Разработка светодиодной матрицы (стр. 3 из 13)

Светодиодная матрица 5х7 является еще более универсальной, позволяя отображать латинский алфавит в верхнем и нижнем регистре, а также множество символов. Различие в качестве отображения показано на рис. 7, где сравниваются символы, отображаемые матрицей 5х7 и 16-сегментным индикатором.

Рисунок 1.5 - Светодиодные 7-ми, 14-ти и 16-сегментные индикаторы и светодиодная матрица 5х7

Светодиодная матрица 5х7 является еще более универсальной, позволяя отображать латинский алфавит в верхнем и нижнем регистре, а также множество символов. Различие в качестве отображения показано на рис. 1.6, где сравниваются символы, отображаемые матрицей 5х7 и 16-сегментным индикатором.

Рисунок 1.6 - Сравнение матрицы 5 x 7 и "звездочного" индикатора

Большинство светодиодных цифровых и буквенно-цифровых индикаторов в действительности являются гибридными, объединяя множество светодиодных индикаторов в одном корпусе. Некоторые очень маленькие цифровые дисплеи являются действительно монолитными (например калькуляторы с очень маленькими цифрами и линзочкой, которые были популярными в 70-х). В любом из двух случаев, контур каждого сегмента формируется рефлектором и световой трубкой, а не самим светодиодным кристаллом. Небольшие дисплеи используют один кристалл на сегмент, в то время как большие дисплеи используют 2 или более кристаллов на сегмент, эффективно излучая свет и обеспечивая приемлемую однородность яркости по всему сегменту.

В процессе производства, кристаллы монтируются либо на рамку, либо на печатную плату и соединяются проводами с внешними выводами. Кристаллы монтируются с применением токопроводящей пасты, так как подложка является одним из двух выводов диода (рис. 1.7). Внутренняя разводка индикаторов обычно объединяет либо катоды, либо аноды кристаллов вместе, уменьшая число внешних выводов. В результате индикаторы подразделяются на индикаторы с общим анодом и индикаторы с общим катодом (рис. 1.8)

Рисунок 1.7 - Установка кристалла для формирования сегмента

Метод монтажа кристаллов на рамке подобен тому, который используется при производстве интегральных схем. Рамка выполнена из посеребренной стали, обеспечивая хороший теплоотвод и светоотражение. Рефлекторный канал, формирующий световую трубку для каждого сегмента, заполнен эпоксидной смолой, обеспечивая механическую прочность и защиту от окружающей среды.

Более дешевый метод использует печатную подложку вместо рамки. Индикаторы, выполненные по такому методу, используются обычно для производства многоразрядных дисплеев, например для часов. При использовании этого метода, индикатор не заполняется эпоксидной смолой, что уменьшает стоимость, но приводит к деградации, вызванной загрязнением.

Рисунок 1.8 - Светодиодные цифровые индикаторы с общим анодом и с общим катодом

Электрические характеристики светодиодов подобны другим полупроводниковым диодам. Прямое напряжение светодиодов различно для различных структур p-n переходов, используемых для получения излучения разных цветов (рис. 1.9). Прямое напряжение светодиода обратно пропорционально росту температуры окружающей среды. Подобно всем полупроводниковым приборам, номинальные характеристики светодиодов должны быть снижены при высоких рабочих температурах.

Оптические характеристики светодиода также сильно зависят от температуры. Во-первых, световой поток, излучаемый светодиодом, падает при повышении температуры p-n перехода. Это происходит из-за возрастания вероятности безизлучательной рекомбинации дырок и электронов, которая не вносит вклада в излучение света. Кроме того, длина волны излучаемого света также изменяется с температурой, в основном из-за изменения ширины запрещенной зоны.

Рис. 1.9 - Изменение прямого напряжения светодиода от тока и излучаемого цвета

Драйверы светодиодных индикаторов – статические и мультиплексные.

Самый простой способ управления светодиодами сегментов индикатора – управлять каждым светодиодом, используя отдельный резистор или управляя прямым током. Эта техника управления называется статической, так как ток, протекающий через светодиод, непрерывен. Статическое управление применяется в основном для небольшого числа светодиодов, например для 2-х 7-сегментных цифр. Высокоэкономичные светодиоды могут управляться током в 2 мА, который может быть взят с выходных портов микроконтроллеров.

Если необходимо управлять множеством сегментов, статическое управление становится неэкономичным – 1 драйвер на 1 светодиод. Мультиплексное или импульсное управление снижает число управляющих соединений, используя стробирование небольшого числа сегментов (обычно одну цифру). Стробирование происходит с большой частотой, так что человеческий глаз воспринимает изображение как непрерывное. Однако при этом методе управления светодиодам требуется больший ток для компенсации рабочего цикла (сохранения яркости).

Преимуществом импульсного управления является то, что человеческий глаз ведет себя, отчасти, как интегрирующий фотометр, а отчасти как пиковый фотометр. В результате человеческий глаз воспринимает быстро пульсирующий свет где-то между пиком и средним значением яркости.

Эффективность светодиода обычно возрастает при увеличении прямого тока, при условии постоянной температуры PN перехода. Но это не всегда так и характеристики светодиода должны быть тщательно изучены (и сравнены) при выборе оптимального пикового тока (рис. 1.10).

Рисунок 1.10 - Зависимость светового выхода от прямого тока

В стандартном варианте, в режиме мультиплексирования используется отдельный вывод общих катодов для каждой цифры, в то время как все аноды объединены для всех цифр. Число требуемых выводов может быть подсчитано как, 1 – для каждой цифры, плюс 1 - для каждого сегмента цифры. Более экономичная схема использования выводов в режиме мультиплексирования основана на том, что используется только один вывод. Поскольку на вывод светодиода попеременно подается сигнал то от цифры, то от сегмента, то n выходов может использоваться для управления n цифрами и n-1 сегментами. Такой подход задан в светодиодном драйвере Maxim MAX6951 для управления 8-ю цифрами на всего 9-ти ножках.

РАЗДЕЛ 2 РАЗРАБОТКА СВЕТОДИОДНОЙ МАТРИЦЫ

2.1 Постановка задачи

Требуется разработать светодиодную матрицу, которая будет использоваться в праздничные и торжественные дни, на дискотеках, создавая различные световые эффекты.

Разработка устройства будет производиться с учётом следующих требований:

- простота схемы (минимальное количество компонентов);

- устойчивость к изменениям напряжения, долговечность;

- многообразие световых эффектов;

- низкое энергопотребление.

2.2 Разработка структурной схемы устройства и функциональной спецификации

Разработаем структурную схему светодиодной матрицы для создания световых эффектов (Рисунок 2.1).

Функциональная спецификация светодиодной матрицы:

1.Входы:

Электропитание МК (ИП).

2.Выходы:

Управление светодиодной матрицей 5х5 (D1-D25).

3.Функции:

При включении питания МК по заранее запрограммированной программе последний включает набор светодиодов светодиодной матрицы 5х5, создавая различные эффекты.

Рисунок 2.1 – Структурная схема светодиодной матрицы

Структурная схема имеет следующие условные обозначения:

- ИП – источник питания;

- МК – микроконтроллер;

- СМ 5х5 – светодиодная матрица 5х5.

Для проектирования выберем микроконтроллеры серии PIC16F628A. Выбор связан простотой программирования, относительной дешевизной, надежностью, малым током потребления и рядом других признаков о которых будет сказано ниже и в Приложении А.

2.3 Аппаратные средства микроконтроллеров серии PIC16F628А

PIC16F628A - Основные характеристики

Характеристика RISC ядра:

Тактовая частота от DC до 20МГц

Поддержка прерываний 8-уровневый аппаратный стек

Прямая, косвенная и относительная адресация 35 однословных команд

- все команды выполняются за один машинный цикл, кроме команд ветвления и условия с истинным результатом

Особенности микроконтроллеров:

Внешний и внутренний режимы тактового генератора

- Прецизионный внутренний генератор 4МГц, нестабильность +/- 1%

- Энергосберегающий внутренний генератор 37кГц

- Режим внешнего генератора для подключения кварцевого или керамического резонатора

Режим энергосбережения SLEEP

Программируемые подтягивающие резисторы на входах PORTB

Сторожевой таймер WDT с отдельным генератором

Режим низковольтного программирования

Программирование на плате через последовательный порт (ICSP) (с использованием двух выводов)

Защита кода программы

Сброс по снижению напряжения питания BOR

Сброс по включению питания POR

Таймер включения питания PWRT и таймер запуска генератора OST

Широкий диапазон напряжения питания от 2.0В до 5.5В

Промышленный и расширенный температурный диапазон

Высокая выносливость ячеек FLASH/EEPROM

- 100 000 циклов стирания /записи FLASH памяти программ

- 1 000 000 циклов стирания /записи EEPROM памяти данных