1設計方案
1.1 選題背景
當今社會以LED半導體發光器件為顯示介質的大型顯示屏已廣泛地被應用。其控制驅動方式各種各樣,也各具特色。在LED發光管的驅動設計上也有許多的方式。由于大型的點陣顯示屏是由上萬個或幾十萬個LED發光象元組成,這也就需要大量的驅動電路來支持。那么驅動電路設計的好壞就直接影響系統的生產制造成本和顯示的效果及系統的運行性能。設計一個即能滿足控制驅動要求,同時使用器件少成本底的單元控制驅動方案是必要的，以8×8點陣驅動為例進行研究。
1.2指導思想
通過控制555多諧振蕩器觸發器輸入脈沖頻率信號，再通過計數器作為存儲器的輸入，以存儲器和譯碼器作為高低電平的輸入，進而控制加在點陣 LED燈兩端的電壓，這樣就可以實現LED的亮滅控制。
1.3方案論證
方案一：以74HC138的輸出端作為8*8LED點陣的橫向驅動，縱向驅動由三態門74HC244控制存儲器AT28C64的輸出端來承擔，三態門控制存儲器的八位輸出只有一位有效，其他位為高阻態，依次循環。用兩組8輸出計數器74HC161做為AT28C64的輸入，其中一組專門給另一組置位，每次最多只亮一個燈，每屏需亮64次，讓每屏第一和最后一個燈亮時間差小于人眼分辨時間，利用人眼視覺暫留，即可認為實現了整個屏幕亮一次，在1秒內保持屏幕上顯示內容不變，第二秒亮下一個內容，如此循環，即可實現所要求功能。
方案二：以74HC138的輸出端作為8*8LED點陣的橫向驅動，直接以AT28C64的輸出作為縱向驅動，以74HC138的輸入計數器和另外三片74HC161作為AT28C64的輸入，為防止縱向拉電流過小，橫向灌電流過大，將兩片74HC573加在點陣輸入輸出端。這樣每次最多可亮8個燈（一組），讓每屏第一組和最后一組燈亮時間差小于人眼分辨時間，利用人眼視覺暫留，即可認為實現了整個屏幕亮一次，在0.5秒內保持屏幕上顯示內容不變，第二個0.5秒內亮下一個內容，如此循環，當第四片74HC161高一位未計數時，前三片74HC161的地址端所對應的存儲器地址空間一直在循環，當第四片74HC161高一位計數時，即通過擴展存儲器地址端可實現屏幕顯示內容向左滾動，當第四片74HC161高二位計數時，即通過擴展存儲器地址端可實現屏幕顯示內容向右滾動，即可實現所要求功能（包括擴展功能）。
綜合考慮方案一和方案二，我選擇了方案二，雖然連線較為復雜，但是在可是實現基本功能的同時，也可以實現拓展功能。選擇方案二對自己也是一個考驗，為了使自己的電路富有更多功能，我還在計數器上加入清零和復位按鍵。所以通過燒錄入的程序，電路整體既可實現循環、左移和右移也可實現暫停、清零等功能。并且讓我學會用理論指導實踐，理論與實踐相結合，從實踐當中升華理論知識。
1.4設計任務
設計并制作一個8×8LED點陣驅動電路，原理如圖4所示。列存儲器用于存儲顯示信息，行譯碼器用于選擇當前顯示行、通過動態掃描方式顯示字符或圖案。具體要求如下：
圖1-1 LED點陣驅動器原理框圖
(1) 能夠顯示數字（0~9）或字符（A~Z或a~z），顯示數量不少于8個；
(2) 能夠自動循環顯示數字或字符。
1.5 發揮設計任務
顯示數字或字符能夠循環向左/右移動。
1.6參考元器件
74HC161、74HC138，AT28C16，NE555，74HC240/244，74HC573/574
1.7 電路特點
8×8LED點陣驅動電路整體來說結構簡單，但要完全理解每一個元件的功能和作用則需要深入的學習，并且知道元器件之間相連接之后能實現什么功能。我們通過控制555單穩態觸發器輸入脈沖頻率信號，產生符合人眼觀察的脈沖頻率，再通過四個作用不同計數器作為存儲器的輸入，以存儲器和譯碼器作為高低電平的輸入，進而控制加在點陣 LED燈兩端的電壓，這樣就可以實現LED的亮滅控制。整體思路比較好理解，但是在此基礎上加入一些其他功能就顯得更加貼近現實。
2 電路設計
2.1 總體方框圖
圖2—1總體方框圖
2.2 工作原理
以74HC138的輸出端（低電平）作為8*8LED點陣的橫向驅動，直接以AT28C64的輸出作為縱向驅動，以計數器1、2、3、4作為AT28C64的輸入，為防止縱向拉電流過小，橫向灌電流過大，將兩片74HC573加在點陣輸入輸出端，作為電流緩沖器。這樣每次最多可亮8個燈（一組），讓每屏第一組和最后一組燈亮時間差小于人眼分辨時間，利用人眼視覺暫留，即可認為實現了整個屏幕亮一次，在1秒內保持屏幕上顯示內容不變，第二秒亮下一個內容，如此循環，通過增加地址段的輸入來擴展存儲空間，在存儲器內燒錄入寫入的程序來控制8*8LED另一端高低電平，來控制LED屏幕64個燈的亮滅，并以此來實現的屏幕的的滾動。
3 各主要電路及部件工作原理
3.1 555多諧振蕩電路
圖3-1 NE555多諧振蕩部分電路圖
工作原理：：由555定時器構成的多諧振蕩器如圖 3-1 所示，R1，R2和C是外接定時元件，電路中將高低電平觸發端(6腳)和低電平觸發端（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，故高電平觸發端與低電平觸發端均為低電平，輸出uo為高電平，放電管 VT 截止。這時，電源經 R1，R2對電容C充電，使電壓uc按指數規律上升，當Uc上升到（2/3）Vcc時，輸出uo為低電平，放電管 VT 導通，把Uc從（1/3）Vcc上升到（2/3）Vcc這段時間內電路的狀態稱為第一暫穩態，其維持時間 TPH 的長短與電容的充電時間有關 。由于放電管 VT 導通，電容C通過電阻R2和放電管放電，電路進人第二暫穩態.其維持時間 TPL 的長短與電 容的放電時間有關，放電時間常數 T 放＝R2C0 隨著c的放電，Uc下降，當Uc下降到（1/3）Vcc時，輸出Uo。為高電平，放電管 VT 截止，Vcc再次對電容c充電，電路又翻轉到第一暫穩態。不難理解，接通電源后，電路就在兩個暫穩態之間來回翻轉，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。
振蕩頻率：
（3-1）
占空比：
（3-2）
計算步驟
=(20+2x20)K
x0.693x1nf=41.58x10^(-6)s
=(47+53X2)K
x0.693x10uf=1.06029s
3.2 74HC161引腳圖及工作原理.
圖3-2 74HC161電路圖
表3-1 74HC161工作真值表
輸 入 | 輸 出 |
CR | CP | LD | EP | ET | D3 | D2 | D1 | D0 | Q3 | Q2 | Q1 | Q0 |
0 | Ф | Ф | Ф | Ф | Ф | Ф | Ф | Ф | 0 | 0 | 0 | 0 |
1 | ↑ | 0 | Ф | Ф | d | C | b | a | d | c | b | a |
1 | ↑ | 1 | 0 | Ф | Ф | Ф | Ф | Ф | Q3 | Q2 | Q1 | Q0 |
1 | ↑ | 1 | Ф | 0 | Ф | Ф | Ф | Ф | Q3 | Q2 | Q1 | Q0 |
1 | ↑ | 1 | 1 | 1 | Ф | Ф | Ф | Ф | 狀態碼加1 |
工作原理：當清零端CR=“0”，計數器輸出Q3、Q2、Q1、Q0立即為全“0”，這個時候為異步復位功能。當CR=“1”且LD=“0”時，在CP信號上升沿作用后，74LS161輸出端Q3、Q2、Q1、Q0的狀態分別與并行數據輸入端D3，D2，D1，D0的狀態一樣，為同步置數功能。而只有當CR=LD=EP=ET=“1”、CP脈沖上升沿作用后，計數器加1。74LS161還有一個進位輸出端CO，其邏輯關系是CO= Q0·Q1·Q2·Q3·CET。合理應用計數器的清零功能和置數功能，一片74HC161可以組成16進制以下的任意進制分頻器。
3.3 74HC573引腳圖及工作原理
圖3-3 74HC573電路圖
工作原理：74HC573的八個鎖存器都是透明的D 型鎖存器，當使能（G）為高時，Q輸出將隨數據（D）輸入而變。當使能為低時，輸出將鎖存在已建立的數據電平上。輸出控制不影響鎖存器的內部工作，即老數據可以保持，甚至當輸出被關閉時，新的數據也可以置入。這種電路可以驅動大電容或低阻抗負載，可以直接與系統總線接口并驅動總線，而不需要外接口。特別適用于緩沖寄存器，I/O通道，雙向總線驅動器和工作寄存器。
3.4 74HC138引腳圖及工作原理
圖3-4 74HC138電路圖
表3—2 74HC138真值表
74HC138 真值功能表 |
輸入 | 輸出 |
使能 | 地址 |
E3 | E2 | E1 | A2 | A1 | A0 | Y0 | Y1 | Y2 | Y3 | Y4 | Y5 | Y6 | Y7 |
X | X | H | X | X | X | H | H | H | H | H | H | H | H |
L | X | X | X | X | X | H | H | H | H | H | H | H | H |
X | H | X | X | X | X | H | H | H | H | H | H | H | H |
H | L | L | L | L | L | L | H | H | H | H | H | H | H |
H | L | L | L | L | H | H | L | H | H | H | H | H | H |
H | L | L | L | H | L | H | H | L | H | H | H | H | H |
H | L | L | L | H | H | H | H | H | L | H | H | H | H |
H | L | L | H | L | L | H | H | H | H | L | H | H | H |
H | L | L | H | L | H | H | H | H | H | H | L | H | H |
H | L | L | H | H | L | H | H | H | H | H | H | L | H |
H | L | L | H | H | H | H | H | H | H | H | H | H | L |
工作原理：74HC138 按照三位二進制輸入碼和賦能輸入條件,從8 個輸出端中譯出一個低電平輸出。兩個7低電平有效的賦能輸入端和一個高電平有效的賦能輸入端減少了擴展所需要的外接門或倒相器,擴展成24 線譯碼器不需外接門;擴展成32 線譯碼器,只需要接一個外接倒相器。在解調器應用中,賦能輸入端可用作數據輸入端。
3.5 AT28C64引腳及相關參數
圖3-5 AT28C64電路圖
AT28C64程序存儲器芯片讀操作訪問就像使用靜態RAM一樣,當CE和OE為低電平,WE為高電平,由地址引腳上電平決定的存儲單元中的存儲的數據就被讀出。無論何時CE或OE為高電平時,AT28C64輸出引腳上都呈高阻狀態。
3.6 8*8LED點陣
圖3-6 8*8LED點陣引腳圖 圖3-7 8*8LED點陣電路圖
8*8LED點陣有共陽和共陰兩種接法，共陰共陽實際區別看是否把所有的LED燈陽極或者陰極接在一起，而在接入電路中要用萬用表加以區別。通過在點陣兩端加入高低電壓，從而控制LED燈的亮滅。
4 原理總圖
圖4-1 原理總圖
5.元件清單
表5-1 元件清單
6調試過程及測試數據
為使電路便于調試我們采用分塊調試的方法。
6.1 通電前檢查
先用面包板檢查各元器件的好壞，并且在面包板上先進行組裝看是否出結果。然后再在洞洞板上進行焊接，焊接完成后，用萬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象，若有錯誤立即修改。最后直至整體電路無錯誤后再通電。
6.2 通電檢查
6.2.1按鈕開關的檢查
首先將按鈕開關和其他電路模塊斷開，只留按鈕開關部分。其次，給電路兩端接5伏直流電壓。理論上對于開關斷開狀況下，開關兩端電壓應為5伏，如果無誤，斷開5伏電壓，接通開關，理論上此時開關應處于短路狀態，確認無誤，則開關部分完好，最后，恢復周圍電路。
6.2.2 點陣模塊的調試
（a）．定正負極：用萬用表調至二極管測試檔位，將兩表筆搭在點陣任意兩個引腳上，觀察點陣是否有LED燈點亮，若有燈亮，記下此時萬用表紅黑表筆位置和點亮的LED燈的位置，依次嘗試，直至64個LED燈全部點亮。紅表筆代表正極，黑表筆代表負極。
（b）．引腳編號：先把器件的引腳正負分布情況記下來，正極（行）用數字表示，負極（列）用字母表示，先定負極引腳編號，紅色探針選定一個正極引腳，黑色點負極引腳，看是第幾列的二極管發光，第一列就在引腳寫A，第二列就在引腳寫B，第三列......以此類推。 這樣就點陣的一半引腳都編號了。剩下的正極引腳用同樣的方法，第一行的亮就在引腳標1，第二行就在引腳標2，第三行......以此類推。
圖6-1 LED點陣引腳編號 圖6-2 LED點陣實物圖
6.2.3 NE555單元電路的調試
圖6-3 NE555單元電路
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號引腳輸出波形，理論上按圖接線后此時NE555應處于多諧振蕩狀態，輸出為方波，再觀察輸出方波是否為所設定頻率，幅值是否在可接受范圍內，確認無誤后，恢復原電路。
6.2.4 74HC161計數器的調試
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，若波形符合計數器的脈沖規律，則表明74HC161模塊完好。
圖6-4 74HC161計數器實物
6.2.5 74HC138譯碼器的調試
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律，則表明74HC138模塊完好。
圖6-5 74HC138譯碼器實物圖
6.2.6存儲器AT28C64的調試
用存儲器燒錄器（可用EasyPRO 系列編程器，如EasyPRO 100B）將準備好的數據輸入，將存儲器AT28C64放到相應位置，按步驟寫入，待寫入完成后，重啟軟件，點擊讀觀察所讀數據是否之前所寫數據，若出現亂碼或不是之前所寫數據，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個二極管，將多諧振蕩器2的輸出脈沖接入兩個74HC161，觀察二極管是否按期望順序依次點亮，若是，則表明存儲器模塊調試成功。
圖6-6 AT28C64存儲器實物
圖6-7 存儲器中部分程序
6.2.7 74HC573鎖存器的調試
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。
各模塊均調試成功后，將所有模塊按照之前所示電路圖接好，仔細檢查是否有接線錯誤，若無，則可以接通電源。
圖6-8 74HC573鎖存器實物
6.3 結果分析
當電源接通后，正常狀況下，點陣將會按之前所寫顯示數據，如按下圖寫入數據，則會顯示“1234567890ABCDEF”十六個字符，也可以設計成自己喜歡的圖型顯示出來。
圖6-9 整體電路板
圖6-10 結果展示
7小結
這次課設從暑假就開始老師布置任務，我們自己組隊選題再到自己查資料、設計電路、購買器材、焊接電路、組裝調試等等。到現在終于可以告一段落了。這次課設總體來說還是比較坎坷的，從開始設計電路圖到電路圖調試，從開始購買原器件到開始焊板子，完后進行調試，為要實現最終要求，調試占用了大量的時間。經過不停的調試和老師的幫助找到部分問題的所在，后經過修改有很大的好轉，但是效果還是很不理想，以至于我們最后又重新開始購買器件、焊接和調試，最終雖然有偏差，但效果還是令人欣慰的。這次課設順利完成既有老師的大力幫助，同時也有組員們的獻計獻策，而且也是理論知識的完美應用，因此在辛苦的同時收獲也是很大的。
8 設計體會及今后的改進意見
.8.1 體會
經過此次課程設計的鍛煉，我的確學習了不少東西！之前只是學習課本的理論知識，時間畢竟接觸的很少，總感覺不到我們所學的東西到底有什么使用價值，而在課設期間，我才發現了我們學習的理論知識的價值和作用，而且通過這次機會很好的鞏固了一下理論，使理論和實踐有機的結合為一體。這不管是在我今后的學習中還是生活中都將產生莫大的影響。
8.2 本方案特點及存在的問題
本方案電路結構簡單，調試簡單，所用元器件少，成本較低基本達到了課題要求。但同時對EEPROM利用率較低只用了1/16的內存空間，造成極大浪費，同時沒有用硬件達到拓展部分要求而是采用軟件。
8.3 改進意見
我們可以讓電路顯示的更加貼合現代社會的電子屏幕要求，但由于驗收時間等的關系，我們采用的是軟件的方法達到拓展部分要求，其實也可通過加法器和減法器來達到拓展要求。并且最后的8*8led燈本不用加限流電阻，因為有74HC573作為電流緩沖器給了電流緩沖作用。
參 考 文 獻[1] 閻石.數學電子技術基礎.清華大學.高等教育出版社.2006
[2] 孫肖子.模擬電子電路及技術基礎.西安電子科技大學. 西安電子科技大學出版社.2007
[3] 童詩白 華成英.模擬電子技術基礎.清華大學.高等教育出版社.200
[4] 李志健. 數字電子技術基礎實驗任務書.陜西科技大學教務處.2007
附錄Ⅰ 原理總圖
附錄Ⅱ元器件清單
附錄III燒錄程序
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