電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書

摘要

LED驅(qū)動(dòng)點(diǎn)陣設(shè)計(jì)是為了實(shí)現(xiàn)屏幕顯示信息。用多諧振蕩器產(chǎn)生單脈沖，為計(jì)數(shù)器提供脈沖，再用譯碼器作為顯示屏的陰極驅(qū)動(dòng)，用存儲(chǔ)器存儲(chǔ)想要顯示的信息，再通過(guò)存儲(chǔ)器的輸出端連接顯示屏的陽(yáng)極，通過(guò)譯碼器和存儲(chǔ)器的相互控制LED兩端電壓控制其亮滅。LED發(fā)光器件為顯示介質(zhì)的大型顯示屏已廣泛地被應(yīng)用，要掌握其原理首先應(yīng)該了解最小點(diǎn)陣的發(fā)光和顯示原理。

目錄

1設(shè)計(jì)方案

    1.1 選題背景

    1.2指導(dǎo)思想

    1.3方案論證

    1.4設(shè)計(jì)任務(wù)

    1.5 發(fā)揮設(shè)計(jì)任務(wù)

    1.6參考元器件

    1.7 電路特點(diǎn)

2 電路設(shè)計(jì)

    2.1 總體方框圖

    2.2 工作原理

3 各主要電路及部件工作原理

    3.1 555多諧振蕩電路

    3.2 74HC161引腳圖及工作原理.

    3.3 74HC573引腳圖及工作原理

    3.4 74HC138引腳圖及工作原理

    3.5 AT28C64引腳及相關(guān)參數(shù)

    3.6 8*8LED點(diǎn)陣

4 原理總圖

5.元件清單

6調(diào)試過(guò)程及測(cè)試數(shù)據(jù)

    6.1 通電前檢查

    6.2 通電檢查

        6.2.1按鈕開關(guān)的檢查

        6.2.2 點(diǎn)陣模塊的調(diào)試

        6.2.3 NE555單元電路的調(diào)試

        6.2.4 74HC161計(jì)數(shù)器的調(diào)試

        6.2.5 74HC138譯碼器的調(diào)試

        6.2.6存儲(chǔ)器AT28C64的調(diào)試

        6.2.7 74HC573鎖存器的調(diào)試

    6.3 結(jié)果分析

7小結(jié)

8 設(shè)計(jì)體會(huì)及今后的改進(jìn)意見

    8.1 體會(huì)

    8.2 本方案特點(diǎn)及存在的問(wèn)題

    8.3 改進(jìn)意見

參 考 文 獻(xiàn)

附錄Ⅰ 原理總圖

附錄Ⅱ 元器件清單

附錄III燒錄程序

當(dāng)今社會(huì)以LED半導(dǎo)體發(fā)光器件為顯示介質(zhì)的大型顯示屏已廣泛地被應(yīng)用。其控制驅(qū)動(dòng)方式各種各樣,也各具特色。在LED發(fā)光管的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)上也有許多的方式。由于大型的點(diǎn)陣顯示屏是由上萬(wàn)個(gè)或幾十萬(wàn)個(gè)LED發(fā)光象元組成,這也就需要大量的驅(qū)動(dòng)電路來(lái)支持。那么驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)的好壞就直接影響系統(tǒng)的生產(chǎn)制造成本和顯示的效果及系統(tǒng)的運(yùn)行性能。設(shè)計(jì)一個(gè)即能滿足控制驅(qū)動(dòng)要求,同時(shí)使用器件少成本底的單元控制驅(qū)動(dòng)方案是必要的，以8×8點(diǎn)陣驅(qū)動(dòng)為例進(jìn)行研究。

通過(guò)控制555多諧振蕩器觸發(fā)器輸入脈沖頻率信號(hào)，再通過(guò)計(jì)數(shù)器作為存儲(chǔ)器的輸入，以存儲(chǔ)器和譯碼器作為高低電平的輸入，進(jìn)而控制加在點(diǎn)陣 LED燈兩端的電壓，這樣就可以實(shí)現(xiàn)LED的亮滅控制。

方案一：以74HC138的輸出端作為8*8LED點(diǎn)陣的橫向驅(qū)動(dòng)，縱向驅(qū)動(dòng)由三態(tài)門74HC244控制存儲(chǔ)器AT28C64的輸出端來(lái)承擔(dān)，三態(tài)門控制存儲(chǔ)器的八位輸出只有一位有效，其他位為高阻態(tài)，依次循環(huán)。用兩組8輸出計(jì)數(shù)器74HC161做為AT28C64的輸入，其中一組專門給另一組置位，每次最多只亮一個(gè)燈，每屏需亮64次，讓每屏第一和最后一個(gè)燈亮?xí)r間差小于人眼分辨時(shí)間，利用人眼視覺暫留，即可認(rèn)為實(shí)現(xiàn)了整個(gè)屏幕亮一次，在1秒內(nèi)保持屏幕上顯示內(nèi)容不變，第二秒亮下一個(gè)內(nèi)容，如此循環(huán)，即可實(shí)現(xiàn)所要求功能。

方案二：以74HC138的輸出端作為8*8LED點(diǎn)陣的橫向驅(qū)動(dòng)，直接以AT28C64的輸出作為縱向驅(qū)動(dòng)，以74HC138的輸入計(jì)數(shù)器和另外三片74HC161作為AT28C64的輸入，為防止縱向拉電流過(guò)小，橫向灌電流過(guò)大，將兩片74HC573加在點(diǎn)陣輸入輸出端。這樣每次最多可亮8個(gè)燈（一組），讓每屏第一組和最后一組燈亮?xí)r間差小于人眼分辨時(shí)間，利用人眼視覺暫留，即可認(rèn)為實(shí)現(xiàn)了整個(gè)屏幕亮一次，在0.5秒內(nèi)保持屏幕上顯示內(nèi)容不變，第二個(gè)0.5秒內(nèi)亮下一個(gè)內(nèi)容，如此循環(huán)，當(dāng)?shù)谒钠?4HC161高一位未計(jì)數(shù)時(shí)，前三片74HC161的地址端所對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)器地址空間一直在循環(huán)，當(dāng)?shù)谒钠?4HC161高一位計(jì)數(shù)時(shí)，即通過(guò)擴(kuò)展存儲(chǔ)器地址端可實(shí)現(xiàn)屏幕顯示內(nèi)容向左滾動(dòng)，當(dāng)?shù)谒钠?4HC161高二位計(jì)數(shù)時(shí)，即通過(guò)擴(kuò)展存儲(chǔ)器地址端可實(shí)現(xiàn)屏幕顯示內(nèi)容向右滾動(dòng)，即可實(shí)現(xiàn)所要求功能（包括擴(kuò)展功能）。

綜合考慮方案一和方案二，我選擇了方案二，雖然連線較為復(fù)雜，但是在可是實(shí)現(xiàn)基本功能的同時(shí)，也可以實(shí)現(xiàn)拓展功能。選擇方案二對(duì)自己也是一個(gè)考驗(yàn)，為了使自己的電路富有更多功能，我還在計(jì)數(shù)器上加入清零和復(fù)位按鍵。所以通過(guò)燒錄入的程序，電路整體既可實(shí)現(xiàn)循環(huán)、左移和右移也可實(shí)現(xiàn)暫停、清零等功能。并且讓我學(xué)會(huì)用理論指導(dǎo)實(shí)踐，理論與實(shí)踐相結(jié)合，從實(shí)踐當(dāng)中升華理論知識(shí)。

設(shè)計(jì)并制作一個(gè)8×8LED點(diǎn)陣驅(qū)動(dòng)電路，原理如圖4所示。列存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)顯示信息，行譯碼器用于選擇當(dāng)前顯示行、通過(guò)動(dòng)態(tài)掃描方式顯示字符或圖案。具體要求如下：

         

(1) 能夠顯示數(shù)字（0~9）或字符（A~Z或a~z），顯示數(shù)量不少于8個(gè)；

(2) 能夠自動(dòng)循環(huán)顯示數(shù)字或字符。

顯示數(shù)字或字符能夠循環(huán)向左/右移動(dòng)。

74HC161、74HC138，AT28C16，NE555，74HC240/244，74HC573/574

8×8LED點(diǎn)陣驅(qū)動(dòng)電路整體來(lái)說(shuō)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但要完全理解每一個(gè)元件的功能和作用則需要深入的學(xué)習(xí)，并且知道元器件之間相連接之后能實(shí)現(xiàn)什么功能。我們通過(guò)控制555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸入脈沖頻率信號(hào)，產(chǎn)生符合人眼觀察的脈沖頻率，再通過(guò)四個(gè)作用不同計(jì)數(shù)器作為存儲(chǔ)器的輸入，以存儲(chǔ)器和譯碼器作為高低電平的輸入，進(jìn)而控制加在點(diǎn)陣 LED燈兩端的電壓，這樣就可以實(shí)現(xiàn)LED的亮滅控制。整體思路比較好理解，但是在此基礎(chǔ)上加入一些其他功能就顯得更加貼近現(xiàn)實(shí)。

   

以74HC138的輸出端（低電平）作為8*8LED點(diǎn)陣的橫向驅(qū)動(dòng)，直接以AT28C64的輸出作為縱向驅(qū)動(dòng)，以計(jì)數(shù)器1、2、3、4作為AT28C64的輸入，為防止縱向拉電流過(guò)小，橫向灌電流過(guò)大，將兩片74HC573加在點(diǎn)陣輸入輸出端，作為電流緩沖器。這樣每次最多可亮8個(gè)燈（一組），讓每屏第一組和最后一組燈亮?xí)r間差小于人眼分辨時(shí)間，利用人眼視覺暫留，即可認(rèn)為實(shí)現(xiàn)了整個(gè)屏幕亮一次，在1秒內(nèi)保持屏幕上顯示內(nèi)容不變，第二秒亮下一個(gè)內(nèi)容，如此循環(huán)，通過(guò)增加地址段的輸入來(lái)擴(kuò)展存儲(chǔ)空間，在存儲(chǔ)器內(nèi)燒錄入寫入的程序來(lái)控制8*8LED另一端高低電平，來(lái)控制LED屏幕64個(gè)燈的亮滅，并以此來(lái)實(shí)現(xiàn)的屏幕的的滾動(dòng)。

            

工作原理：：由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器如圖 3-1 所示，R1，R2和C是外接定時(shí)元件，電路中將高低電平觸發(fā)端(6腳)和低電平觸發(fā)端（2 腳）并接后接到R2和 C 的連接處，將放電端（7腳）接到R1，R2的連接處。由于接通電源瞬間，電容 C 來(lái)不及充電，電容器兩端電壓uc為低電平，小于（1/3）Vcc，故高電平觸發(fā)端與低電平觸發(fā)端均為低電平，輸出uo為高電平，放電管 VT 截止。這時(shí)，電源經(jīng) R1，R2對(duì)電容C充電，使電壓uc按指數(shù)規(guī)律上升，當(dāng)Uc上升到（2/3）Vcc時(shí)，輸出uo為低電平，放電管 VT 導(dǎo)通，把Uc從（1/3）Vcc上升到（2/3）Vcc這段時(shí)間內(nèi)電路的狀態(tài)稱為第一暫穩(wěn)態(tài)，其維持時(shí)間 TPH 的長(zhǎng)短與電容的充電時(shí)間有關(guān) 。由于放電管 VT 導(dǎo)通，電容C通過(guò)電阻R2和放電管放電，電路進(jìn)人第二暫穩(wěn)態(tài).其維持時(shí)間 TPL 的長(zhǎng)短與電 容的放電時(shí)間有關(guān)，放電時(shí)間常數(shù) T 放＝R2C0 隨著c的放電，Uc下降，當(dāng)Uc下降到（1/3）Vcc時(shí)，輸出Uo。為高電平，放電管 VT 截止，Vcc再次對(duì)電容c充電，電路又翻轉(zhuǎn)到第一暫穩(wěn)態(tài)。不難理解，接通電源后，電路就在兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)之間來(lái)回翻轉(zhuǎn)，則輸出可得矩形波。電路一旦起振后，Uc電壓總是在（1/3～2/3）Vcc之間變化。

占空比：

        （3-2）

計(jì)算步驟

=(20+2x20)Kx0.693x1nf=41.58x10^(-6)s

=(47+53X2)Kx0.693x10uf=1.06029s

         

工作原理：當(dāng)清零端CR=“0”，計(jì)數(shù)器輸出Q3、Q2、Q1、Q0立即為全“0”，這個(gè)時(shí)候?yàn)楫惒綇?fù)位功能。當(dāng)CR=“1”且LD=“0”時(shí)，在CP信號(hào)上升沿作用后，74LS161輸出端Q3、Q2、Q1、Q0的狀態(tài)分別與并行數(shù)據(jù)輸入端D3，D2，D1，D0的狀態(tài)一樣，為同步置數(shù)功能。而只有當(dāng)CR=LD=EP=ET=“1”、CP脈沖上升沿作用后，計(jì)數(shù)器加1。74LS161還有一個(gè)進(jìn)位輸出端CO，其邏輯關(guān)系是CO= Q0·Q1·Q2·Q3·CET。合理應(yīng)用計(jì)數(shù)器的清零功能和置數(shù)功能，一片74HC161可以組成16進(jìn)制以下的任意進(jìn)制分頻器。

            

工作原理：74HC573的八個(gè)鎖存器都是透明的D 型鎖存器，當(dāng)使能（G）為高時(shí)，Q輸出將隨數(shù)據(jù)（D）輸入而變。當(dāng)使能為低時(shí)，輸出將鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平上。輸出控制不影響鎖存器的內(nèi)部工作，即老數(shù)據(jù)可以保持，甚至當(dāng)輸出被關(guān)閉時(shí)，新的數(shù)據(jù)也可以置入。這種電路可以驅(qū)動(dòng)大電容或低阻抗負(fù)載，可以直接與系統(tǒng)總線接口并驅(qū)動(dòng)總線，而不需要外接口。特別適用于緩沖寄存器，I/O通道，雙向總線驅(qū)動(dòng)器和工作寄存器。

工作原理：74HC138 按照三位二進(jìn)制輸入碼和賦能輸入條件,從8 個(gè)輸出端中譯出一個(gè)低電平輸出。兩個(gè)7低電平有效的賦能輸入端和一個(gè)高電平有效的賦能輸入端減少了擴(kuò)展所需要的外接門或倒相器,擴(kuò)展成24 線譯碼器不需外接門;擴(kuò)展成32 線譯碼器,只需要接一個(gè)外接倒相器。在解調(diào)器應(yīng)用中,賦能輸入端可用作數(shù)據(jù)輸入端。

                        

AT28C64程序存儲(chǔ)器芯片讀操作訪問(wèn)就像使用靜態(tài)RAM一樣,當(dāng)CE和OE為低電平,WE為高電平,由地址引腳上電平?jīng)Q定的存儲(chǔ)單元中的存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)就被讀出。無(wú)論何時(shí)CE或OE為高電平時(shí),AT28C64輸出引腳上都呈高阻狀態(tài)。

         

8*8LED點(diǎn)陣有共陽(yáng)和共陰兩種接法，共陰共陽(yáng)實(shí)際區(qū)別看是否把所有的LED燈陽(yáng)極或者陰極接在一起，而在接入電路中要用萬(wàn)用表加以區(qū)別。通過(guò)在點(diǎn)陣兩端加入高低電壓，從而控制LED燈的亮滅。

為使電路便于調(diào)試我們采用分塊調(diào)試的方法。

先用面包板檢查各元器件的好壞，并且在面包板上先進(jìn)行組裝看是否出結(jié)果。然后再在洞洞板上進(jìn)行焊接，焊接完成后，用萬(wàn)用表和仿真圖一一檢查電路電源、元器以及各部分接線正確是否正常。檢查電源，元器件之間是否有短路或者虛焊等現(xiàn)象，若有錯(cuò)誤立即修改。最后直至整體電路無(wú)錯(cuò)誤后再通電。

首先將按鈕開關(guān)和其他電路模塊斷開，只留按鈕開關(guān)部分。其次，給電路兩端接5伏直流電壓。理論上對(duì)于開關(guān)斷開狀況下，開關(guān)兩端電壓應(yīng)為5伏，如果無(wú)誤，斷開5伏電壓，接通開關(guān)，理論上此時(shí)開關(guān)應(yīng)處于短路狀態(tài)，確認(rèn)無(wú)誤，則開關(guān)部分完好，最后，恢復(fù)周圍電路。

（a）．定正負(fù)極：用萬(wàn)用表調(diào)至二極管測(cè)試檔位，將兩表筆搭在點(diǎn)陣任意兩個(gè)引腳上，觀察點(diǎn)陣是否有LED燈點(diǎn)亮，若有燈亮，記下此時(shí)萬(wàn)用表紅黑表筆位置和點(diǎn)亮的LED燈的位置，依次嘗試，直至64個(gè)LED燈全部點(diǎn)亮。紅表筆代表正極，黑表筆代表負(fù)極。

（b）．引腳編號(hào)：先把器件的引腳正負(fù)分布情況記下來(lái)，正極（行）用數(shù)字表示，負(fù)極（列）用字母表示，先定負(fù)極引腳編號(hào)，紅色探針選定一個(gè)正極引腳，黑色點(diǎn)負(fù)極引腳，看是第幾列的二極管發(fā)光，第一列就在引腳寫A，第二列就在引腳寫B(tài)，第三列......以此類推。 這樣就點(diǎn)陣的一半引腳都編號(hào)了。剩下的正極引腳用同樣的方法，第一行的亮就在引腳標(biāo)1，第二行就在引腳標(biāo)2，第三行......以此類推。

              

斷開其他單元，僅保留NE555單元及其周邊電路，接通5V電源，用示波器觀察3號(hào)引腳輸出波形，理論上按圖接線后此時(shí)NE555應(yīng)處于多諧振蕩狀態(tài)，輸出為方波，再觀察輸出方波是否為所設(shè)定頻率，幅值是否在可接受范圍內(nèi)，確認(rèn)無(wú)誤后，恢復(fù)原電路。

斷開其他元件，僅保留74HC161和NE555單元，接通五伏電源，CLR、EP、TP、RD接“1”，A、B、C、D接“0”，將脈沖輸入端和QA、QB、QC、QD接示波器，若波形符合計(jì)數(shù)器的脈沖規(guī)律，則表明74HC161模塊完好。

斷開其他元件，僅保留74HC138、74HC161和NE555單元，接通五伏電源，E3接“1”，E1、E2接“0”，輸入端A0、A1、A2和74HC161的QA、QB、QC相接，將Y0~Y7依次接示波器，若波形符合譯碼器的脈沖規(guī)律，則表明74HC138模塊完好。

                     

用存儲(chǔ)器燒錄器（可用EasyPRO 系列編程器，如EasyPRO 100B）將準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)輸入，將存儲(chǔ)器AT28C64放到相應(yīng)位置，按步驟寫入，待寫入完成后，重啟軟件，點(diǎn)擊讀觀察所讀數(shù)據(jù)是否之前所寫數(shù)據(jù)，若出現(xiàn)亂碼或不是之前所寫數(shù)據(jù)，則表明燒寫失敗，需重新燒寫；若是，則寫入成功，將AT28C64以前的電路接好，在AT28C64的輸出端接上8個(gè)二極管，將多諧振蕩器2的輸出脈沖接入兩個(gè)74HC161，觀察二極管是否按期望順序依次點(diǎn)亮，若是，則表明存儲(chǔ)器模塊調(diào)試成功。

                          

將寄存器及其之前的電路按照電路圖連接好，將OE、LE接5伏，用萬(wàn)用表電流檔74HC573的輸入輸出是否相同，若有差異，則表明74HC573完好，否則，檢查接線和芯片。

各模塊均調(diào)試成功后，將所有模塊按照之前所示電路圖接好，仔細(xì)檢查是否有接線錯(cuò)誤，若無(wú)，則可以接通電源。

當(dāng)電源接通后，正常狀況下，點(diǎn)陣將會(huì)按之前所寫顯示數(shù)據(jù)，如按下圖寫入數(shù)據(jù)，則會(huì)顯示“1234567890ABCDEF”十六個(gè)字符，也可以設(shè)計(jì)成自己喜歡的圖型顯示出來(lái)。

這次課設(shè)從暑假就開始老師布置任務(wù)，我們自己組隊(duì)選題再到自己查資料、設(shè)計(jì)電路、購(gòu)買器材、焊接電路、組裝調(diào)試等等。到現(xiàn)在終于可以告一段落了。這次課設(shè)總體來(lái)說(shuō)還是比較坎坷的，從開始設(shè)計(jì)電路圖到電路圖調(diào)試，從開始購(gòu)買原器件到開始焊板子，完后進(jìn)行調(diào)試，為要實(shí)現(xiàn)最終要求，調(diào)試占用了大量的時(shí)間。經(jīng)過(guò)不停的調(diào)試和老師的幫助找到部分問(wèn)題的所在，后經(jīng)過(guò)修改有很大的好轉(zhuǎn)，但是效果還是很不理想，以至于我們最后又重新開始購(gòu)買器件、焊接和調(diào)試，最終雖然有偏差，但效果還是令人欣慰的。這次課設(shè)順利完成既有老師的大力幫助，同時(shí)也有組員們的獻(xiàn)計(jì)獻(xiàn)策，而且也是理論知識(shí)的完美應(yīng)用，因此在辛苦的同時(shí)收獲也是很大的。

經(jīng)過(guò)此次課程設(shè)計(jì)的鍛煉，我的確學(xué)習(xí)了不少東西！之前只是學(xué)習(xí)課本的理論知識(shí)，時(shí)間畢竟接觸的很少，總感覺不到我們所學(xué)的東西到底有什么使用價(jià)值，而在課設(shè)期間，我才發(fā)現(xiàn)了我們學(xué)習(xí)的理論知識(shí)的價(jià)值和作用，而且通過(guò)這次機(jī)會(huì)很好的鞏固了一下理論，使理論和實(shí)踐有機(jī)的結(jié)合為一體。這不管是在我今后的學(xué)習(xí)中還是生活中都將產(chǎn)生莫大的影響。

本方案電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)試簡(jiǎn)單，所用元器件少，成本較低基本達(dá)到了課題要求。但同時(shí)對(duì)EEPROM利用率較低只用了1/16的內(nèi)存空間，造成極大浪費(fèi)，同時(shí)沒有用硬件達(dá)到拓展部分要求而是采用軟件。

我們可以讓電路顯示的更加貼合現(xiàn)代社會(huì)的電子屏幕要求，但由于驗(yàn)收時(shí)間等的關(guān)系，我們采用的是軟件的方法達(dá)到拓展部分要求，其實(shí)也可通過(guò)加法器和減法器來(lái)達(dá)到拓展要求。并且最后的8*8led燈本不用加限流電阻，因?yàn)橛?4HC573作為電流緩沖器給了電流緩沖作用。

[1] 閻石.數(shù)學(xué)電子技術(shù)基礎(chǔ).清華大學(xué).高等教育出版社.2006

[2] 孫肖子.模擬電子電路及技術(shù)基礎(chǔ).西安電子科技大學(xué). 西安電子科技大學(xué)出版社.2007

[3] 童詩(shī)白 華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).清華大學(xué).高等教育出版社.200

[4] 李志健. 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)任務(wù)書.陜西科技大學(xué)教務(wù)處.2007