Led流水广告彩灯的控制与实现毕业设计.docx

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Led流水广告彩灯的控制与实现毕业设计

毕业设计

Led流水广告彩灯的控制与实现

摘　要：

介绍了一种新型的LED彩灯控制系统的设计方法，以AT-89C51单片机作为主控核心，与按键、显示器等较少的辅助硬件电路相结合，利用软件实现对LED彩灯进行控制。

本系统具有体积小、硬件少、电路结构简单及容易操作等优点。

关键词：

LED彩灯；AT89C51单片机；彩灯控制器；模块设计

Pickto:

thispaperintroducesanewtypeofLEDlights,thedesignmethodofthecontrolsystemwith89C51microcontrollerasthedominantmig-at-core,andbuttons,monitorstheauxiliarylesshardwarecircuitandsoftwarerealizationcombineduseofLEDlights.Thissystemhastheadvantagesofsmallsize,thehardwarecircuitstructure,simpleandeasytooperateetc.

Keywords:

LEDlights,AT89C51,Lights,Moduledesign

引言.................................................................................3

　3.1元器件选择....................................................................11

　3.2　电路工作原理................................................................12

　3.3　电路工作原理.................................................................15

　3.4　元器件选择...................................................................16

引言

　　随着人们生活环境的不断改善和美化，在许多场合可以看到彩色霓虹灯。

LED彩灯由于其丰富的灯光色彩，低廉的造价以及控制简单等特点而得到了广泛的应用，用彩灯来装饰街道和城市建筑物已经成为一种时尚。

但目前市场上各式样的LED彩灯控制器大多数用全硬件电路实现，电路结构复杂、功能单一，这样一旦制作成品只能按照固定的模式闪亮，不能根据不同场合、不同时间段的需要来调节亮灯时间、模式、闪烁频率等动态参数。

这种彩灯控制器结构往往有芯片过多、电路复杂、功率损耗大等缺点。

此外从功能效果上看，亮灯模式少而且样式单调，缺乏用户可操作性，影响亮灯效果。

因此有必要对现有的彩灯控制器进行改进。

单片机的彩灯控制，实现对LED彩灯的控制。

本方案以AT89C51单片机作为主控核心，与键盘、显示、驱动等模块组成核心主控制模块。

在主控模块上设有8个按键和5位七段码LED显示器，根据用户需要可以编写若干种亮灯模式，利用其内部定时器T0实现一个基本单位时间为5ms的定时中断，根据各种亮灯时间的不同需要，在不同时刻输出灯亮或灯灭的控制信号，然后驱动各种颜色的灯亮或灭。

该新型LED彩灯及其控制器是上海某公司委托开发产品，产品实际应用效果较好，亮灯模式多，用户可以根据不同场合和时间来调节亮灯频率和亮灯时间。

与普通LED彩灯相比，具有体积小、价格低、低能耗等优点。

1.LED发展前景

　LED是近年来全球最具发展前景的高技术领域之一，LED具有寿命长、耗能少、体积小、响应快、抗震抗低温、污染小等突出的优点，被称为第四代照明光源或绿色光源，将成为人类照明史上继白炽灯、荧光灯之后的又一次标志性的飞跃，将孕育新的光源革命。

随着LED高效节能技术的不断创新与突破，其全面取代传统光源已为时不远。

目前我国LED产业已经形成了四大片区（珠三角、长三角、福建江西地区、北方地区）、七大基地（大连、上海、深圳、南昌、厦门、扬州、石家庄）的产业格局，形成了包括LED外延片的生产、LED芯片的制备、LED芯片的封装以及LED产品应用在内的较为完整的产业链，产品技术研发、工程应用等方面获得飞速发展。

1.1LED全彩灯光控制系统  

优易LED全彩灯光控制系统由ColorEdit编辑软件、主控器、分控器和LED光源组成，广泛应用于城市景观、风景名胜、道路桥梁、建筑轮廓、娱乐场所、户外广告、室内装饰等美化、亮化工程。

LED全彩外露发光字是LED外露穿孔发光字专用灯串，选用超高

亮度LED作为户外广告光源；其发光强度大、色彩纯正、节能长寿、

广泛应用于各种灯箱字和各种金属（锌板字、不锈钢字、钛金字、铝

板字）等发光字的制作。

LED全彩外露发光字按照灯珠直径来分，有Ｆ５、Ｆ８两种，依

照颜色来分有单色、七彩、全彩三种。

单色打孔灯组成的字亮度高、

可防水、制作方便；七彩灯组成的字在七彩控制器控制下可七彩跳变；

全彩灯可在控制器控制下对每个像素点进行扫描，可使发光字产生绚

丽多彩的变化。

基本参数

颜色16777216色

光源高亮度LED

光源寿命MTBF=5万小时

环境参数

工作温度-20°C~80°C

储存温度-20°C~80°C

防护等级IP67

发光角度15度

亮度R：

260mcdG:

360mcdB:

750mcd

1.2优易控制系统特点：

  ◆任意编辑程序跑法，随意设计灯光效果，电脑快捷下载，脱机运行。

  ◆远距离传输可达2000M，10000个RGB象素点全彩输出控制。

◆高刷新频率，每秒可达到90帧以上，灯光变化过渡柔和。

◆安装简易，布线方便。

1.3.ColorEdit软件特点：

◆界面友好，支持中文。

◆实时预览编辑效果，反复播放。

◆任意编辑文字，图案。

  ◆随时改变跳变及渐变的速度及切换方式，更换灯光跑法。

◆电脑USB端口下载至主控器JC1。

1.4主控器特点：

◆与ColorEdit软件配合使用。

◆USB端口电脑联机下载，脱机运行。

◆可支持最多1万路全彩R.G.B输出。

◆支持单像素，四像素解码分控器。

◆5V、2W低功耗，无需配置主控电源。

◆声控功能，随外部音乐节拍跳动，灵敏度调节。

1.5优易JM-4分控器

◆与主控器JC1配合作解码输出。

◆     PWM输出分辨率256级。

◆    可用于单象素至4象素12路输出（每象素均含R.G.B全彩输出）。

◆    控制信号为串联连接方式,采用公母插头对接，简单易用。

◆    LED指示灯显示信号传递状态，迅速排查因施工布线错误或短路出现的故障。

  ◆使用快速端子与各种LED光源方便连接。

◆    可独立运行内置自带程序跑法。

◆局部光源和分控器出现故障不影响其他光源和分控器正常工作。

◆    兼容DMX系统，分控器也可直接与DMX控台联机，做为DMX解码驱动器。

可以有1、3、6、9、12路输出多种选择。

◆可代替霓虹灯控制机（跳机）。

2系统功能

　　新型LED彩灯分为2部分，即彩灯控制器（主控模块）和管内LED板模块（受控模块）。

彩灯控制器可直接与220V交流市电相连接，经过开关电源变换，输出直流工作电压，一方面为管内LED模块提供12V工作电源，另一方面为主控模块单片机系统（彩灯控制器）提供5V工作电源。

整个系统工作由软件程序控制运行，根据需要，用户可以在LED彩灯工作时通过主控模块上的按键来设定亮灯时间和灯光闪动频率。

上电后系统经过初始化，查询是否有功能切换键按下：

有，则进入用户设定模式状态；无，则进入默认缺省工作状态。

在用户设定模式状态下，用户可以根据个人爱好及不同场合的需要来指定调用哪些模式，并且可以改变每种模式的时间Ti、频率Fi参数，如果用户想进入缺省状态模式，只需按一下功能切换键即可跳入缺省模式，程序会自动顺序调用亮灯模式；在缺省工作状态下，LED彩灯控制器按照程序设定好的若干亮灯花样模式程序Model_i顺序调用往下走，从第Model_1模式开始工作，自Model_1到Model_2……到Model_n为一个亮灯周期，然后再回到Model_1循环继续工作，同样如果想进入用户设定模式状态，只需按下功能切换键即可。

整个n种亮灯模式时间可以看作一个大周期T，其中的每一种花样工作模式Model_i（i=1，2，…，n）时间为小周期Ti，对于每一个模式编写一个独立工作子程序Model_i，其中设定了LED三色灯（红、绿、蓝）的点亮时刻（RED_on，GREEN_on，BLUE_on）和熄灭时刻（RED_off，GREEN_off，BLUE_off），以及模式工作时间Ti以及该模式LED闪烁频率Fi。

5位七段码显示器的前2位（L1，L2）显示当前工作模式的序号Model_i；后3位（L3，L4，L5）七段码显示三色LED的工作状态，若该颜色灯点亮则对应七段码显示位为“1”，反之熄灭时则显示位为“灭”即不显示，对系统工作状态起到了很好的实时监控作用。

　　因此在LED彩灯上电工作后，用户可以方便地通过主控模块上的显示器知道LED彩灯当前工作模式Model_i，工作时间Ti，频率Fi等实时参数。

若实际应用需要根据不同场合和时间来改变彩灯闪亮效果，用户可以通过主控模块上的按键来设定LED不同的闪烁频率Fi和亮灯时间Ti，以便符合实际需要。

此外如果用户对某一种模式感兴趣需要仔细观看该种亮灯模式，可以通过键盘选定任意第Model_i模式使系统循环重复工作在该花样模式下。

2.1硬件设计

　　新型LED彩灯系统包括2大部分，即LED彩灯控制器（89C51主控模块）和LED彩灯管（管内LED板模块）。

前者是主控模块，具有按键、显示等功能，并利用89C51的P口输出控制信号；后者是受控模块，上面焊有三色LED彩灯和信号驱动芯片，模块置于LED的透明灯管内。

2.2主控模块电路设计

　　主控模块电路如图1所示。

主控模块主要设计器件有89C51，5个七段码LED显示器，8个按键，2个稳压器（提供12V，5V电压），1个信号输出驱动模块芯片（MC4049）等。

通过软件设计，使单片机P0口作为三色LED驱动信号输出口及移位时钟CLOCK信号，P3口为按键输入口，P2口、P1口与5位七段码LED相接作为显示器的输出口。

2.3管内LED板模块设计

　　管内LED板模块电路见图2。

管内LED板模块设计主要器件有LED彩灯（红、绿、蓝）、移位触发模块芯片CD4076等。

根据实际应用彩灯长度需要，可将不同数量的该管内LED模块实现级连，组成一个完整的LED彩灯。

考虑到功率损耗，LED板模块之间接口处用信号正向驱动模块芯片MC4049连接。

每个LED板模块上均匀分布3种颜色LED灯，在实际制作PCB时采用红、绿、蓝3色互隔焊接方式，在电路板上把LED发光管按顺序L1（红）、L2（绿）、L3（蓝）、L4（红）、L5（绿）、L6（蓝）……依次均匀焊在板上成一条直线。

为了得到更多的花样模式效果，可以使红绿2种灯从前往后驱动点亮闪烁，蓝灯从后往前驱动点亮闪烁，这样具有很好的动感视觉效果。

2.4软件设计

　　新型LED彩灯控制器最大特点在于所有亮灯模式均由软件控制完成。

系统中软件可以分为主程序和中断服务子程序。

上电后在缺省状态以顺序调用Model_i花样亮灯模式流程为主程序，以一个单位时间5ms的T0定时为中断服务子程序。

在这个5ms的T0定时基础上，可以根据需要来确定各种模式工作时间Ti，以及确定在各种亮灯模式Model_i内点亮和熄灭各种颜色LED灯的时刻：

Red_on，Red_off，Green_on，Green_off，Blue_on，blue_off以及Clock（移位翻转脉冲）等。

整个系统软件由主程序（Main）、各个模式子程序（Model_i）、5ms中断服务子程序（T0Interrupt）、键盘扫描处理子程序（KeyBoard）、显示子程序（Display）等程序组成。

利用T0定时器作为定时基本单位，根据模式需要计算好各控制信号的发生时刻，根据不同的模式Model_i可以设定不同的工作时间Ti和脉冲翻转频率Fi通过P0口输出，使各色LED灯的驱动时刻与移位触发的翻转时刻步调一致，使LED彩灯按照设计的模式工作。

　　除了T0定时中断之外，程序的大部份时间是在处理按键的查询和LED显示的延时。

8个按键分别为：

4个参数按键（Fi增、减按键，Ti增、减按键），3个模式改变按键（模式上翻UP、模式下翻DOWN、模式保持KEEP），1个功能切换按键。

在每次的T0定时中断服务子程序里，需要对各个时间寄存器和模式寄存器进行加1或者清，为主程序查询作准备，同时查询是否已中断6次（30ms），若30ms到了，则对参数按键查询一次，是否有时间Ti频率Fi增减键按下并进行相应子程序处理。

　　主程序除了调用各种子模式子程序（Model_i），调用LED显示子程序（Display）和延时子程序（Delay）之外，还一直保持查询是否有功能切键按下以及是否有模式改变按键按下，一旦有功能切换键和模式改变键按下，就会进入相应的按键处理。

?

主程序流程如图3所示。

亮灯模式子程序Model_i可以编写若干（n种），只要控制好各色灯触发和熄灭时刻就可以组合成各种亮灯效果。

Model_i程序流程如图4所示。

3.彩灯控制器电路原理

彩灯控制器电路由电源电路和彩灯控制电路组成，如图1-151所示。

电源电路由整流二极管VDl-VD4、限流电阻器Rl、稳压二极管VS和滤波电容器Cl组成。

　　彩灯控制电路由计数器集成电路IC、电阻器肛-R13、电容器C2、可变电阻器RP、晶闸管VTl-VTlO和彩灯HLl-HLlO组成。

为简化电路，图中IC的Q7-QlO端、Q12、Q13端（该集成电路无Ql-Q3和Qll端）和电阻器R7-Rl2、晶闸管VT4-VT9、彩灯HL4-HL9本画出。

　　交流220V电压经VDl,VD4整流、Rl限流降压、VS稳压及Cl滤波后，为IC提供6.8V直流工作电源。

　　RP、R2、R3、C2和IC的9-11脚内电路组成多谐振荡器。

在接通电源后，多谐振荡器即振荡工作，IC对多谐振荡器产生的振荡信号进行分频计数后，从IC的Q4-QlO端和Q12-Q14端输出变化的控制电平，使VTl-VTlO间歇导通，彩灯HLl-HLlO按不同的频率闪烁发光（HLl的闪烁频率最高，HLlO的闪烁频率最低）。

　　调节RP的阻值，可改变彩灯闪烁的频率。

3.1元器件选择

　　Rl选用1/2W金属膜电阻器;R2-R13均选用1/4W金属膜电阻器。

　　Cl选用耐压值为16V的铝电解电容器;C2选用独石电容器或CBB电容器。

　　RP选用有机实心可变电阻器。

　　VDl-VD4选用1N4004或1N4007型硅整流二极管。

　　VS选用lW、6.8V的硅稳压二极管，例如lN4736等型号。

　　VTl-VTl4均选用2P4M（2A、400V）的晶闸管。

　　IC选用14级二进制计数分频器集成电路。

　　HLl-HLlO选用成品彩灯串。

本例介绍的彩灯控制器，能控制5路彩灯（可在一个平面上组成各种图形或图案）使之按逐路递增点亮、逐路递减熄灭的显示方式闪烁发光。

　3.2　电路工作原理

　　该彩灯控制器电路由电源电路、多谐振荡器、脉冲控制电路和彩灯驱动控制电路组成，如图1-152所示。

　电源电路由降压电容器Cl、泄放电阻器Rl4、稳压二极管VS、整流二极管VDl和滤波电容器C2组成。

　　多谐振荡器由非门集成电路ICl（Dl-D3）内部的Dl、非门D2、电阻器Rl、电位器RP和电容器C3组成。

　　脉冲控制电路由计数/脉冲分配器集成电路IC2、电阻器R2、二极管VD2-VDll和电子开关集成电路lC3（51、52）组成。

　　彩灯驱动控制电路由ICl内邵的非门D3、电阻器R3-R13、电容器C4、六D触发器集成电路IC4、晶体管Vl-V5、晶闸管VTI-V仍和彩灯HLl-HL30组成。

　　交流220电压经Cl降压、VS稳压、VDl整流及C2滤波后，为lCl-lC4和Vl-V5提供近l2V直流工作电压。

　　多谐振荡器振荡工作后，输出频率为2Hz的振荡脉冲信号，为IC2提供计数脉冲。

IC2在计数脉冲的作用下，其YO-Yg端依次轮流输出高电平。

　　C4、R3和D3组成lC4的复位电路，在通电后为lC4提供复位脉冲，使IC4清零复位，Ql-Q5端均输出低电平，Vl-V5和VTl-VT5均截止，HLl-HL30均不亮。

　　当IC2的YO-Y4端轮流输出高电平时，lC3内部的Sl接通，使IC4的Dl端输人高电平，Ql-Q5输出端依次输出高电平，Vl-V5和VTl-VT5依次导通，HLl-HL30依次递增点亮。

即当lC4的Ql端输出高电平时，VI和VTl导通，HLl-H历点亮;当IC4的Q2端输出高电平时，V2和VT2也导通，HL7-HL12，12点亮（HLl-HL6维持点亮状态）……;当lC4的Q5端输出高电平时，V5和VT5导通，HT5-HL30点亮（此时HLl-HL30全部点亮）。

　　当IC2的Y5-Yg端轮流输出高电平时，IC3内部的Sl关断，S2接通，IC4的Dl端输入低电平，D2-D6端依次输出低电平，使Vl-V5和VTl-VT5依次截止，HLl-HL3O依次递减熄灭。

即当lC4的D2端输出低电平时，Vl和VTl截止，HLl-H历熄灭;当I叫的D端输出低电平时，V2和Vm截止，HL7-HLl2熄灭……;当IC4的D6端输出低电平时，V5和VT5截止，HL25-HL30熄灭（此时HLl-HL30均熄灭）。

　　以上工作过程周而复始，使5路彩灯逐路递增点亮后又逐路递减熄灭，产生丰富多彩的灯光效果。

　　调节RP的阻值，可改变多谐振荡器的振荡频率从而改变彩灯闪烁变化的频率。

　元器件选择

　　Rl-R14选用1/4W金属膜电阻器或碳膜电阻器。

　　RP选用有机实心电位器。

　　Cl选用耐压值为400V以上的CBB聚丙烯电容器;C2和C4均选用耐压值为25V的铝电解电容器;C3选用独石电容器或涤纶电容器。

　　VDl选用1N4007型硅整流二极管;VD2-VDll均选用1N4148型硅开关二极管。

　　VS选用1N4742（1W、l2V）型硅稳压二极管。

　　Vl-V5均选用S9013型硅NPN晶体管。

　　VT1-VT5均选用3A、400V以上的双向晶闸管，例如TLC336A等型号。

lCl选用CD4069或CC4069、MCl4069型六非门集成电路;IC2选用CD4017或CC4017、MCl4017型十进制计数/脉冲分配器集成电路;lC3选用CD4066或CC4066型模拟电子开关集成电路;IC4选用CD4017或CC40174型六D触发器集成电路。

　　HLl-HL30均选用220V、l0-25W的彩色灯泡。

HLl-HL6和HLl9-HL24为红色，HL7-HLl2为绿色，HLl3-HL18为黄色，HL25-HL30为蓝色。

本例介绍的彩灯控制器，采用SH-868型专用彩灯控制集成电路（内储21首乐曲，复合双音），可驱动4路彩灯，使之随着音乐的节奏产生4订金亮、4灯跳动、双灯对闪、单灯跳动和双灯跳动等灯光效果。

　3.3　电路工作原理

　　该彩灯控制器电路由电源电路、彩灯驱动控制电路和音频功率放大电路组成，如图1-150所示。

　　电源电路由电阻器Rl-R3、电容器Cl-C3、稳压二极管VS和整流二极管VD2组成。

　　彩灯驱动控制电路由集成电路IC、电阻器R4、电容器C4-C6、控制按钮S、二极管VDl、晶闸管VTl-VL4和彩灯HLl-H帖组成。

　　音频功率放大电路由晶体管VI、V2、可变电阻器RP、电容器C7和扬声器BL组成。

　　交流220V电压经Rl和Cl限流降压、VS稳压、VD2整流及C2、R3、C3滤波后，为IC提供4.7V直流工作电压。

　　IC通电工作后，其13-16脚（L1-L4端）输出变化的触发控制信号，通过控制VT1-VT4的工作状态来控制HLl-H饵的闪光效果。

IC的4、5脚输出的音频信号经Vl、V2放大后，驱动BL发出音乐声。

　　S为灯光模式选择按钮，每按动一次S，即可改变一种灯光模式。

　　3.3.1元器件选择

　　Rl选用lW金属膜电阻器;R2和R3选用1/2W金属膜电阻器或碳膜电阻器;R4选用l/4W碳膜电阻器。

　　RP选用合成膜可变电阻器。

　　Cl选用耐压值为630V的CBB电容器;C2-C7均选用耐压值为l6V的铝电解电容器。

　　VDl选用lN5406型硅整流二极管;VD2选用1N4007型硅整流二极管。

　　VS选用lW、4.7V的硅稳压二极管。

　VTl-VW均选用600V、lA的晶闸管，例如MCRlO0-8等型号。

若每路彩灯的功率大于100W，则应选用电流容量大一些的晶闸管。

　　Vl选用S8050型硅NPN晶体管;V2选用S8550型硅PNP晶体管。

　　BL选用0.5W、8Ω的电动式扬声器。

　　S选用小型动合按钮。

本例介绍的彩灯控制器，采用SH-818型专用彩灯控制集成电路（内储25首乐曲），能驱动4路彩灯，使之随音乐的节拍闪烁发光，并可变换多种灯光花样。

　3.3.2　电路工作原理

　　该彩灯控制器电路由电源电路、彩灯驱动控制电路和音频功率放大电路组成，如图1-149所示。

　　电源电路由电阻器Rl、R2、电容器Cl、C2、稳压二极管VS和整流二极管VD2组成。

　　彩灯驱动控制电路由集成电路IC（SH-818）、电阻器R3、二极管VDl、电容器C3、C4、晶闸管VTl-VW、控制按钮Sl、S2和彩灯HLl-HL4组成。

　　音频功率放大电路由晶体管Vl-V3、电阻器R4-R6、电容器C5、C6和扬声器BL组成。

　　交流220V电压经Rl和Cl限流降压、VS稳压、VD2整流及C2滤波后，为lC和音频功率放大电路提供4.5-4.7V直流工作电压。

　　IC通电工作后，其7脚（音频信号输出端）输出的音频信号经音频功率放大电路放大后，驱动BL奏出乐曲声。

IC的10-13脚（Ll-l4端）输出与音频信号同步变化的触发控制信号，通过控制VTl-VT4的工作状态来控制HLl-Hl4的闪光效果。

　　S1为灯光模式选择按钮，按动一下S1，可变换一种灯光模式;连续按动S1，可使7种灯光模式循环变换。

　S2为音量控制按钮，连续按动S2，可使BL的音量按"高→中→低→无→高……"循环变换。

　　改变C3和C4的容量，可以改变音质和音色。

　3.4　元器件选择

　　Rl和R2均选用1/2W金属膜电阻器;R3-R6选用1/4W金属膜电阻器或碳膜电阻器。

　　Cl选用耐压值为400V以上的CBB电容器;C2-C4和C6均选用耐压值为16V的铝电解电容器;C5选用独石电容器。

　　VDl和VD2均选用IN4007型硅整流二极管。

　　VS选用lW、4.5-4.7V的硅稳压二极管。

　　Vl选用S9013或S9014型硅NPN晶体管;V2和V3均选用S8050型硅NPN晶体管。

　　VTl