LED点阵驱动电路设计.docx

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LED点阵驱动电路设计

电子技术基础课程设计说明书

题目：

8x8LED点阵驱动电路设计

学生姓名：

王涉华

学号：

201306050122

院（系）：

理学院

专业：

电子科学与技术

指导教师：

戴庆瑜

2015年12月28日

1选题背景

LED点阵显示是利用发光二极管点阵模块或像素单元组成的平面式显示方式。

目前，由于成本及实用性的优势，以LED半导体发光器件为显示介质的大型显示屏在公共场合的广告宣传、通告发布等方面已得到广泛的应用，其驱动方式也随着技术的逐渐成熟而变得丰富多样，且各具特色。

一个大型LED显示屏由上万个甚至更多的LED单元构成，而如何控制这些单一的单元按照我们的预期呈现显示内容,即LED的单元驱动电路的设计便显得尤为重要。

如何设计一个既能满足显示要求又能尽量节省成本的LED驱动电路呢？

在这里，我以8x8点阵为例进行研究。

1.1基本设计任务

（1）能够显示0~9、a~z或A~Z，显示字符数量不少于8个；

（2）能手动或自动循环显示字符。

发挥设计任务

可实现显示内容的左右移动。

1.3设计原理

通过控制555单稳态触发器输入脉冲频率信号，再通过计数器作为存储器的输入，以存储器和译码器作为高低电平的输入，进而控制加在点阵LED灯两端的电压，这样就可以实现LED的亮灭控制。

1.4方案论证

方案一：

以74HC161和74HC138构成顺序脉冲发生器，输出作为共阴8x8点阵的横向驱动，纵向驱动由三态门74HC244控制存储器AT28C16的输出来进行调节，三态门控制存储器的八位输出只有一位有效，其它处于高阻状态，依次循环。

用两组8输出计数器74HC161作为AT28C16的地址输入，其中一组为另一组置位，每次可点亮一个灯，需要八分之一个字节，只需设置64个灯的总的点亮时间小于人眼的分辨时间（大概为0.02s），利用人眼的视觉暂留，64次循环后可点亮一屏画面，即显示一个完整画面，保持一段时间内显示不变，且在均等时间内亮起下个画面，即可实现所需的功能。

因为所用地址有11个，依照原理最多可显示256个画面，即可在实现基础内容的基础上实现拓展内容。

方案二：

以3输出的74HC161和74HC138构成顺序脉冲发生器，输出作为共阴8x8点阵的横向驱动，直接以AT28C16的输出作为纵向的驱动，以74HC138的输入计数器74HC161和另一片4输出的74HC161的输出作为AT28C16的地址输入，同时为防止纵向拉电流过小，横向灌电流过大，分别将横纵向输出接入一八进制非反转透明锁存器74HC573，并由它的输出分别驱动共阴管的横纵向。

每次点亮8个灯，点亮一屏画面需8个字节，只需设置8次点亮的总时间小于人眼的分辨时间，利用人眼视觉暂留，即可实现画面显示，保持一段时间内画面不变，继而显示下个画面。

因为存储器地址输入有7位，所以最多能显示16个画面。

可以完成基本任务，但拓展内容的实现还需对存储器地址进行拓展。

综合以上两种方案，方案一虽然可以显示较多画面且可直接实现拓展内容，但电路较为繁复，调试不易。

而方案二电路简单，但已能实现基本功能，且可以在拓展存储地址的情况下实现拓展功能。

故出于成本和时间的考虑，我选择了方案二。

2电路设计

2.1电路设计框图

图2-1LED点阵驱动器总体原理

工作原理

以3输出的74HC161和74HC138构成顺序脉冲发生器，输出作为共阴8x8点阵的横向驱动，直接以AT28C16的输出作为纵向的驱动，以74HC138的输入计数器74HC161和另一片4输出的74HC161的输出作为AT28C16的地址输入，同时为防止纵向拉电流过小，横向灌电流过大，分别将横纵向输出接入一八进制非反转透明锁存器74HC573，并由它的输出分别驱动共阴管的横纵向。

每次点亮8个灯，点亮一屏画面需8个字节，只需设置8次点亮的总时间小于人眼的分辨时间，利用人眼视觉暂留，即可实现画面显示，保持一段时间内画面不变，继而显示下个画面。

因为存储器地址输入有7位，所以最多能显示16个画面。

可以完成基本任务，但拓展内容的实现还需对存储器地址进行拓展。

3各主要电路及部件工作原理

555多谐振荡电路

图3-1555多谐振荡电路

工作原理：

由555定时器构成的多谐振荡器如图3-1所示，R1，R2和C是外接定时元件，电路中将高低电平触发端（6脚）和低电平触发端（2脚）并接后接到R2和C的连接处，将放电端（7脚）接到R1，R2的连接处。

由于接通电源瞬间，电容C来不及充电，电容器两端电压uc为低电平，小于（1/3）Vcc，故高电平触发端与低电平触发端均为低电平，输出uo为高电平，放电管VT截止。

这时，电源经R1，R2对电容C充电，使电压uc按指数规律上升，当uc上升到（2/3）Vcc时，输出uo为低电平，放电管VT导通，把uc从（1/3）Vcc上升到（2/3）Vcc这段时间内电路的状态称为第一暂稳态，其维持时间TPH的长短与电容的充电时间有关。

充电时间常数T充=（R1＋R2）C。

由于放电管VT导通，电容C通过电阻R2和放电管放电，电路进人第二暂稳态.其维持时间TPL的长短与电容的放电时间有关，放电时间常数T放＝R2C0随着C的放电，uc下降，当uc下降到（1/3）Vcc时，输出uo。

为高电平，放电管VT截止，Vcc再次对电容c充电，电路又翻转到第一暂稳态。

不难理解，接通电源后，电路就在两个暂稳态之间来回翻转，则输出可得矩形波。

电路一旦起振后，uc电压总是在（1/3～2/3）Vcc之间变化。

【注：

此设计所用555振荡周期

U1t=（20+2x20）KΩx1nfx0.693=41.58x10^（-6）s

U2t=（47+53X2）KΩ】

3.274HC161引脚图及工作原理

图3-2-174HC161引脚图

表3-2-274HC161功能表

工作原理：

当清零端CR=“0”，计数器输出Q3、Q2、Q1、Q0立即为全“0”，这个时候为异步复位功能。

当CR=“1”且LD=“0”时，在CP信号上升沿作用后，74LS161输出端Q3、Q2、Q1、Q0的状态分别与并行数据输入端D3，D2，D1，D0的状态一样，为同步置数功能。

而只有当CR=LD=EP=ET=“1”、CP脉冲上升沿作用后，计数器加1。

74LS161还有一个进位输出端CO，其逻辑关系是CO=Q0·Q1·Q2·Q3·CET。

合理应用计数器的清零功能和置数功能，一片74LS161可以组成16进制以下的任意进制分频器。

3.374HC138引脚图及工作原理

图3-3-174HC138引脚图

表3-3-274HC138真值表

工作原理：

74HC138按照三位二进制输入码和赋能输入条件,从8个输出端中译出一个低电平输出。

两个低电平有效的赋能输入端和一个高电平有效的赋能输入端减少了扩展所需要的外接门或倒相器,扩展成24线译码器不需外接门;扩展成32线译码器,只需要接一个外接倒相器。

在解调器应用中,赋能输入端可用作数据输入端。

3.474HC573引脚图及工作原理

图3-474HC573引脚图

工作原理：

74HC573的八个锁存器都是透明的D型锁存器，当使能（G）为高时，Q输出将随数据（D）输入而变。

当使能为低时，输出将锁存在已建立的数据电平上。

输出控制不影响锁存器的内部工作，即老数据可以保持，甚至当输出被关闭时，新的数据也可以置入。

这种电路可以驱动大电容或低阻抗负载，可以直接与系统总线接口并驱动总线，而不需要外接口。

特别适用于缓冲寄存器，I/O通道，双向总线驱动器和工作寄存器。

3.5AT28C16引脚图及相关参数

图3-5-1AT28C16引脚图

表3-5-2AT28C16引脚功能

3.6上电复位及开关手动复位电路设计

图3-6上电复位及开关手动复位电路

工作原理：

（1）上电复位：

通电时，电容相当于短路，Res的输出为低电平，随着电容的充电，Res端电压逐渐增大，达到一定程度时，即为高电平，电路开始工作。

（2）手动开关复位：

经过上电复位后，当按下按键时，电容会通过开关形成回路释放储存电荷，当按键松开时，又会重复进行上电复位过程进而对电路进行复位。

3.78x8共阴点阵

图3-7-18x8共阴点阵内部电路

测试及引脚评定：

将万用表打至二极管通断测试档位。

1.定正负极:

先用黑色探针（阴极）随意选择一个引脚，红色探针碰余下的引脚，看点阵有没发光，没发光就用黑色探针再选择一个引脚，红色探针碰余下的引脚，当点阵发光，则这时黑色探针接触的那个引脚为负极，红色探针碰到就发光的8个引脚为正极，剩下的7个引脚为负极。

2.引脚编号:

先把器件的引脚正负分布情况记下来，正极（列）用数字表示，负极（行）用字母表示，先定负极引脚编号，红色探针选定一个正极引脚，黑色色点负极引脚，看是第几行的二极管发光，第一行就在引脚写A，第二行就在引脚写B，第三行......以此类推。

这样就点阵的一半引脚都编号了。

剩下的负极引脚用同样的方法，第一列亮的就在引脚标1，第二列就在引脚标2，第三列......

我所测得此次所用的共阴的引脚如下图（器件编号那边面对自己）

图3-7-28x8点阵引脚图

3.874HC04引脚图及功能

图3-8-174HC04引脚图

表3-8-274HC04功能表

4原理总图

图4-1电路原理总图

5元件清单

表5-1元件清单

器件

数量

备注

74HC161

2

74HC138

1

NE555

2

AT28C16

1

74HC573

2

8X8共阴点阵

1

导线、电容、电阻、开关

若干

6调试过程及测试数据（采用分模块调试）

6.1通电前检查

在通电前用万用表二极管通断档测量电路总电源正负极，查看是否有短路现象，若有，检查短路线路并修改，若没有，则继续进行电路通电测试。

6.2复位电路及手动开关复位电路的调试

通电前断开除复位电路之外的电路，将Res信号接至示波器，通电后观察波形。

之后恢复原电路

图6-2-1上电复位电平信号

图6-2-2手动复位电平信号

6.3NE55的调试

断开其他单元，仅保留NE555单元及其周边电路，接通5V电源，用示波器观察3号引脚输出波形，理论上按图接线后此时NE555应处于多谐振荡状态，输出为方波，再观察输出方波是否为所设定频率，幅值是否在可接受范围内，确认无误后，恢复原电路。

6.4AT28C16的调试

用存储器烧录器（可用EasyPRO系列编程器，如EasyPRO80B）将准备好的数据输入，将存储器AT28C16放到相应位置，按步骤写入，待写入完成后，重启软件，点击读观察所读数据是否之前所写数据，若出现乱码或不是之前所写数据，则表明烧写失败，需重新烧写；若是，则写入成功，将AT28C16以前的电路接好，在AT28C16的输出端接上8个二极管，将多谐振荡器2的输出脉冲接入两个74HC161，观察二极管是否按期望顺序依次点亮，若是，则表明存储器模块调试成功

表6-4烧录数据表

6.5结果观察调试

检查无误，并恢复连接好电路后，通电观察效果。

若显示正常，则调试完毕。

若未正常显示目标画面，分析问题并修改相关电路，再次观察，重复上步骤直至正常显示画面。

（0~F）

7电路实物

7.1整体实物电路展示

图7-1-1电路实物正面

图7-1-2电路实物反面

7.2电路功能部分展示

图7-2-1数字“5”的显示

图7-2-2数字“4”的显示

图7-2-3字母“A”的显示

图7-2-4数字“7”的显示

图7-2-5字母“F”的显示

8小结

本次课设花费近两个月时间，从开始设计电路图到电路图调试，从开始购买原器件到开始焊板子，完后进行调试，为要实现最终要求，调试占用了大量的时间。

这次课设顺利完成既有老师的大力帮助，同时也有组员们的献计献策，而且也是理论知识的完美应用，因此在辛苦的同时收获也是很大的

9设计体会及改进意见

9.1设计体会

这次课设我们从构思到原理图到成品全部是自己动手，真正到用的时候才深切体会到自己所学不足，自己焊板子感觉各种累，一不小心就弄错了，经过了好多次拆了又焊，焊了又拆的过程。

与此同时我也学到了很多东西，狠狠复习了以前学过的数模电知识，知道了自己的不足之处，同时也锻炼了我们的耐心，我想这次课设将是是我在以后电子设计路程上的里程碑，我很喜欢设计，也将继续走下去，从另一方面来，也增加了我对本专业的信心，让我们对以后的课程学习充满了兴趣！

虽说并未完成拓展内容，但基础部分还是完整的完成了。

我们能坚持下来也是对我们的一次肯定，相信在以后处理各种各样的问题时我们能做得更好，同时也想感谢在我课程设计中给与我们巨大帮助的同学和老师，谢谢你们!

9.2设计不足

本方案电路结构简单，调试简单，所用元器件少，成本较低基本达到了课题要求。

但同时对EEPROM利用率较低只用了1/16的内存空间，造成极大浪费，并由于时间问题未达成扩展部分设计要求。

9.3设计改进意见

在原有电路的基础上可添加一个74HC161作为AT28C16地址输入，其点平信号由上路74HC161的进位信号提供。

重新编写移位数据，即可实现拓展功能。

参考文献

【1】.第四版