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大型动感霓虹灯设计论文本科论文

河南科技学院

2009届本科毕业论文（设计）

论文题目：

大型动感霓虹灯设计

学生姓名：

陈国伟

所在院系：

机电学院

所学专业：

应用电子技术教育

导师姓名：

洪源

完成时间：

2009年5月20日

摘要

该动感霓虹灯设计是基于8031单片机、串口联级新型的共阴极驱动芯片—MAX7219霓虹灯扫描控制器，采用环保节能LED及LED灯组以实现个性化的动态显示效果。

该设计的动感霓虹灯，整体上可以分为电源模块、显示模块和控制模块三个部分。

电源模块采用变压器、桥式整流滤波电路和7805稳压芯片构成，为CPU、EPROM及MAX7219等弱电电路供电。

显示模块采用LED及LED灯组，灯线采用独立LED有序排列形成，灯字则采用LED灯组来实现，并用MAX7219来实现恒流驱动，整体效果动感十足，醒目形象。

控制模块包括单片机8031、程序存储器EPROM2732、地址锁存器74LS373、地址锁存器74LS138等，完成向显示驱动模块输送扫描花样信号的任务。

设计采用新型扫描控制器及MAX7219驱动，具有较高的通用性及很大的实用价值，显示则采用LED实现动感效果，节能环保，经济实用。

整体设计成本低廉，实用性强，节能环保，有较高的通用性。

关键词：

LED，动感霓虹灯，单片机，扫描控制，软件设计

TheDesignofLarge-scaleDynamicNeon

Abstract

ThisdesignofdynamicNeonlightisbasedon8031SingleChipMicyoco,theserialportassociationlevelnewcommoncathodedrivestomovethechip-MAX7219neonlightscanningcontroller,usesLEDandtheLEDlampbankrealizesthepersonalizeddynamicdemonstrationeffect.Thisarticleintroducedthedesignofdynamicneonlight,divideintothepowersourcemodule,thedemonstrationmoduleandthecontrolmoduleroughly.Thepowersourcemoduleusesthetransformer,thebridgetyperectificationfiltercircuitand7805constantvoltagechipconstitution,isCPU,EPROMandMAX7219andsoontheweakelectricityelectriccircuitpowersupply.ThedemonstrationmoduleusesLEDandtheLEDlampbank,thelampwireusestheindependentLEDorderarrangementformation,thelampcharacterusestheLEDlampbanktorealize,andrealizestheconstantflowactuationwithMAX7219,theoveralleffectprojectisfull,strikingimage.Thecontrolmoduleincludingthemonolithicintegratedcircuit8031,programmemoryEPROM2732,addresslatch74LS373,addresslatch74LS138andsoon,completestothedemonstrationactuationmoduletransportationscanningpatternsignalduty.ThedesignusesthenewscanningcontrollerandtheMAX7219actuation,hasthehighversatilityandtheverygreatpracticalvalue,demonstratedusestheLEDtorealizedynamiceffect,theeconomyispractical.Theoveralldesigncostisinexpensive,usable,theenergyconservation

environmentalprotection,hasthehighversatility.

Keywords：

LED,DynamicNeon,SingleChipMicyoco,ScanContronl,Software

Design

目录

1绪论1

2系统方案设计2

2.1系统方框图2

2.2动感效果图3

3系统原理概述及仿真4

3.1电源模块4

3.2显示模块5

3.2.1发光二极管的工作特性5

3.2.2发光二极管的工作原理6

3.2.3发光二极管的驱动电路7

3.2.4PWM（脉宽调制）调光技术9

3.3控制模块9

3.3.1单片机8031最小化系统10

3.3.2程序存储器EPROM273211

3.3.3功率输出板14

4软件程序设计15

4.1主程序流程图15

4.2程序编制16

4.2.1顺序扫描程序17

4.2.2PWM调光程序17

5结束语18

致谢19

参考文献19

附录1驱动电路20

附录2显示程序21

1绪论

霓虹灯自1910年问世以来，历经百年不衰。

它是一种特殊的低气压冷阴极辉光放电发光的电光源，而不同于其它诸如荧光灯、高压钠灯、金属卤化物灯、水银灯、白炽灯等弧光灯。

霓虹灯是靠充入玻璃管内的低压惰性气体，在高压电场下冷阴极放电而发光。

发光颜色由气体的光谱特性决定：

充入氖气，发红色光；充入氩气及汞，发蓝色、黄色等光。

然而其由于其造价相对较高、维修难度大、动感表现不足、成本高等缺点。

而当前全球能源短缺的忧虑再度升高的背景下，节约能源是我们未来面临的重要的问题，在照明领域，LED发光产品的应用正吸引着世人的目光，LED作为一种新型的绿色光源产品，必然是未来发展的趋势，二十一世纪将进入以LED为代表的新型照明光源时代。

LED被称为第四代照明光源或绿色光源，具有节能、环保、寿命长、体积小等特点，可以广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明和城市夜景等领域。

目前虽然霓虹灯的种类繁多，但有维修难度大、动感表现不足、成本高等缺点，且采用LED作为光源、动感展示的较少，因此，在中小城市和一些小型的娱乐场所和商店，媒体的应用还不是很普遍。

本设计克服了其缺点，采用简单的数字电路，可以节约投资和便于维修，只要是有一点电路基础的人员就可进行维修。

可以在中小城市和乡镇中普遍的推广。

随着人类社会的发展和生活水平的提高。

广告已成为人类了解信息的有效途径。

而霓虹灯作为新兴的装饰广告工具用来作广告或信号，凭借其造型奇特、新颖、色彩丰富、种类多、构造灵活等特点，在城市建设和广告业中得到广泛应用。

该动感霓虹灯设计采用一种新型的霓虹灯扫描控制器来控制显示模块，基于8031单片机智能控制，节能发光二极管LED作为基本显示元件，并由MAX7219联级新型共阴极驱动芯片来驱动，以实现三种类型的独特新颖的动感效果。

该动感霓虹灯具有功耗低、亮度高、寿命长、尺寸小、通用性强、性价比低等优点，该霓虹灯模型将在霓虹灯生产中得到广泛的应用。

2系统方案设计

对于新型节能环保动感霓虹灯的设计，主要有以下几个方面的要求:

（1）霓虹灯材料环保、节能;

（2）画面的设计要突出动感，系统要美观、工作稳定、环保节能、成本低、便于推广；

（3）电路的设计要求布线合理，便于实现，便于推广，成本要低，便于一般人员维修；

（4）电源的设计要能保证稳定、噪音小、功耗小；

（5）通用性好，可以简单调试，适用于不同场合。

2.1系统方框图

该动感霓虹灯大体可分为三个模块，即电源模块，控制模块和显示模块，使用单片机8031为控制单元，由内部程序通过外部的驱动电路来控制LED灯及LED灯组的导通或者截止，进而形成各种灯光效果，以实现其预想的动画效果。

整体系统方框图如图１所示：

图1系统方框图

由于显示模块采用多个LED的群组，以单片机为主控核心的电路单元框图如图1所示。

这样会有很大的电流或者很高的电压流过电路，这时需在单片机和外部驱动电路之间加一级隔离电路，可以防止外部高电压或者是大电流对单片机正常工作是的干扰，使电路工作的稳定性更高。

一般是采用光电隔离器，具体的器件型号要根据具体的电路中的电流的大小，电压的高低确定，和使用交流还是直流等具体的情况来考虑。

使用单片机作为核心电路，主要应用的是程序控制，相应的硬件控制电路比较简单，操作也容易方便，而且价格较低，但是由于采用程序控制，虽然硬件电路很简单，便于电路设计，但维护需要有一定专业知识的技术人员才能进行，对于一般人员来说就有一定的难度。

另外，程序的控制在电力设备较多或者干扰很强的情况下会受到干扰，严重影响系统正常工作的稳定性，所以单片机为主控核心的设计虽然应用很普遍，也较实用，但是并不符合本课题的性能要求。

2.2动感效果图

该设计的重点及闪亮点在于如何实现霓虹灯效果，其能实现三种非常理想的霓虹灯动感效果：

一是灯线能够体现出时间和位移上的连续性、不间断性，间隔渐变动画效果；二是所有字幕在同一瞬时出现亮度变化并且不断循环变换，即渐亮渐灭的动感效果；三是多个亮点能同时呈现在不同位置上并且不断循环变换，与实际动作有较高的相似性，即动作化的动感效果。

整体设想的的三种动感效果较为理想，但由于设计的主题及设计成本限制仅以下面几种较为简单的方式表现显示出来。

只为一种近乎理想的参考模型。

灯光的整体效果图如图2所示，这里显示动感效果主要采用发光二极管LED作为实现的手段，将主楼的轮廓线用LED勾画出来。

先是L1、L2从下向上依次点亮，时间间隔由慢到快，呈一条亮线流星式快速显示。

然后在经过数秒的延时后，L1、L2从下向上依次熄灭，显示方式和效果一样。

主楼上面的“河南科技学院”字体常亮，但是亮度不断变化，由明到暗，由暗到明，不断循环。

主楼中间则显示“庆建校60周年”字样，以每隔2秒方式逐次显示每一个字。

总体来说，整体显示效果共有三种显示方式，动感效果明显而且生动形象。

该动感霓虹灯的整体显示效果图如下图图2所示：

庆

建

校

60

周

年

图2主楼整体效果图

3系统原理概述及仿真

3.1电源模块

电源部分是任何一个有电系统的供电核心，对于系统正常工作起着至关重要的作用。

根据不同的系统，对电源的要求也就不同的，但无论是什么样的系统，也无论系统的大小，都要求有一个稳定的供电电源，否则会造成整个系统的不稳定，甚至无法正常工作，因此对电源有相当高的要求。

该动感霓虹灯硬件电路需要+5VⅠ、+5VⅡ电源，+5VⅠ为CPU、EPPROM及MAX7219等弱电电路供电，+5VⅡ为光耦4N25专门供电。

电源模块的硬件电路的由变压器、桥式整流滤波电路和7805稳压芯片构成，电源工作性能相当稳定，基本符合要求。

电源部分选择两相变压器，在选择电源变压器时主要考虑的性能指标是二次输出的电压、电流和功率等参数。

由于各个发光二极管是并联的关系，所以它们的电压是相同的，电流是各个发光二极管的电流之和。

如已知一个管子电流的大小，根据发光二极管的个数来确定总的电流的大小。

根据欧姆定律，P=UI确定电源变压器的功率。

假设采用1000个二极管，每个二极管流过的电流是5毫安，那么电源变压器的输出电流最小就需要1000×5=5000毫安=5安，为了留有余量，以应付在负载不稳定时系统能够稳定的工作，变压器应采用5V/6A或者其它的5V/5A以上，功率是5×5=25W的或者是30W的电源变压器。

该设计采用集成稳压电路7805和简单的元器件构成一个5V的稳压电源来给系统提供电能。

为了使电路的工作性能更加的稳定，采用分开供电，给控制电路和照明电路采用两路供电，因为虽然控制电路的电压和输出给二极管电路的电压一样大，但是控制电路的电流很小，而输出给二极管电路的电流比较大，有可能给控制电路造成干扰，为了尽量避免这种情况的发生，采用两路供电是比较理想的选择，给控制电路提供电能的变压器要求较低，采用一般的变压器就可以。

电源模块的电路原理图见图3所示。

图3电源模块硬件电路

3.2显示模块

该动感霓虹灯设计显示模块主要采用发光二极管LED或是LED灯组显示。

LED即发光二极管英文﹙LightEmittingDiode﹚的缩写。

LED是一种电流发光器件，通过电流产生光源，将电能转化为光能。

材料的不同决定了它通过电流后产生的发光颜色和发光强度。

磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光。

红绿蓝为三基色，由此三种颜色可调出任意颜色。

把发光二极管按一定的点间距任意纵横排成阵列就是LED点阵版面，即LED电子显示屏。

LED以其亮度高，耗电量少，性能稳定，寿命长。

考虑设计成本等因素因而采用LED作为显示模块的主要构件。

3.2.1发光二极管的工作特性

发光二极管是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能。

除了造价较低之外，还有以下工作特性：

（1）在低电压（1.5～2.5V）、小电流（5～30mA）的条件下工作，即可获得足够高的亮度。

（2）发光响应速度快（10-7～10-9s），高频特性好，能显示脉冲信息。

（3）单色性好，常见颜色有红、绿、黄、橙等。

（4）体积小。

发光面形状分圆形、长方形、异形（三角形等）。

其中圆形管子的外径有φ1、φ2、φ3、φ4、φ5、φ8、φ10、φ12、φ15、φ20（mm）等规格，直径1mm的属于超微型LED。

（5）防震动及抗冲击穿性能好，功耗低，寿命长。

由于LED的PN结工作在正向导通状态，本射功耗低，只要加必要的限流措施，即可长期使用，寿命在10万小时以上，甚至可达100万小时。

　　（6）使用灵活，根据需要可制成数码管、字符管、电平显示器、点阵显示器、固体发光板、LED平极型电视屏等。

（7）容易与数字集成电路匹配。

3.2.2发光二极管的工作原理

发光二级管的发光原理在于其内部特殊的结构，发光二极管的内部是具有发光特性的PN结。

当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，依靠少数载流子的注入以及随后的复合而辐射发光，由于不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同，所以当电子和空穴复合时释放出的能

量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。

这就是发光二极管的基本工作原理。

发光二极管LED在正向导通之前几乎没有电流，当其两端的电压超过开启电压时，电流就急剧上升。

因此，LED属于电流控制型半导体器件，其发光亮度L（单位cd/

，读作坎德拉每平方米）与正向电流IF近似成正双，有公式：

（1）

公式

（1）中，K为比例系数，在小电流范围内（IF=1～10mA），m=1.3～1.5。

当IF>10mA时，m=1，可简化为：

（2）

LED的正向电压则与正向电流以及管芯的半导体材料有关。

使用时应根据所要求的显示亮度来选取合适的IF值（一般选10mA左右，对于高亮度LED可选1～2mA），既保证亮度适中，也不会损坏LED。

若电流过大，会烧毁LED的PN结。

此外，LED的使用寿命将缩短。

发光二极管的反向击穿电压约5伏。

它的正向伏安特性曲线很陡，使用时必须串联限流电阻以控制通过管子的电流。

限流电阻R可用下式计算：

（3）

公式（3）中E为电源电压，UF为LED的正向压降，IF为LED的一般工作电流。

发光二极管的两根引线中较长的一根为正极，应按电源正极。

有的发光

二极管的两根引线一样长，但管壳上有一凸起的小舌，靠近小舌的引线是正极。

与小白炽灯泡和氖灯相比，发光二极管的特点是：

工作电压很低（有的仅一点几伏）；工作电流很小（有的仅零点几毫安即可发光）；抗冲击和抗震性能好，可靠性高，寿命长；通过调制通过的电流强弱可以方便地调制发光的强弱。

由于红色和黄色的发光二极管的工作电压是2V的，其它颜色的工作电压都是3V的，一般的发光二极管的工作电流是20mA，如果接在五伏的电源上，电源电压减二极管的工作电压就是分压电阻要分掉的电压，再用这个电压除以二极管工作的电流就能计算出这个电阻的阻值。

比如说3V的二极管（5-3）/0.02=100欧，2伏的二极管（5-2）/0.02=150欧，但是不是所有的发光二极管的工作电流都是20毫安，有的大一点有的小一点，实际使用的时候也可以用整流二极管来分压，一只二极管的压降是0.7V，用3只串联分掉的电压就是2.1V，剩下的正好是3.1V或者用四个串联剩下2.2V限流到20mA以下，红灯1.2V，绿灯1.4V（导通时）。

所以其限流电阻的大小必须在一定的范围内，否则可能导致LED烧毁或是低亮度现象。

LED亮度与电流不是线性关系，电流大到一定值时，亮度变化不大。

只要电流超过了最大的正向电流就会烧了。

特殊的主要看资料，一般的电流选定在3-20mA。

要控制发光二极管的正向电流，就必须知道发光二极管的一个重要参数：

Vf值。

不同颜色的发光二极管有不同的Vf值，同颜色的发光二极管的Vf值也不一样，绝大部分应用中都需要进行分光和分色。

不同种类的发光二极管的最大正向电流是不一样的。

我们常用的直径5mm的发光二极管的最大正向电流一般都是25mA，实际应用中常工作在20mA。

3.2.3发光二极管的驱动电路

为了保证显示模块的发光二极管LED及其灯组能够可靠稳定工作，很多场合都要求采用恒流技术来进行发光二极管的驱动。

该动感霓虹灯设计显示模块构件主要为发光二极管LED及LED灯组，其中那几个字“河南科技学院，庆建校60周年”则采用LED灯组实现，，其他的灯线则可以采用独立的LED依次连接即可。

该设计采用的驱动的芯片MAX7219，是一种联级新型的共阴极驱动芯片。

MAX7219是MAXIM公司生产的串行输入/输出共阴极数码管显示驱动芯片，一片MAX7219可驱动8个7段（包括小数点共8段）数字LED、LED条线图形显示器、或64个分立的LED发光二级管。

下面对MAX7219的特点做介绍：

（1）采用3线串行接口传送数据；

（2）内部有8字节显示静态RAM和6个特殊功能寄存器，相当于14个字节的RAM单元。

它们是可寻址的，即可以有选择的任意写入；

（3）只需一个外部电阻即可调节LED的段电流，并且允许程控方式LED通电的占空比而可方便的调节LED显示的亮度，或用于模拟亮度显示；

（4）有不译码和B码两种显示模式，这种选择可做到位控，即各LED显示器可以有不同的显示方式：

译码或不译码；

（5）含硬件动态扫描显示控制，可设置低功耗方式，可进行图条显示。

该芯片具有10MHz传输率的三线串行接口可与任何微处理器相连，只需一个外接电阻即可设置所有LED的段电流。

它的操作很简单，MCU只需通过模拟SPI三线接口就可以将相关的指令写入MAX7219的内部指令和数据寄存器，同时它还允许用户选择多种译码方式和译码位。

此外它还支持多片7219串联方式，这样MCU就可以通过3根线（即串行数据线、串行时钟线和芯片选通线）控制更多的数码管显示。

MAX7219的外部引脚分配如图4所示

图4MAX7219封装图

MAX7219的数据输入主要由三根输入线完成。

它们分别是串行数据线、时钟线与加载线。

当1个16位的数据从高位到低位依次输入MAX7219后，在

加载的上升沿将D7－D0送入对应的内部寄存器。

MAX7219的串行输入数据格式，高位字节的高4位保留，低4位为片内寄存器地址；低位字节为8位数据。

MAX7219的16位串行数据的作用如表1所示：

表1MAX7219的16位串行数据

D15D14D13D12

D11D10D9D8

D7D6D5D4D3D2D1D0

无关比特

地址

数据位

其中，低8位表示显示数据本身，最高的4位D15～D12为无关比特，D11～D8为用于寻址4个内部寄存器。

为使MAX7219能够正常工作，必需在使用前对其进行初始化。

正常显示时的程序十分简单，只需向内部寄存器地址X1～X8H写入相应的显示值即可。

其驱动LED电路见附录1。

如果在实际工作中需要驱动的数码管个数大于8个，或需要驱动的发光二极管个数大于64个，可以用多片MAX7219的级连来实现，即将一片MAX7219的串行数据输出与下一片MAX7219的串行数据输入相连，时钟信号与加载信号多片复用。

MAX7219是一种非常好的共阴数码管及发光二极管显示驱动芯片。

它与微处理器只有3根连线，印制板走线简单，占用系统软、硬件资源少。

它适用范围广，通过改变RSET的阻值，可适用于驱动电压为1.5V～3.5V，驱动电流为10mA～40mA的所有发光二极管。

它扩展能力强，可实现多片的级连。

由于MAX7219具有较多优点，所以今后它的应用将越来越广泛。

3.2.4PWM（脉宽调制）调光技术

LED的亮度与通过的电流有关，但并不呈线性关系。

在一定范围内，电流越大，两度越高。

每个发光二极管都有一个最佳工作电流，低于这个电流，发光二极管的亮度会降低；高于这个电流，发光二极管的亮度会增加，但是发光二极管的寿命会降低。

当这个电流超过最大允许电流时，发光二极管就会损坏。

人们普遍接受的LED亮度控制方法有两种，即模拟调光和PWM调光。

当采用模拟调光时，LED电流的调节范围在某个最大值至该最大值的约10%之间（10:

1调光范围）。

由于LED的色谱与电流有关，因此这种方法并不适合于某些应用。

然而，PWM数字调光方式则是以某种快至足以掩盖视觉闪烁的速率（通常高于100KHz）在零电流和最大LED电流之间进行切换。

该占空比改变了有效平均电流，从而实现了高达3000：

1的调光范围（仅受限于最小占空比）。

由于

LED电流要么处于最大值，要么被关断，所以该方法还具有能够避免发生LED色偏的优点，而在采用模拟调光时这种LED色偏现象是很常见的。

本该动感霓虹灯设计中利用PWM技术，即脉宽调制技术，通过软件编程控制单片机引脚电压变化，使引脚所接二极管亮度变化。

脉冲宽度调节就是调节脉冲的宽度，由于一个脉冲的周期固定，通过调整高电压和低电压的时间即占空比，就可以控制这段时间电压的平均值，进而实现LED亮度调节。

3.3控制模块

该设计控制模块包括单片机8031、程序存储器EPROM2732、地址锁存器74LS373、地址译码器74LS138等，完成向显示驱动模块输送扫描花样信号的任务。

CPU在6MHz的时钟驱动下，从EPROM2732中读取扫描花样指令，向每一片7219送出数据，扫描花样需要哪一片MAX7219的数据更新，74LS138对应的输出端产生一个上升沿，使新数据打入MAX7219。

由于CPU执行速度很快，所