1、 XINYU UNIVERSITY 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） （ 2013 屆）題 目 高亮度LED樓道燈電路設(shè)計(jì) 二級(jí)學(xué)院 機(jī)電工程系 專 業(yè) 機(jī)電一體化 班 級(jí) 機(jī)電一體化2班 學(xué) 號(hào) 1001040241 學(xué)生姓名 劉小琳 指導(dǎo)教師 熊春茹老師 目 錄摘 要IAbstractII第一章 緒 論11.1 引言11.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)11.3 本文研究的內(nèi)容2第二章 LED控制電路設(shè)計(jì)方案42.1 LED光電特性42.2 LED的驅(qū)動(dòng)方式62.3 電源的設(shè)計(jì)方案82.4 時(shí)間控制的設(shè)計(jì)方案9第三章 LED控制電路設(shè)計(jì)113.1 系統(tǒng)的功能113.2 LED驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)113.3 電源的設(shè)計(jì)12

2、3.4 時(shí)間控制的設(shè)計(jì)213.5 總體電路設(shè)計(jì)27第四章 總結(jié)29致 謝30附 錄31參考文獻(xiàn)33中文摘要 摘 要隨著信息時(shí)代高新技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對(duì)及時(shí)獲取并顯示各類信息的愿望日益強(qiáng)烈，由此帶動(dòng)了信息傳媒的飛速發(fā)展，發(fā)光二極管（LED）顯示屏就是信息顯示的重要傳媒之一。LED顯示技術(shù)是將光電、計(jì)算機(jī)及控制等技術(shù)綜合一體的現(xiàn)代新技術(shù)。由于它在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥和城市照明方面應(yīng)用很廣泛，因此對(duì)其驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)顯得尤為重要。本文詳細(xì)的分析了LED的驅(qū)動(dòng)方式，給出了LED顯示控制系統(tǒng)具體的設(shè)計(jì)方案。整個(gè)系統(tǒng)分文電源設(shè)計(jì)部分和時(shí)間控制部分。電源部分采用5V直流穩(wěn)壓電源，電源設(shè)計(jì)采用了變壓、濾波、穩(wěn)壓、

3、整流這4個(gè)部分。每個(gè)部分都有不同的選擇，選擇不同的電路達(dá)到的目的和效果也和不同，因此本文通過仿真和實(shí)際詳細(xì)分析了每個(gè)部分的功能和為什么選擇這種連接方式。時(shí)間控制部分主要采用了555定時(shí)器，因?yàn)槠潇`活、功能強(qiáng)大、價(jià)格便宜受到很多人的喜歡。根據(jù)外圍電路的不同連接可組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)，多穩(wěn)態(tài)觸發(fā)和多諧振蕩三種方式。本次設(shè)計(jì)主要采用多穩(wěn)態(tài)觸發(fā)方式達(dá)到定時(shí)的目的，定時(shí)部分采用二極管的亮滅來顯示。總體實(shí)現(xiàn)一個(gè)定時(shí)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以控制LED亮滅時(shí)間。關(guān)鍵詞：LED，電源，時(shí)間控制，定時(shí)，發(fā)光二極管顯示英文摘要 AbstractWith the rapid development of high-tech inf

4、ormation age, people have desire in acquiring and displaying all types of information timely strong , thus driving the rapid development of information media, light-emitting diode (LED) display is one of the important display information media. LED display technology is integrated optical-electronic

5、, computer and control technologies as a modern technology. As its applications is very wide in industry, agriculture, medicine, and urban lighting. So the design of its driving circuit is very important.This paper analyses LED driving mode detailed, give the special design scheme in LED display con

6、trol system. The whole system is divided in power design section and time control section. Part of the overall system power supply design dime and time control section. The power section adopt 5V DC regulated power supply and power design is made of four part such as transforming, filtering, voltage

7、 regulating and commutation. Every part has different choice and different choice in circuit get different object and effect. So this paper analyses detailed in function with every part and the reason of choosing this link mode through circuit simulation and actul.The 555 timer is the main part of t

8、ime control, Owe to its flexible, powerful, inexpensive that many people like. According to the various peripheral circuits connected to the monostable trigger component, multi-trigger and multi-harmonic steady-state oscillation in three ways. This design is main adopt multi-steady trigger to get th

9、e purpose of timing, the part of timing adopt LED bright or not to display.The whole design get the realization of an timing system and this system can control the time for LED bright or not.Keywords: LED ,power supply, time control, timing, LED display1 緒 論1.1 引言如今全世界對(duì)LED研究已經(jīng)很成熟了，為什么科學(xué)家發(fā)明了LED這種光源呢？

10、LED相比于熱光源有很多優(yōu)點(diǎn)：體積小、耗電量低、使用壽命長(zhǎng)、高亮度、低熱量、環(huán)保、堅(jiān)固耐用、多變幻、高新尖。在城市工業(yè)中，城市夜景照明追求的不是亮度，而是藝術(shù)的創(chuàng)意設(shè)計(jì)，小功率的LED產(chǎn)品應(yīng)該能夠找到他的用武之地。LED發(fā)光角度小，方向性強(qiáng)，可作局部重點(diǎn)照明。問題是要給設(shè)計(jì)師提供有足夠大的選擇范圍，外觀上也應(yīng)有美觀的要求?？梢钥隙ǖ卣f，LED將會(huì)在未來引領(lǐng)照明的時(shí)尚與新潮。在設(shè)施農(nóng)業(yè)中,通常所采用的人工光源是熒光燈與高壓鈉燈。近年來，隨著光電技術(shù)的發(fā)展,發(fā)光二極管(LED)的亮度與效率也大幅度提高,使得這種光源在設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用變?yōu)榭尚?，尤其?duì)封閉可調(diào)控的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境 (如植物工廠，組織培

11、養(yǎng)室、植物生長(zhǎng)箱等) 是一種非常合適的人工光源.為此,主要介紹了LED在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)1。市景觀照明追求的不是亮度，而是藝術(shù)的創(chuàng)意設(shè)計(jì)，LED產(chǎn)品應(yīng)該能夠找到它的用武之地。發(fā)光角度小的LED方向性強(qiáng)，可作局部重點(diǎn)照明；在封裝材料中添入散射劑可以實(shí)現(xiàn)175度的發(fā)光角適合較大范圍內(nèi)的照明，問題是目前城市夜景照明中建設(shè)單位過于追求高亮度難以給設(shè)計(jì)師提供足夠大的選擇范圍，目前在城市夜景照明工程中常用的LED光源主要有：線性發(fā)光燈具、裝飾草坪燈、景觀燈、球泡、水下燈、地面燈具：地埋燈、發(fā)光地磚、石燈、利用太陽(yáng)能電池作為能源的LED燈具2。國(guó)際上LED的醫(yī)學(xué)應(yīng)用研究工作從20世紀(jì)90年代開始，

12、1993年美國(guó)太空總署（NASA）首先提出LED生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用研究。其研究?jī)?nèi)容包括：利用LED照射舒緩宇航員運(yùn)動(dòng)疲勞、處理傷口，用于腫瘤的光動(dòng)力治療和消除皮膚炎癥、潰瘍，促進(jìn)創(chuàng)傷愈合以及面部嫩膚、除皺、除斑，治療座瘡等等。相繼推出LED醫(yī)療應(yīng)用成果的還有以色列和英國(guó)。通過大量臨床實(shí)踐，各國(guó)生物醫(yī)學(xué)界專家一致認(rèn)為L(zhǎng)ED醫(yī)療器械是目前最能替代He-Ne激光器進(jìn)行光療的器械，在醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域有著極其廣泛的開發(fā)前景3。故LED電路的設(shè)計(jì)顯得尤為重要，沒有驅(qū)動(dòng)LED永遠(yuǎn)發(fā)不了光。每個(gè)廠家所用LED都是一樣的，不同之處在于驅(qū)動(dòng)電路的不同，好的驅(qū)動(dòng)電路能使其工作時(shí)間更長(zhǎng)，發(fā)揮更多的作用，節(jié)約更多的能源，LED相

13、比于普通的白熾燈所用電量更少，但能發(fā)出同樣的光芒，使用年限也更長(zhǎng)，正因?yàn)橛懈鞣N高性能高質(zhì)量的電路使得LED能發(fā)揮其歷史性的作用，來為我們照福，為國(guó)家照福，為人類照福。1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)1.2.1 國(guó)外LED電路發(fā)展現(xiàn)狀半導(dǎo)體照明技術(shù)的開發(fā)研究引起了全球研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)的重視。國(guó)外共有近200家公司參與GaN器件、材料和設(shè)備的開發(fā)，近300所大學(xué)和研究所參與GaN的研發(fā)。目前，功率型白光LED光視效能（發(fā)光效率）已經(jīng)達(dá)到100 lm/W，研究水平達(dá)到160 lm/W。經(jīng)過技術(shù)發(fā)展和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，世界主要LED廠商已經(jīng)形成各自的技術(shù)特色。日本日亞化學(xué)處于全球技術(shù)領(lǐng)先水平，壟斷高端白色、藍(lán)、

14、綠色LED的市場(chǎng)，豐田合成在白光LED及車燈照明技術(shù)開發(fā)據(jù)國(guó)際前端；美國(guó)Cree的碳化硅襯底生長(zhǎng)GaN外延片國(guó)際領(lǐng)先，傳統(tǒng)照明巨頭Philips絕對(duì)控股的美國(guó)Lumileds功率型白光LED國(guó)際領(lǐng)先；傳統(tǒng)照明巨頭Osram歐司朗控股的德國(guó)歐司朗光電半導(dǎo)體功率型LED封裝和車用LED燈具開發(fā)國(guó)際領(lǐng)先4。1.2.2 國(guó)內(nèi)LED電路發(fā)展現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)的外延片生長(zhǎng)技術(shù)主要源于美國(guó)、基本上是進(jìn)口美國(guó)的有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉淀（MOCVD）裝備，這些裝備在美國(guó)就不是一流的裝備，在整個(gè)LED產(chǎn)業(yè)外延片的生長(zhǎng)、芯片、芯片封裝3個(gè)環(huán)節(jié)中，外延片生長(zhǎng)投資要占到70%，外延片成本要占到封裝成成品的70%，同時(shí)外延片生長(zhǎng)技術(shù)的

15、人才全世界都缺乏，簡(jiǎn)單的說，外延片的水平?jīng)Q定了整個(gè)LED產(chǎn)業(yè)水平，國(guó)內(nèi)近幾年也陸續(xù)引進(jìn)了50多臺(tái)MOCVD裝備，均處理大生產(chǎn)工藝摸索階段，一旦工藝成熟，則會(huì)上10倍地增大裝備數(shù)量形成規(guī)模生產(chǎn)，市場(chǎng)需求巨大。國(guó)家“863”計(jì)劃和信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展基金及時(shí)支持了國(guó)產(chǎn)外延設(shè)備如液相外延爐和MOCVD設(shè)備的研發(fā)（中科院半導(dǎo)體所、中電科技集團(tuán)公司第四十八所），通過整機(jī)消化吸收，關(guān)鍵技術(shù)再創(chuàng)新等措施，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，使長(zhǎng)期制約我國(guó)LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展的裝備瓶頸得以突破。隨著國(guó)家照明工程的起步，國(guó)內(nèi)LED芯片設(shè)備的巨大需求再次引起了國(guó)外半導(dǎo)體設(shè)備生產(chǎn)商的積極響應(yīng)，他們?nèi)找嬷匾曋袊?guó)這個(gè)巨大的市場(chǎng)，但是，這里面也存在著一個(gè)

16、隱憂，國(guó)外芯片設(shè)備高昂的價(jià)格，相對(duì)制約了國(guó)內(nèi)企業(yè)的規(guī)?；a(chǎn)業(yè)化發(fā)展，也消耗了國(guó)家大量寶貴的外匯。同樣也擠占了國(guó)內(nèi)設(shè)備生產(chǎn)商的發(fā)展空間。 1.3 本文研究的內(nèi)容論文在查閱了大量有關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)的分析了LED光源特性和LED的驅(qū)動(dòng)方式，給出了LED顯示控制系統(tǒng)具體的設(shè)計(jì)方案。整個(gè)系統(tǒng)分為電源部分和時(shí)間控制部分。1.3.1 LED光源特性了解LED光源特性及種類，不同種類LED應(yīng)用于不同的場(chǎng)合。因?yàn)槠浒l(fā)光效率高、耗電少、使用壽命長(zhǎng)、安全可靠性強(qiáng)、環(huán)保。所以在惡劣的場(chǎng)合應(yīng)使用壽命長(zhǎng)、精度要求不需太高的LED發(fā)光管。在實(shí)驗(yàn)室或者精密測(cè)量的場(chǎng)合應(yīng)使用精度高、電氣特性好的LED發(fā)光管。同時(shí)按照材料的

17、不同LED的種類也很多，有單管、七段數(shù)碼管、LED顯示屏等等?？筛鶕?jù)不同的要求選用不同的LED。1.3.2 LED驅(qū)動(dòng)方式了解LED的四種驅(qū)動(dòng)方式直流驅(qū)動(dòng)、恒流驅(qū)動(dòng)、脈沖驅(qū)動(dòng)和掃描驅(qū)動(dòng)。并知道每種方式應(yīng)用于什么場(chǎng)合。1.3.3 LED電源部分電源部分采用5V直流穩(wěn)壓電源。由于該電源主要由變壓、濾波、穩(wěn)壓、整流這4部分組成。所以本文電源部分主要從這4部分入手，每部分都有不同的選擇，主要通過仿真觀看波形來最終選擇合適的電路。選擇該電源的主要原因是簡(jiǎn)單而且很實(shí)用，畢竟提供LED發(fā)光不需要太高的電壓和電流，而且這次設(shè)計(jì)所用的是單管LED，因此對(duì)電源的要求很低。1.3.4 時(shí)間控制部分時(shí)間控制部分主要采

18、用555定時(shí)器。該芯片比較器靈敏度高、輸出驅(qū)動(dòng)電流大、功能靈活，因此在電子電路中獲得廣泛應(yīng)用。555時(shí)基電路可用作：脈沖發(fā)生器、方波發(fā)生器、單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器、雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器、自由振蕩器、內(nèi)振蕩器、定時(shí)電路、延時(shí)電路、脈沖調(diào)制電路、儀器儀表的各種控制電路。在本次設(shè)計(jì)中僅用到其定時(shí)的功能，來控制LED發(fā)光管的亮滅時(shí)間。該定時(shí)電路在日常生活中很常見，如電飯煲、空調(diào)等家用電器需要定時(shí)開關(guān)的。所以非常實(shí)用。第二章 LED控制電路總體方案2.1 LED光電特性2.1.1 LED器件的發(fā)光原理發(fā)光二極管，是一種把電能變成光能的特種器件，當(dāng)電流通過它的時(shí)候，產(chǎn)生可視的光。當(dāng)在PN結(jié)上加以正向電壓之后，P區(qū)的

19、空穴注入至N區(qū)，N區(qū)的電子注入至P區(qū)，LED顯示屏接口電路設(shè)計(jì)相互注入的電子與空穴相遇后即產(chǎn)生復(fù)合，這些少數(shù)載流子在注入和復(fù)合中產(chǎn)生輻射而發(fā)光。利用這個(gè)特性來實(shí)現(xiàn)發(fā)光8。如圖2-1所示。通過電流的表達(dá)式見(2-1)式： (2-1)其中V代表二級(jí)管兩端的電壓，R代表限流電阻，I代表通過的電流。CEDIR陽(yáng)極陰極+V圖2-1 LED的工作原理2.1.2 LED光源特點(diǎn)(1)電壓：LED使用低壓電源，供電電壓在6-24V之間，根據(jù)產(chǎn)品不同而異，所以它是一個(gè)比使用高壓電源更安全的電源，特別適用于公共場(chǎng)所。(2)效能：消耗能量較同光效的白熾燈減少80%。(3)適用性：很小，每個(gè)單元LED小片是3-5mm

20、的正方形，所以可以制備成各種形狀的器件，并且適合于易變的環(huán)境。(4)穩(wěn)定性：10萬(wàn)小時(shí)，光衰為初始的50%。(5)響應(yīng)時(shí)間：其白熾燈的響應(yīng)時(shí)間為毫秒級(jí)，LED燈的響應(yīng)時(shí)間為納秒級(jí)。(6)對(duì)環(huán)境污染：無(wú)有害金屬汞。(7)顏色：改變電流可以變色，發(fā)光二極管方便地通過化學(xué)修飾方法，調(diào)整材料的能帶結(jié)構(gòu)和帶隙，實(shí)現(xiàn)紅黃綠蘭橙多色發(fā)光。如小電流時(shí)為紅色的LED，隨著電流的增加，可以依次變?yōu)槌壬?，黃色，最后為綠色。(8)價(jià)格：LED的價(jià)格比較昂貴，較之于白熾燈，幾只LED的價(jià)格就可以與一只白熾燈的價(jià)格相當(dāng)，而通常每組信號(hào)燈需由上300500只二極管構(gòu)成。2.1.3 LED的分類我們所說的LED知識(shí)一個(gè)概括的

21、名詞，其實(shí)隨著LED在60年代進(jìn)出商業(yè)后，經(jīng)過幾十年的發(fā)展已經(jīng)發(fā)展了很多很多種類，其主流的大類有5：(1) LED（Light emitting diode）我們有叫它LAMP LED產(chǎn)品的、有叫它P2產(chǎn)品的、也有叫它插件LED的，不管怎么樣只要是直插式的都?xì)w與一種。而LED種類里面還有很多種類：1)按膠體形狀分：3mm、4mm、5mm、8mm、10mm、12mm、方形、橢圓形、墓碑形、還有一些特殊形狀等等。2)按膠體顏色分：無(wú)色透明、有色透明、有色散射、無(wú)色散射等。3)按顏色分：紅色（red）、橙色（orange）、黃色（yellow）、黃綠色（green yellow）、綠色 （green

22、）、 藍(lán)綠色（blue green）、藍(lán)色（blue)、紫色（pink）、紫外線（uv）、白色（white）、紅外線等等。(2)SMD（Suface mount device）表面貼裝二極管或表面貼裝元器件都是他的叫法，這個(gè)里面也有多中類別：1)按形狀大小分：0603、0805、1210、5060、1010等等，一般smd都是菱形的，所以其叫法都是根據(jù)長(zhǎng)*寬的尺寸來叫，行業(yè)善用的都是英寸，不是毫米，也有用毫米叫的，不如1608（1.6*0.8mm)等。2)發(fā)光顏色和膠體的種類和LED產(chǎn)品一樣，只是產(chǎn)品的形狀發(fā)生了很大的變化。 (3)食人魚（Flux led）這個(gè)是因LED的發(fā)光效率不能滿足汽車

23、使用其要求，所以就開發(fā)了這個(gè)產(chǎn)品，是小功率產(chǎn)品，其驅(qū)動(dòng)電流一般在50MA、一般LED用的20MA，最高電流可以達(dá)到70mA，就是因?yàn)槠渖岜容^好，一般用在汽車后尾燈。他的分類也是按膠體形狀不同分的：3mm、5mm平頭的，還有，還有根據(jù)頂部的珠子不同滿足不同客戶角度的要求等等。你像30、50、70、120度等等。(4)大功率（power led）這個(gè)大家應(yīng)該都比較熟悉了，現(xiàn)在是這個(gè)行業(yè)炒的最熱火的。都爭(zhēng)先恐后的還取代現(xiàn)有照明的產(chǎn)品。不知道的看看圖片是什么樣子的：1)按功率分：1w、3w、5w、等等。 2)按頂部發(fā)光透鏡分:平頭、聚光、酒杯形狀等。3)按工藝還有鋁基板的和防luminous的。(5

24、)數(shù)碼管（Display）這個(gè)大家是最早用在來做顯示屏和數(shù)碼顯示用的。1)按外形分：1位、2位、3位、4位等等。2)表面顏色：灰面黑膠的、也有黑面白膠的等等。3)極性：共陰、共陽(yáng)。4)顏色也和LED一樣可以做很多種類。(6)點(diǎn)陣（LED Dot Matrix）從LED器件的發(fā)光機(jī)理可以知道，當(dāng)向LED器件加正向電壓時(shí)流過器件的正向電流使其發(fā)光。因此LED的驅(qū)動(dòng)就是要使它的PN結(jié)處于正偏置，同時(shí)為了控制它的發(fā)光強(qiáng)度，還要解決正向電流的調(diào)節(jié)問題。具體的驅(qū)動(dòng)方式有直流驅(qū)動(dòng)、恒流驅(qū)動(dòng)、脈沖驅(qū)動(dòng)和掃描驅(qū)動(dòng)等，本論文LED器件的驅(qū)動(dòng)方式為直流驅(qū)動(dòng)方式【6】。2.2 LED的驅(qū)動(dòng)方式2.2.1 直流驅(qū)動(dòng)直流

25、驅(qū)動(dòng)是最簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)方法，由滑阻R2與發(fā)光二極管LED串聯(lián)以后連接到電源Vcc上，R1為限流電阻。如圖2-2所示：圖2-2 LED的直流驅(qū)動(dòng)連接時(shí)令LED的陰極接電源的負(fù)極方向，陽(yáng)極接正極方向。只要保證LED處于正偏置，發(fā)光二極管與電阻的位置是可以互換的。直流驅(qū)動(dòng)時(shí)，LED的工作點(diǎn)由電源電壓k、串聯(lián)電阻R和LED器件的伏特性共同決定。對(duì)應(yīng)于工作點(diǎn)的電壓電流分別為vf和I，。改變R2的值，可以調(diào)解I的值，從而調(diào)節(jié)LED的發(fā)光強(qiáng)度。如圖2-3所示: 圖2-3 LED特性曲線直流驅(qū)動(dòng)方式適合于LED器件比較少、發(fā)光強(qiáng)度恒定的情況，例如目前有的公交車上用于固定顯示“XX”字樣的顯示器上，就可以用這種驅(qū)動(dòng)

26、方式。一方面它顯示的字?jǐn)?shù)很少，另一方面它的顯示內(nèi)容固定不變。因此只要在需要顯示字樣的筆畫上排列LED發(fā)光燈就可以了。這樣一塊屏上大約有100只管子。采用直流驅(qū)動(dòng)可以簡(jiǎn)化電路，降低造價(jià)。2.2.2 恒流驅(qū)動(dòng)由于LED器件的正向特性比較陡，加上器件的分散性，使得在同樣電影電壓和同樣的限流電阻的情況下，各器件的正向電流并不相同，引起發(fā)光強(qiáng)度的差異。如果能夠?qū)ED正向電流直接進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，只要恒流值相同，發(fā)光強(qiáng)度就比較接近(同樣存在著法光強(qiáng)度與正向電流之間各個(gè)器件的分散性，但是這種分散性沒有伏安特性那么陡，所以影響也就小得多)。晶體管輸出特性具有恒流性質(zhì)。如圖2-4所示。圖2-4 LED恒流驅(qū)動(dòng)2.2.

27、3 脈沖驅(qū)動(dòng)脈沖驅(qū)動(dòng)方式主要利用人眼視覺暫留現(xiàn)象驅(qū)動(dòng)LED發(fā)光，利用該方式驅(qū)動(dòng)LED可以通過改變驅(qū)動(dòng)頻率從而達(dá)到改變LED發(fā)光時(shí)間以及亮度。2.2.4 掃描驅(qū)動(dòng)掃描驅(qū)動(dòng)通過數(shù)字邏輯電路，使若干LED器件輪流導(dǎo)通，用以節(jié)省控制驅(qū)動(dòng)電路。如圖2-5所示。圖2-5 LED掃描驅(qū)動(dòng)LED顯示屏是將發(fā)光燈按行按列布置的，驅(qū)動(dòng)時(shí)也就按行按列驅(qū)動(dòng)。在掃描驅(qū)動(dòng)方式下可以按行掃描，按列控制：也可以按列掃描，按行控制。掃描就是指依次循環(huán)接通整行的LED器件，某一列的LED器件是否應(yīng)該點(diǎn)亮，由列控制電路來負(fù)責(zé)。依據(jù)上述分析，本文由于控制一個(gè)發(fā)光二極管，故只用直流驅(qū)動(dòng)，既簡(jiǎn)單又實(shí)用，所用元器件少。也可以用滑動(dòng)變阻器代

28、替定值電阻來調(diào)節(jié)LED的亮度。2.3 電源的設(shè)計(jì)方案2.3.1 開關(guān)電源開關(guān)電源主要采用開關(guān)式穩(wěn)壓電路，電路中的調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)，即調(diào)整管主要工作在飽和導(dǎo)通和截止兩種狀態(tài)。由于管子飽和導(dǎo)通時(shí)管壓降和截止時(shí)管子的電流都很小，管耗主要發(fā)生在狀態(tài)開于關(guān)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中，電源效率可提高到75%95%。由于省去了電源變變壓器和調(diào)整管的散熱裝置，所以其體積小、重量輕。它的主要缺點(diǎn)是輸出電壓中所含紋波較大，對(duì)電子裝備的干擾較大，而且電路比較復(fù)雜，對(duì)元器件要求較高。但由于工藝已經(jīng)成熟，而優(yōu)點(diǎn)又突出，已成為宇航、計(jì)算機(jī)、通信、家用電器和功率較大的電子設(shè)備中電源的主流，應(yīng)用日趨廣泛【7】。2.3.2 線性電源

29、線性電源主要采用串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路，由于調(diào)整管工作在線性放大區(qū)，因此在負(fù)載電流較大時(shí)，調(diào)整管的集電極損耗先當(dāng)大，電源效率較低，一般為40%60%，有時(shí)還要配備龐大的散熱裝置。但其電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輸出電壓中所含紋波較小，所以廣泛應(yīng)用于小信號(hào)、小功率電路中。2.3.3 比較與選取從上面對(duì)兩種電源的分析并結(jié)合本次設(shè)計(jì)的要求，決定選用線性電源。理由如下：(1)輸出電壓方面開關(guān)電源輸出電壓紋波較大，線性電源較小。而本次設(shè)計(jì)是對(duì)LED和555提供電源，這些小型的器件對(duì)電壓的穩(wěn)定性要求較高，故選擇線性電源。(2)電路整體方面開關(guān)電源整體電路復(fù)雜，對(duì)元器件要求高，線性電源則相反。根據(jù)本次設(shè)計(jì)屬于簡(jiǎn)單的定時(shí)電路。

30、電路相對(duì)簡(jiǎn)單，故選取線性電源。(3)電源轉(zhuǎn)換效率方面開關(guān)電源轉(zhuǎn)換效率高，功耗小，線性電源轉(zhuǎn)換效率低，功耗高。但是由于LED的特性可知，其需要的電流很低，所以也不需要大功率的電源，線性電源足以。所以綜上所述，選擇線性電源。在設(shè)計(jì)過程中困難在于變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓這4個(gè)部分的選取和鏈接以及完成后對(duì)電路的仿真。2.4 時(shí)間控制的設(shè)計(jì)方案2.4.1 用555定時(shí)器組成的施密特觸發(fā)器其功能主要是將輸入任何波形轉(zhuǎn)變?yōu)榫匦尾?，由正、?fù)閾值電壓決定高低電平?？捎糜跒V波電路，濾除噪聲等等干擾。2.4.2 用555定時(shí)器組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器其功能是用作失落脈沖檢測(cè)，或?qū)﹄姍C(jī)轉(zhuǎn)速或人體的心律進(jìn)行監(jiān)視，如果轉(zhuǎn)速不穩(wěn)或

31、人體的心律不齊時(shí)，輸出低電平可用作報(bào)警信號(hào)。如果將單穩(wěn)態(tài)電路的電壓控制端加入一個(gè)變化的電壓，當(dāng)控制電壓升高時(shí)，電路的閾值電壓升高，輸出的脈沖寬度隨之增加；而當(dāng)控制電壓降低時(shí)，電路的閾值電壓也降低，單穩(wěn)的輸出脈寬則隨之減小。如果加入的控制電壓是三角波，則在單穩(wěn)的輸出端便可得到一串隨控制電壓變化的脈寬調(diào)制波形?？捎迷撾娐纷鳛槎〞r(shí)電路【8】。2.4.3 用555定時(shí)器組成的多諧振蕩器其功能是產(chǎn)生多諧振蕩，每隔一段時(shí)間就有電平觸發(fā)，其占空比是根據(jù)外圍RC元件的參數(shù)決定的，時(shí)間主要由電容的沖放電時(shí)間決定。因此改變RC的參數(shù)就可以改變觸發(fā)時(shí)間。如果將電阻用滑動(dòng)變阻器代替，則可實(shí)現(xiàn)頻率可調(diào)的驅(qū)動(dòng)電路。綜上所

32、述，結(jié)合本次設(shè)計(jì)要求應(yīng)當(dāng)選擇555定時(shí)器組成的多諧振蕩器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。其優(yōu)點(diǎn)在于比較器的靈敏度高、輸出驅(qū)動(dòng)電流大、功能活，在電子電路中獲得廣泛應(yīng)用。但是選擇該電路存在一個(gè)問題，就是定時(shí)時(shí)間不能太長(zhǎng)，而且時(shí)間精度不高。不適于那些精密儀器的定時(shí)。當(dāng)然，可以將做好后的電路通過精密的儀器測(cè)量其定時(shí)時(shí)間，也就是測(cè)量其觸發(fā)電平時(shí)間間隔。也可以用示波器觀看輸出波形來計(jì)算時(shí)間。第三章 LED控制電路設(shè)計(jì)2.2 系統(tǒng)的功能系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖3-1所示，在該系統(tǒng)中以5V直流穩(wěn)壓電源為各器件提供電源，采用555定時(shí)器定時(shí)功能和波形產(chǎn)生功能驅(qū)動(dòng)LED發(fā)光。該系統(tǒng)可控制LED發(fā)光時(shí)間及頻率，達(dá)到定時(shí)預(yù)報(bào)的功能。電源電

33、路定時(shí)電路LED顯示脈沖波形產(chǎn)生電路圖3-1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖2.3 LED驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)3.2.1 LED脈沖驅(qū)動(dòng)脈沖驅(qū)動(dòng)方式，采用向LED器件重復(fù)通斷供電的方法使之點(diǎn)燃就是利用人眼的視覺暫留特性，采用這種方式時(shí)應(yīng)該注意兩個(gè)問題：脈沖電流幅值的確定和重復(fù)頗率的選擇。首先，要想獲得與直流驅(qū)動(dòng)方式相當(dāng)?shù)陌l(fā)光強(qiáng)度的話，脈沖驅(qū)動(dòng)電流的平均值Ia就應(yīng)該與直流驅(qū)動(dòng)的電流值相同。如圖3-2所示，平均電流Ia是瞬時(shí)電流i的時(shí)間積分，對(duì)于矩形波來說，其表達(dá)式如(3-1)式所示： （3-1）其中Ia代表買中電流的平均值。圖3-2 LED的脈沖驅(qū)動(dòng)脈沖驅(qū)動(dòng)時(shí)，脈沖電流的幅值應(yīng)該比直流驅(qū)動(dòng)電流大。其次是脈沖重復(fù)頻率的問題，

34、通過視覺暫留特性的分析，己經(jīng)知道脈沖重復(fù)頻率必須高于24Hz，否則會(huì)產(chǎn)生閃爍現(xiàn)象。脈沖驅(qū)動(dòng)的主要應(yīng)用有兩個(gè)方面掃描驅(qū)動(dòng)和占空比驅(qū)動(dòng)。3.3 電源的設(shè)計(jì)線性電源（5V直流穩(wěn)壓電源）由電源變壓器、整流、濾波和穩(wěn)壓電路等四部分組成。其流程圖如圖3-3所示：交流電網(wǎng)電壓tttttVOVFVRV2V1220V50HZVOVFVRV2V1電源變壓器整流電路穩(wěn)壓電路濾波電路圖3-3 5V直流穩(wěn)壓電源流程圖3.3.1 電源變壓器圖3-4所示是一種簡(jiǎn)單的電源變壓器降壓電路。電路中S1是電源開關(guān)，T1是電源變壓器，VD1是整流二極管。從T1一次繞組輸入的是220V交流市電，二次繞組輸出的是電壓較低的交流電壓，這一

35、電壓加到VD1正極。(1)電路分析這一電源變壓器降壓電路的工作原理是：在開關(guān)S1閉合時(shí)，220V交流市電經(jīng)S1（圖中未閉合）加到電源變壓器T1的一次繞組兩端，江流電流經(jīng)T1一次繞組的上端流入，從一次繞組的下端流出。在T1一次繞組流有交流電流時(shí)，T1二次繞組兩端輸出一個(gè)較低的交流電壓。這樣，T1將220V交流市電電壓降到合適的低電壓。電路中的電源變壓器T1只有一組二次繞組，所以T1輸出一個(gè)交流電壓，這一電壓直接加到整流二極管VD1上。如圖3-4所示。(2)電路中的電源變壓器有幾組二次繞組，關(guān)系到這一電路能輸出幾組交流低電壓，也關(guān)系到對(duì)電源電路工作原理的進(jìn)一步分析（分析整流電路等）。上面的電源變壓

36、器降壓電路中T1只有二次繞組，所以是最簡(jiǎn)單的電源變壓器降壓電路。其輸出波形如圖3-5所示。圖3.4 電源變壓器降壓電路圖3.5 變壓后的波形3.3.2 整流電路整流電路的任務(wù)是將交流電變換成直流電。完成這一任務(wù)主要是靠二極管的單向?qū)щ娮饔?，因此二極管是構(gòu)成整流電路的關(guān)鍵元件。在小功率（1KW以下）整流電路中，常見的幾種整流電路有單相半波、全波、橋式和倍壓整流電路。本文主要研究單相橋式整流電路。以下分析整流電路時(shí)，二極管用理想模型來處理，即正向?qū)娮铻榱?，反向電阻為無(wú)窮大。(1)工作原理電路如圖3-4所示，圖中R1是要求直流供電的負(fù)載電阻，四只整流二極管D1-D4接成電橋的形式，故有橋式整流電

37、路之稱。通過負(fù)載R1的電流i1以及電壓vl的波形如圖3-6所示。顯然它們都是單方向的全波脈動(dòng)波形。圖3-6 輸入輸出仿真波形圖(2)負(fù)載上的直流電壓VL和直流電流IL的計(jì)算用傅立葉級(jí)數(shù)對(duì)圖3.7中vL的波形進(jìn)行分解后可得 （3-2）式中恒定分量即為負(fù)載電壓的平均值，因此有 （3-3）直流電流為 （3-4）由式(3-2)看出，最低次諧波分量的幅值為，角頻率為電源頻率的兩倍，即2w。其他交流分量的角頻率為4w、6w偶次諧波分量。這些諧波分量總稱為紋波，它疊加于直流分量上。常用紋波系數(shù)Kr來表示直流輸出電壓中相對(duì)紋波電壓的大小，即 （3-5）式中VLr為諧波電壓總的有效值，他表示為 （3-6）式中V

38、L2,VL4為二次，四次諧波的有效值。由式(3-3)和式(3-5)得出橋式整流電路的紋波系數(shù)。由于vL中存在一定的紋波，故需用濾波電路來濾除紋波電壓。(3)整流元件參數(shù)的計(jì)算在橋式整流電路中，二極管是兩兩輪流導(dǎo)通的，所以流經(jīng)每個(gè)二極管的平均電流為 (3-7)一般電網(wǎng)電壓波動(dòng)范圍為10%.實(shí)際上選用的二極管的最大整流電流IDM和最高反向電壓VRM應(yīng)留有大于10%的余量。橋式整流電路的特點(diǎn)是輸出電壓高，紋波電壓較小，管子所承受的最大反向電壓較低，同時(shí)因電源變壓器在正、負(fù)半周內(nèi)都有電流供給負(fù)載，電源變壓器得到了充分的利用，效率較高。因此這種電路在半導(dǎo)體整流電路中得到了頗為廣泛的應(yīng)用。3.3.3 濾波

39、電路濾波電路用于濾去整流輸出電壓中的紋波，一般由電抗元件組成，如在負(fù)載電阻兩端并聯(lián)電容器C，或在整流電路輸出端與負(fù)載間串聯(lián)電感器L，以及由電容、電感組合而成的各種復(fù)式濾波電路。常用的結(jié)構(gòu)如圖3-7所示。（a）C形濾波電路（b）倒L形濾波電路(c)形濾波電路圖3-7 濾波電路的基本形式由于電抗元件在電路中有儲(chǔ)能作用，并聯(lián)的電容器C在電源供給的電壓升高時(shí)，能把部分能量存儲(chǔ)起來，而當(dāng)電源電壓降低時(shí)，就把電場(chǎng)能量釋放出來，使負(fù)載電壓比較平滑，即電容C具有平波的作用；與負(fù)載串聯(lián)的電感L，當(dāng)電源供給的電流增加（由電源電壓增加引起）時(shí)，它把能量?jī)?chǔ)存起來，而當(dāng)電流減小時(shí)，又把磁場(chǎng)能量釋放出來，使負(fù)載電流比較平

40、滑，即電感L也有平波作用。濾波電路的形式很多，為了掌握它的分析規(guī)律，把它分為電容輸入式和電感輸入式。前一種濾波電路多用于小功率電源中，而后一種濾波電路多用于較大功率電源中（而且當(dāng)電流很大時(shí)僅用一電感器與負(fù)載串聯(lián)）。本設(shè)計(jì)重點(diǎn)分析小功率整流電源中應(yīng)用較多的電容濾波電路，然后再簡(jiǎn)要介紹其他形式的濾波電路。(1)電容濾波電路圖3-8所示為單相橋式整流、電容濾波電路。在分析電容濾波時(shí)，要特別注意電容器兩端電壓vc對(duì)整流元件導(dǎo)電的影響，整流元件只有受正向電壓作用時(shí)才導(dǎo)通，否則便截止。圖3-8 電容濾波電路負(fù)載RL未接入（開關(guān)S斷開）時(shí)的情況：設(shè)電容器兩端初始電壓為零，接入交流電源后，當(dāng)v2為正半周時(shí)，v

41、2通過D1、D3向電容器C充電；v2為負(fù)半周時(shí)，經(jīng)D2、D4向電容器C充電；充電時(shí)間常數(shù)為 (3-8)式中Rint包括變壓器二次繞組的直流電阻和二極管D的正向電阻。由于Rint一般很小，電容器很快就充電到交流電壓v2的最大值，輸出為一個(gè)恒定的直流電壓。接入負(fù)載RL(開關(guān)S合上)的情況：設(shè)變壓器二次電壓v2從0開始上升（即正半周開始）時(shí)接入負(fù)載RL，由于電容器在負(fù)載未接入前充了電，故剛接入負(fù)載時(shí)V2vc，二極管D1、D3受正向電壓作用而導(dǎo)通，此時(shí)v2經(jīng)二極管D1、D3一方面向負(fù)載RL提供電流，另一方面向電容器C充電。然后，v2又按正弦規(guī)律下降。當(dāng)v22VCC/3,V12VCC/3時(shí)，比較器C1輸

42、出低電平，比較器C2輸出高電平，簡(jiǎn)單SR鎖存器Q端置0，放電三極管T導(dǎo)通，輸出端VO為低電平。當(dāng)V112VCC/3,V12VCC/3時(shí)，比較器C1輸出高電平，比較器C2輸出低電平，簡(jiǎn)單SR鎖存器Q端置1，放電三極管T截止，輸出端VO為高電平。當(dāng)V11VCC/3時(shí)，簡(jiǎn)單SR鎖存器R=1,S=1，鎖存器狀態(tài)不變，電路保持原狀態(tài)不變9。(2)電路功能綜上所述分析，可得555定時(shí)器功能表，如表3-1所示。表3-1 555定時(shí)器功能表輸入輸出閾值輸入（V11）觸發(fā)輸入（V12）復(fù)位（RD）輸出（VO）放電管T00導(dǎo)通10導(dǎo)通1不變不變(3)用555定時(shí)器組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器用555定時(shí)器組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

43、如圖3-16所示。沒有觸發(fā)信號(hào)時(shí)VI（2）處于高電平，如果接通電源后Q=0，T導(dǎo)通，電容通過放電三極管T放電，使Vc=0，Vo保持低電平不變。如果接通電源后Q=1，放電三極管T就會(huì)截止，電源通過電阻R1向電容C2充電，當(dāng)Vc上升到某值時(shí)，由于R=0,S=1,鎖存器置0，Vo為低電平。此時(shí)放電三極管T導(dǎo)通，電容C放電，Vo保持低電平不變。因此，電路通電后在沒有觸發(fā)信號(hào)時(shí)，電路只有一種穩(wěn)定狀態(tài)Vo=0。如圖3-17波形圖所示。若觸發(fā)輸入端施加觸發(fā)信號(hào)為低電平，電路的輸出狀態(tài)由低電平跳為高電平，電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)，放電三極管T截止。此后電容C2充電，當(dāng)C2充電至Vc=2VCC/3，電路的輸出電壓Vo由高

44、電平翻轉(zhuǎn)為低電平，同時(shí)T導(dǎo)通，于是電容C放電，電路返回到穩(wěn)定狀態(tài)。如果忽略T的飽和壓降，則。因此可用改電路作為定時(shí)器產(chǎn)生電路，定時(shí)時(shí)間通過R1和C2來設(shè)置，這種電路產(chǎn)生的脈沖寬度可從幾個(gè)微秒到數(shù)分鐘，精度可達(dá)0.1%。圖3-16 555定時(shí)器組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器圖3-17 555定時(shí)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出波形(4)用555定時(shí)器組成的多諧振蕩器用555定時(shí)器組成的多諧振蕩器如圖3-18所示。接通電源后，電容C被充電，當(dāng)Vc上升到2Vcc/3時(shí)，使Vo為低電平，同時(shí)放電三極管T導(dǎo)通，此時(shí)電容C2通過R2和T放電，Vc下降。當(dāng)Vc下降到Vcc/3時(shí)，Vo翻轉(zhuǎn)為高電平。電容器C放電所需的時(shí)間為 (3-19

45、)當(dāng)放電結(jié)束時(shí)，T截止，Vcc將通過R1、R2向電容器C2充電，Vc由Vcc/3上升到2Vcc/3所需的時(shí)間為 (3-20)當(dāng)Vc上升到2Vcc/3時(shí)，電路又翻轉(zhuǎn)為低電平。如此周而復(fù)始，于是，在電路的輸出端就得到一個(gè)周期性的矩形波。電路的工作波形如圖3-19所示，其振蕩頻率為 (3-21)圖3-18 多諧振蕩電路圖圖3-19 多諧振蕩輸出波形圖由于555定時(shí)器內(nèi)部的比較器靈敏度較高，而且采用差分電路形式，用555定時(shí)器組成多諧振蕩器的振蕩頻率受電源電壓和溫度變化的影響很小。圖3-18所示電路的，而且占空比固定不變。如果要實(shí)現(xiàn)占空比可調(diào)，可采用如圖3-20所示電路。由于電路中二極管D1、D2的單向?qū)щ娞匦?，使電容器C的充放電回路分開，調(diào)節(jié)電位器，就可調(diào)節(jié)多諧振蕩器的占空比。圖中，Vcc通過RA、D1向電容C充電，充電時(shí)間為 (3-22)電容器C通過D2、RB及555中的三極管T放電，放電時(shí)間為 (3-23)因而，振蕩頻率為 (3-24)電路輸出波形的占空比為 (3-25)圖3-20 占空比可調(diào)多諧振蕩電路圖3-21 占空比可調(diào)多諧振蕩輸出波