的输入端。3）PC机与ATmega16串口通信电路设计PC机与89c52串口通信由RS232转换电路、子模块地址标识电路和点阵驱动电路组成。硬件电路主要包括ATmega16单片机最小系统、串口通信电路和LED点阵驱动电路。

2电路设计27学习单元8LED新技术与配光应用8.1LED控制系统新技术8.2LED的应用与配色8.3LED的二次光学设计8.4LED的防静电控制8.1LED控制系统新技术2常见LED灯饰控制系统1

LED控制协议与接口提纲4联网控制与单机控制3LED-NET系统的特点

TCP/IP协议(TransferControlProtocol/InternetProtocol)叫做传输控制／网际协议，又叫网络通信协议，这个协议是Internet国际互联网络的基础。1

LED控制协议与接口1）TCP/IP

2）DMX512DMX512协议最先是由USITT发展成为从控制台用标准数字接口控制调光器的方式。

DMX512超越了模拟系统，但不能完全代替模拟系统。

DMX512的简单性、可靠性以及灵活性使其迅速成为资金允许情况下选择的协议，除了调光器外，还有一系列不断增长的控制设备。

DMX512仍然是科学上的一个新领域，具有在规则基础上产生的各种技术。串行SPI控制方式。以级联的方式进行控制。由于这种控制方式的芯片是专为LED显示屏设计的，而为显示屏设计的LED驱动芯片是多路的，如8路、16路，所以这种控制方式应用较多的是在LED轮廓灯上。以RS485联网控制方式。每个LED灯具内置一片单片机进行控制并连接到RS485总线上，通过一台控制器对RS485总线上的每个单片机进行控制。DMX512控制系统。目前，DMX512是应用最广泛的LED控制系统，实际上是LED市场单独的标准。2常见LED灯饰控制系统LED—NET系统由PC应用软件、DMX512炫彩灯光控制器、DMX512解码器、DMX512地址写入器等组成。LED—NET系统可分为Ethernet和DMX512区两部分，两部分可以分离开，也可以结合在一起。由于DMX512协议要对每个接收设备设定地址，通常是每个接收设备有一个二进制或十进制拔码开关设定地址。3LED-NET系统的特点通过局域网与PC连接实现联网控制，实时显示PC机上显示的图像，采用这种连接方式使系统组网更加灵活方便，可以控制无限多的LED灯饰，也可实现脱机控制。每个炫彩灯光控制器都有一个MMC/SD卡接口，通过PC端软件把变化程序烧写在MMC/SD卡上，通过RS485总线实现N台控制器的同步。4联网控制与单机控制使用一台炫彩灯光控制器，把用PC软件制作好的变化程序写到炫彩灯光控制器的MMC/SD卡上。可控制单色512/1024或全彩170/340个像素点。炫彩灯光控制器应用8.2LED的应用与配色

2LED应用在显示屏1

LED交通信号灯配光应用提纲4超高亮LED控制技术3配色和混色问题

1

LED交通信号灯配光应用1）交通信号灯基本光学系统白炽灯交通信号灯结构

LED交通信号灯结构

无论是欧洲的ECE、美国的ITE，还是我国的国家标准,对于信号灯光分布的要求大多体现为H-V系统内的光强分布。因此，可以计算出达到标准要求的最小光通量2）光通量的估算利用此式可以计算所用LED的光通量LED光强分布示例

透镜越厚，意味着光在经过透镜过程中损失越多，并且计算中用薄透镜近似而引入的误差也越大。3）透镜单元菲涅耳透镜与凸透镜厚度比较

LED交通信号灯单元结构示意图

LED交通信号灯2LED应用在显示屏

LED背光

LED显示屏红色LED灯亮度为cd/m2÷点数/m2×0.3÷2绿色LED灯亮度为cd/m2÷点数/m2×0.6蓝色LED灯亮度为cd/m2÷点数/m2×0.1例如：每平米2500点密度，2RIGIB，每平米亮度要求为5000cd/m2，则红色LED灯亮度为5000÷2500×0.3÷2-0.3(cd)绿色LED灯亮度为5000÷2500×0.6÷2-1.2(cd)蓝色LED灯亮度为5000÷2500×0.1-0.2(cd)每像素点的亮度为0.3×2+1.2-1-0.2=2.0(cd)注：此处以亮度为计算依据，红、绿、蓝的亮度以3：6：1的比例关系设置。

LED应用在显示屏中亮度及点密度的计算在不同的环境背景条件下，LED显示屏所需的亮度是不同的，一般情况如下：室内：大于800cd/m2；半室内：大于2000cd/m2；户外（坐南朝北）：大于4000cd/m2；户外（坐北朝南）：大于8000cd/m2。

在不同的环境下LED显示屏需要的亮度室内室外显示屏LED显示屏与LED灯饰的相同点与不同点相同点都是采用LED发光管;都是用红、绿、蓝三种发光管形成丰富的色彩;均可显示各种色彩的文字、图像、视频;主要区别显示屏要求LED发光管的一致性要高;显示屏点阵的排列紧密，灯饰的排列稀疏;显示屏显示精细的图像与视频显示屏生产成本较高，灯饰生产成本较低。

LED大屏是由大量的发光二极管组成的，必须对所用发光二极管的光电参数进行设计、计算和测试，才能达到良好的白平衡。简单的估算和凭肉眼感觉判断是不可能有好效果的。3配色和混色问题

LED真彩显示单元

1)LED的排列结构在同一个发光单元中LED应紧密排列，这样可使得各LED的光斑在观赏者眼中成像重叠；相邻发光单元中心距应相同，并且该中心距满足4超高亮LED控制技术显示控制电路分为三个模块：红色模块、绿色模块、蓝色模块。

2)控制电路结构控制电路结构微控制器通过一条数据输出线向LED驱动芯片的串行数据输入脚发送串行数据;另一条数据输出线向LED驱动芯片的时钟信号输入脚发送时钟控制信号;微控制器向LED驱动芯片的输出允许控制脚发出输出使能信号，使LED驱动芯片根据所存储的数据驱动LED发光。若将红、绿、蓝三基色LED按一定比例和一定的结构排列起来，可显示出各种颜色、多种图案、文字以及其组合形成的任意动态显示效果。3)控制原理运用嵌入式控制技术对每个红、绿、蓝LED实现全数字的、独立的控制，每种单基色可产生256级灰度。可实现按占空比方式对各红、绿、蓝LED发光灰度协调控制，使三基色发光二极管按灰度等级混合后可以产生1600多万(2563)种颜色。由于能对每个红、绿、蓝LED管实现独立控制，这样本控制电路可以根据用户需求，全彩地显示各种图案、文字以及两者任意组合而产生的各种效果。4)控制电路特点8.3LED二次光学设计

2LED系统的光学设计1LED光学设计的基本光学元件提纲透镜的作用是使点光源发出的光线进行汇集或发散，起到改变出光角度的大小从而改变照明面积和照度的作用。在实际使用中，通过改变光源到镜头的距离Lf来控制光束发散角W。1LED光学设计的基本光学元件1）透镜透镜对光线的作用

抛物面:抛物反射面把位于焦点，处的光源所发出的光线变为平行光2）非球面反射镜抛物面椭球面:椭球反射面把位于第一焦点F1处的光源汇聚到另一焦点F2处，从而起到汇聚光线的作用

椭球面双曲面:双曲反射面是把焦点F2处的光源成像在虚焦点F1处，相当于光线由F1发出，实际起到改变光源发散角的作用

双曲面3）折光板柱形或球形折光板

梯形折光板齿形折光板散射板的原理与梯形折光板或柱形折光板相同，主要在一个方向扩展光束角，同时使照明均匀。在用做信号灯时，可以使发光面显示均匀。

2LED系统的光学设计1）散射型LED的散射型系统光学设计由于LED单管封装时聚光能力有限，因此需外加透镜或透镜阵列进一步聚光，从而达到提高光强的目的。

2）聚光型LED的聚光型系统光学设计8.4LED的防静电控制

2带电电位与体电阻率1静电基础知识提纲4防静电措施3生产环境什么是静电(ES，electrostatic)，即由于电荷和电场的存在而产生的一切现象。静电并非静止不动的电，而是缓慢移动的电荷。其磁效应可以忽略。静电与常用电从性质上是一样的，本质都是电荷。1静电基础知识

1）静电的概念

2）静电现象静电力学现象静电引力，像静电吸尘、静电植绒、静电复印机等；静电排斥力，如纸张布卷绕不齐、不规则，整形不佳，混合不良。静电感应现象静电噪音，机器损耗，继电器与电子元件误工作，自控失灵，电路不良，必须加以静电屏蔽。我们常见的油轮、油罐汽车上会带有一根铁链连接地面，就是用于静电放电。静电放电现象静电噪音、放电噼啪声，雷鸣电闪，天空乌云与地面正负电荷放电，等等。可以导致电子元器件pn结击穿、自动开关误操作等。3）静电的产生

任何物体上的静电，主要都是由于摩擦或感应两个过程产生的，这是一种普通的物理过程，尤其是干燥环境下的气体或者高纯水高速流动过物体表面，都会使之带上电荷。一般情况下，无机材料（如石棉、玻璃、云母等）更易带正电荷；有机高分子材料（如聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯树脂、聚亚胺酯等）易带负电荷。

物体摩擦带电情况静电来源相对湿度10%～25%RH的静电电位相对湿度65%～90%RH的静电电位行走在地毯上35000V15000V行走在胶地板上12000V250V在工作台上操作6000V100V捡起塑料胶袋20000V1200V推动发泡胶椅子18000V1500V人在室内做出动作时所带的静电体电阻处于1011～l014Ω·cm的绝缘体最易摩擦起电；体电阻<l010Ω·cm的材料含杂质多，导电性较好，产生静电可以很快消失。工作人员穿着橡胶鞋、聚乙烯拖鞋、合成纤维袜子在车间内走动，或在聚胺酯地面、塑料工作面上操作，可以使人体带上2000～3000V的静电。2带电电位与体电阻率半导体制成器件电阻率(Ω·cm)导热系数(W／(m·k))散热性抗静电电压(v)硅二极管三极管的衬底10-2～l02<l09150较好600碳化硅红色LED的衬底105～l06490好1000蓝宝石蓝光、白光LED的衬底>10649较差500硅、碳化硅、蓝宝石的物理特性3生产环境

地面、墙壁、工作台带静电情况：光刻车间塑料板地面的静电电位约为500～1000V，扩散、洗手间的塑料墙纸为500～1500V，清洗间的瓷质地面为0～1500V，扩散间的塑料墙地面为700V，塑料顶棚为0～1000V。