LED電子禮花樹控制器設計

摘要：用LED取代小型燈泡作為電子禮花樹的顯示器件具有節電、工作壽命長、高亮度、多發光顏色、響應快等優點。依據LED顯示器件的特點及系統的可維護性和可擴充性需求，文章給出了一種電子禮花樹系統主板、LED顯示驅動板的硬件原理電路及主程序的工作流程框圖，同時也對LED顯示驅動芯片TPIC6B273進行了簡要介紹。

關鍵詞：禮花樹；LED；嵌入式系統；單片機；TPIC6B273

隨著人們工作、學習、休閑和娛樂環境的不斷改善，城市的美化、亮化工程也在不斷改觀。電子禮花樹作為美化、亮化工程的一項重要景觀，一直為人們所重視。但現有的電子禮花樹是以低壓小型燈泡作為光源，在實際使用中凸現出耗電大、使用壽命短、易損壞以及缺乏色彩等嚴重缺點。

ＬＥＤ是一種性能優良的顯示器件，具有壽命長、節電、高亮度、多種發光顏色、響應速度快和驅動電壓低等優點。用ＬＥＤ取代低壓小型燈泡作為仿真禮花樹的光源器件，不僅可以克服其原有缺點，而且具有節電、工作壽命長、高亮度、多發光顏色、響應速度快等優點，且在節省大量能源的同時還可以使電子禮花的工作更加豐富多彩、引人入勝。

用ＬＥＤ作為顯示器件的電子禮花樹的控制器是以嵌入式微處理器為核心，輔以適當的驅動電路組成的。該控制器可在專用控制軟件的控制下進行相應的工作。

圖1

１　硬件電路設計

為了保證系統良好的維護性能并滿足系統的可擴充需求，ＬＥＤ電子禮花樹控制器在硬件電路的設計上采用了插板式的模塊化設計方案。主控電路板和驅動電路板分設為兩塊插板，各自完成獨立的不同功能，兩種插板按照等同大小的幾何尺寸來設計ＰＣＢ板。一個ＬＥＤ電子禮花樹控制器僅需要一塊主控電路板和若干塊驅動電路板（依據ＬＥＤ電子禮花樹的規模大小而定）。主控電路板通過自定義的總線來控制各個驅動電路板的工作。在實際工作中，所有的主控電路板和驅動電路板都分別插在具有導軌的“機籠”中，各個插板之間主要通過２６芯的扁平電纜來實現總線的互連，因而可方便系統的擴充并使系統的維修變得簡單、快捷。

１．１ 主控電路板設計

ＬＥＤ電子禮花樹是以嵌入式微處理器８９Ｃ５２（ＩＣ５）為核心，由于數據總線的數據只向外輸出，因此，數據總線和地址總線的數據在經過７４ＨＣ２４４總線驅動器（ＩＣ１、ＩＣ２）驅動后，應送入互連總線以增加系統的抗干擾能力。而用可編程門陣列芯片ＧＡＬ１６Ｖ８（ＩＣ３）作為輸出芯片的高端地址譯碼，既可簡化譯碼電路，又可保證各輸出芯片地址譯碼的唯一性。硬件“看門狗”定時器電路是用具有ＲＣ振蕩電路的波動計數器、ＣＭＯＳ芯片ＣＤ４０６０（ＩＣ４）為主構成的，其中Ｃ１、Ｒ１和ＶＤ２組成上電復位電路。改變Ｒ２或Ｃ３的值就可以微調“看門狗”定時器的工作時間，而改變ＶＤ３正極引腳到ＣＤ４０６０輸出引腳的連接位置可以成倍地改變“看門狗”定時器的工作時間。跳線開關Ｋ１主要用于模擬禮花彈發射升空過程的工作速度設置，跳線開關Ｋ２用于模擬禮花彈高空爆炸過程工作速度的給定。總線的互連可通過專用接口（Ｚ１）來實現。ＬＥＤ電子禮花樹主控電路板的電路原理圖如圖１所示。

圖2

１．２ 驅動控制電路板設計

本電路的驅動電路板電路原理圖如圖２所示。為了系統擴展方便，該驅動電路采用插板結構設計方案，每個輸出插板選用４個ＴＰＩＣ６Ｂ２７３做數據鎖存、功率驅動及輸出工作。ＴＰＩＣ６Ｂ２７３如同７４ＬＳ２７３與ＭＣ１４１３的結合體（ＭＣ１４１３僅７路輸出驅動，而ＴＰＩＣ６Ｂ２７３為８路輸出驅動），它是由美國ＴＩ公司生產的集８位數據鎖存、功率驅動為一體的８通道Ｄ型觸發器功率輸出器件，具有８位數據鎖存、數據驅動輸出控制的復合功能。因此，該器件的應用電路設計十分簡潔。

圖２中，通過比較譯碼芯片７４ＨＣ６８８（ＩＣ２）和２－４譯碼芯片７４ＨＣ３９３（ＩＣ６）與跳線開關Ｋ１等相配合能完成可變地址的譯碼，并可選擇各個輸出驅動芯片（ＩＣ１、ＩＣ３、ＩＣ４和ＩＣ５）的選通、數據鎖存工作。由于采用了六位可變地址譯碼，因此，本ＬＥＤ電子禮花樹控制器可擴展驅動２６＝６４塊驅動板。

電子禮花樹上的ＬＥＤ工作狀態是短時動態工作狀態，且都選用超高亮度的ＬＥＤ作為發光元件，設其短時瞬態工作電流為４５ｍＡ（３～４倍的額定靜態工作電流），混合搭配使用的各色ＬＥＤ的平均管壓降為２．５伏，則各芯片的每一路輸出（依據ＴＰＩＣ６Ｂ２７３負載的性能和電流限定）可驅動三個并聯（３４５＝１３５ｍＡ＜１５０ｍＡ）和（依據ＴＰＩＣ６Ｂ２７３的負載電壓限定）２０只串聯ＬＥＤ（２．５２０＝５０Ｖ）。因此，ＴＰＩＣ６Ｂ２７３的每一位驅動輸出在理論上可驅動的ＬＥＤ為：?２．５２０?３＝１５０個。實際上，為了工作的可靠，應采用降額工作方式，即選擇驅動一半數量的ＬＥＤ（約８０個）。每個電子禮花樹驅動板有四個驅動芯片，每個芯片８位，則每個電子禮花樹驅動板可驅動ＬＥＤ為：８０８４＝２５６０個。設計時可以此為基礎并根據電子禮花樹的大?。ㄊ褂茫蹋牛牡亩嗌伲﹣磉x擇不同數量的驅動電路板。

２　控制軟件設計

ＬＥＤ電子禮花樹由樹干（用于模擬禮花彈發射升空過程）和樹枝（用于模擬禮花彈高空爆炸顯示景觀）兩個顯示部分組成。由于電子禮花樹工作在夜晚，作為支撐體的樹枝、樹干已極為模糊，樹枝、樹干上不同的ＬＥＤ顯示源的受控工作點亮過程將模擬出禮花彈由發射升空到爆炸的全部工作過程。

電子禮花樹軟件設計的主要任務是模擬禮花彈的工作過程（發射－爆炸），尤其是以高空爆炸的顯示景觀。設計時?應首先為高空顯示景觀命名（如夢幻世界、大地紅、滿天星等）?然后依據其景觀現象描繪和設計其具體工作過程，并依此來編寫相應的顯示工作軟件模塊。一個電子禮花樹可設計１０～１６種顯示工作模塊，以增加顯示花樣。為了防止電子禮花樹長時間工作使觀賞者感到乏味，每一個工作周期都以隨機方式產生一個顯示模塊工作順序并存于線性工作表中，控制程序通過依次查對線性工作表中的數據來決定哪一個模塊工作。由于顯示工作模塊的工作狀態千差萬別，圖３僅給出了該電子禮花樹的主程序工作流程。

３　結束語

該ＬＥＤ電子禮花樹及其控制器經過冬、夏惡劣環境條件下的長時間使用證明，系統工作可靠，優點突出、明顯。