发光二极管灯光控制及驱动模块设计

2017-08-09孙莹莹邓桂芳

科技与创新 2017年14期

关键词：灯带三极管电路板

孙莹莹，邓桂芳

（广东水利电力职业技术学院，广东广州510900）

发光二极管灯光控制及驱动模块设计

孙莹莹，邓桂芳

（广东水利电力职业技术学院，广东广州510900）

设计了一种发光二极管（LED）灯条的灯光控制及驱动模块。该设计可用于一般沙盘模型的展示装置中，在沙盘模型上嵌套LED灯带，可实现LED灯的流水灯效果，并能通过计算机控制，在沙盘上的不同灯带中选择开关，加强演示效果，使沙盘展品更加吸引眼球。

发光二极管；LED灯带；驱动模块；控制模块

沙盘展示模型由于其突出的演示效果受到了众多需要进行产品推广的企事业单位的青睐，为了使沙盘模型更加吸引眼球，通过在沙盘模型上嵌套LED灯带，可以使得观看者对展示物有更加直观的感受。本文介绍了一种发光二极管（LED）灯条的灯光控制及驱动模块的设计，设计内容包括：基于CD4017的LED灯带驱动模块的设计，基于PIC-16F877A单片机的控制模块的设计，配合Flash展示效果的上下位机的程序设计。

1 LED灯带驱动模块的设计

为了使LED灯带实现流水灯显示的功能，要为LED灯带设计一个驱动模块。一条LED灯带是若干个LED（大于50个）并联组成的，所以要实现各个灯的单独驱动，就需要特定的驱动设计。本文介绍的驱动模块的设计，主要是采用CD4017配合NE555实现的。下面是具体实现方法的介绍。

1.1 时钟和驱动信号发生模块

时钟和驱动信号发生模块的作用是为驱动信号提供脉冲时钟，并为LED灯提供按顺序点亮和熄灭的信号。

模块由1块NE555芯片和外围电路、4块CD4017约翰逊计数器构成。其中，555芯片3脚输出接CD4017的时钟输入端，4块CD4017依次级联，可以顺序输出24个高电平。如果一个高电平输出驱动四五个LED灯，则足够用以驱动一条长约1.5 m的LED灯带。模块电路图如图1所示。

CD4017是十进制计数/分频器，它的内部由计数器和译码器2部分组成，由译码输出实现对脉冲信号的分配，整个输出时序如图2所示。通过选取合适的电阻阻值，可以实现不同的流水灯灯光亮灭的速度。

1.2 三极管驱动模块

三极管驱动模块的主要作用是增强CD4017的输出驱动能力。LED是一种电流驱动型器件，最大电流在1.5A左右。如果电流过大，很容易将LED烧坏；如果电流过小，则LED的亮度会受影响。如何控制通过LED的电流，是LED驱动模块的设计重点。

图1 驱动板时钟发生模块

图2 CD4017输出时序

采用三极管作为LED的驱动器件，可以充分利用三极管的电流特性，轻易地驱动多个LED。在本文的设计中，采用24个三极管和3个排式插针接线柱实现。

根据上述设计原理，选择合适的器件及相关封装，用Protel DXP绘制印刷电路板如图3所示。

2 LED选通和控制模块的制作

完成LED驱动模块以后，由于该模块上没有集成选通功能，需要另外制作一个LED选通电路板，作为单片机控制板与驱动板之间的连接部件。

选通LED驱动板的设计有3种方法，即直接采用三极管开关、采用光耦搭配三极管开关和采用继电器开关。

考虑到单片机与LED驱动采用的是不同的电压，直接采用三极管来选通的方法明显是不可行的；采用光耦搭配三极管选通，可以实现不同电压之间的切换，但是需要两三个三极管和一个光耦，元件较多，连接电路图也比较复杂；采用继电器来选通，不但可以用低电压轻松通断高电压，而且稳定性极好，采用元件少，实现方法简单。综合考虑以上3种方案，最后决定采用继电器来实现电路选通的方法。具体的电路图及相关实现方法如图4所示。

图3 驱动板PCB板图

图4 单片机选通继电器电路图

图5 最后成型的电路板

选通电路板完成之后，进行单片机控制板与选通板的联调。本文采用MICROCHIP公司的PIC系列型号作为16F877A的单片机，LED驱动板的选通、上位机串口指令的接收与发送都要通过它来完成。

单片机控制板采用一块877最小系统板，该电路板上集成了电源、时钟晶振、串口通讯等模块，而且877每个管脚都用排式插针连出，可以方便地与选通板通过导线相连。最后成型的电路板如图5所示。

3 软件设计

为了实现选通功能，首先需要确定IO管脚的分配，在实际应用中可以按照沙盘模型上的LED灯带数目来分配。分配好管脚，进行编程。需要实现的功能包括以下3个方面：①与PC上位机的串口通讯；②根据串口传来的数据，自动选通LED灯；③配合Flash演讲，实现LED检测灯与故障灯之间的延时。根据上述要求，设计程序流程如图6所示。