基于ARM的智能霓虹灯设计

山东建筑大学课程设计说明书目录目录................................................................1摘要...............................................................21设计目的..........................................................32设计要求..........................................................33设计内容..........................................................43.1整体设计......................................................43.2霓虹灯工作原理................................................53.3器件选择......................................................63.3.1S3C2440简介...............................................63.3.2LED......................................................73.4各模块电路....................................................83.4.1电源电路的模块.............................................83.4.2时钟电路的模块.............................................83.4.3复位电路的模块.............................................93.4.4串口电路模块..............................................103.4.5LED显示模块.............................................103.5软件设计.....................................................11总结与致谢.........................................................12参考文献...........................................................13附录...............................................................14山东建筑大学课程设计说明书摘要近年来随着科技的飞速发展，霓虹灯正逐渐走进人们的生活，特别是当今充满竞争的时代，各地政府为吸引游客和投资者，在城市的沿街、沿道、沿河、沿线等地用霓虹灯造景，实施亮化工程，以美化环境、树立城市形象。随着ARM嵌入式系统的应用越来越广泛，功能也越来越强大，对系统中的人机界面的要求也越来越高，在应用需求的驱使下，许多在Linux下的图形界面软件包的开发和移植工作中都涉及到底层LED驱动的开发问题。因此选用ARM嵌入式微处理器，并在用其构成的嵌入式系统中开发LED驱动得以广泛运用。本章将针对选用的ARM芯片，确定整个控制系统的硬件选型和单元电路的设计方案。同时绘制系统电路图并进行硬件系统的调试。关键词:嵌入式；ARM；霓虹灯；硬件；山东建筑大学课程设计说明书1设计目的本设计要求实现一个智能霓虹灯控制系统。该系统有自动与手动控制两种方式。在自动方式下，系统可根据持续显示不同的霓虹灯效果，每种效果持续2分钟；在手动方式下，可以单独控制每种效果的显示，并且可以控制所有灯的亮灭。并且所有信息都可通过串口显示在电脑上。2设计要求1、根据设计题目的要求，以及根据已知参数对输入信号特征进行分析、需求分析，选择确定ARM芯片型号、霓虹灯、串口控制芯片型号，完成系统硬件设计。2、基本教学要求：每人一台计算机，计算机安装ADS、Protel等软件。山东建筑大学课程设计说明书3设计内容3.1整体设计本课程设计采用S3C2440芯片，该芯片采用了非常先进的ARM920T内核，它是由ARM(AdvancedRISCMachines)公司研制的，通过详细分析系统的软、硬件设计步骤、实现细节以及调试技巧等，设计出霓虹灯显示控制电路。本方案以S3C2440芯片作为硬件控制核心，电源模块、复位模块、时钟模块、以及显示模块组成。在软件控制方面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霓虹灯实际应用效果较好，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，耗能低、通用性强等优点。其系统总体框图。如图1所示。图1.系统整体结构框图1.复位电路可完成系统上电复位和在系统工作时用户手动按键复位;2.电源电路为3.3V、1.8V和1.2V的稳压模块，给时S3C2440芯片、内核及其他外围电路供电;9针JTAG接口S3C2440ARM9复位电路RAM存储器晶振电路稳压电源LED控制器LED显示器ROM存储器山东建筑大学课程设计说明书3.有源晶振为系统提供工作时钟，通过片内PLL电路倍频为50MHZ作为ARM920T微处理器的工作时钟;4.扩展的SDRAM存储器作为系统运行时的主要区域，系统及用户数据、堆栈均位于SDRAM存储器中;5.JTAG接口可对芯片内部的所有部件进行访问，通过该接口可对系统进行调试、编程等;3.2霓虹灯工作原理霓虹灯是一种低气压冷阳极辉光放电发光的光源。气体放电发光是自然界的一种物理现象。通过气体放电使电能转换为五光十色的光谱线，这是霓虹灯工作重要的基本过程。在通常情况下，气体是良好的绝缘体，它并不能传导电流。但是在强电场、光辐射、粒子轰击和高温加热等条件下，气体分子可能发生电离，产生了可以自由移动的带电粒子，并在电场作用下形成电流，使绝缘的气体成为良导体。这种电流通过气体的现象就被称为气体放电过程。在密闭的玻璃管内，充有氖、氦、氩等气体，灯管两端装有两个金属电极，电极一般用铜材料制作，电极引线接入电源电路，配上一只高压变压器，将10～15kV的电压加在电极上。由于管内的气体是由无数分子构成的，在正常状态下分子与原子呈中性。在高电压作用下，少量自由电子向阳极运动，气体分子的急剧游离激发电子加速运动，使管内气体导电，发出色彩的辉光（又称虹光）。霓虹灯原理的发光颜色与管内所用气体及灯管的颜色有关；霓虹灯原理如果在淡黄色管内装氖气就会发出金黄色的光，如果在无色透明管内装氖气就会发出黄白色的光。霓虹灯原理要产生不同颜色的光，就要用许多不同颜色的灯管或向霓虹灯管内装入不同的气体。山东建筑大学课程设计说明书3.3器件选择3.3.1S3C2440简介产品简介：S3C2440A微处理器是一款由Samsung半导体公司推出的高性能、低功耗、高集成度并具有工业级温度范围和性能的微处理器,经过工业级EMC测试，相对S3C2440A有以下优势：01-具有工业级温度范围02-主频高达533MHz03-具有数字摄像头接口04-更低的内核电压05-支持更多分辨率液晶屏06-支持多种电压存储器07-具有AC97编解码器接口08-具有更多可用的I/O口09-UART口输入输出各具有64字节FIFO10-无需外围电路的触摸屏接口S3C2440的引脚分布及信号描述。如图2所示。山东建筑大学课程设计说明书图2引脚分布工作电压：内核：300MHZ@1.20V400MHZ@1.30V储存器：1.8V/2.5V/3.0V/3.3VI/O：3.3V操作频率：Fclk:400MHZHclk:136MHZPclk:68MHZ3.3.2LEDLED（LightEmittingDiode），发光二极管，是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个P-N山东建筑大学课程设计说明书结。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED灯发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。3.4各模块电路3.4.1电源电路的模块在该系统中，分外围器件需要使用3.3V的直流稳压电源，其中，S3C2440芯片及外围芯片需要3.3V电源，内核ARM920T需要1.2V电源，为简化系统电源电路的设计，要求整个系统的输入电压为高质量的3.3V的直流稳压电源。系统电源电路如图3所示。另外，74LS138需要5V电源。这些都可以通过电源模块提供。C110uF/10VC210uF/10VV33Vin3Vout21U2LD1117A3.312D2蓝R1220D1SS14112233JP1CON3C20220uF/10VC19104C12225C21105L447uHBOOT1NC2NC3VSNS4EN5GND6VIN7PH8U5TPS5430C8103RA115K,0.1%RA24.7K,1%+5VD4B340AC101000uF/10VR1410KC3510uF/16V+5V陶瓷陶瓷R484.7kD9LEDLD1117AL33AA3-A-SOT223AGNDAGNDAGNDAGNDAGNDAGNDAGNDAGNDR240TP13.4.2时钟电路的模块根据S3C2440的最高工作频率以及PLL电路的工作方式，选择12MHz晶振，12MHz的晶振频率经过S3C2440片内的PLL电路倍频后，最高可以达到400MHz。片内的PLL电路兼有频率放大和信号提纯的功能，因此，系统可以以较低的外部时钟信号获得较高的工作频率，以降低因高速开关时钟所造成的高频噪声。时钟电路如图4所示。山东建筑大学课程设计说明书X212MX132.768kHzGNDGND22pC10522pC10622pC10322pC104XTIrtcXTOrtcXTIpllXTOpll图4时钟电路3.4.3复位电路的模块在系统中，复位电路主要完成系统的上电复位和系统在运行时用户的按键复位功能。复位电路可由简单的RC电路构成，也可使用其他的相对较复杂，但功能更完善的电路。本系统采用较简单的RC复位电路，经使用证明，其复位逻辑是可靠的。复位电路如图5所示:山东建筑大学课程设计说明书图5复位电路3.4.4串口电路模块调节电脑信号输出端的电压时他的电压和ARM电压一样，实现数据传输。如图6所示。图6串口电路模块3.4.5LED显示模块本设计选用4个LED灯作为霓虹灯,为使本设计更具稳定性，故LED灯采用SMD5050,是用台湾高亮芯片封装，光通量要比普通芯片高1-2lm。一颗5050灯珠有三颗芯片，当一颗芯片损坏时，不影响其它两路芯片发光。本次课程设计共设计三种显示变换模式，首先以流水灯的方式循环一次，之后间隔2分钟进入第二种模式，即每间隔一次亮一次熄灭一次，持续2分钟后再进入第三种模式即所有灯全亮。并且分为手动和自动两种切换方式，每种显示方式都可以手动控制，同时各种显示方式均可通过串口在电脑上显示。其显示模块如图7所示。山东建筑大学课程设计说明书A1B2C3G2A4G2B5G16Y76GND7Y68Y59Y410Y311Y212Y113Y014VCC15A274ls138