基于单片机控制的LED信号灯矩阵系统的制作方法

本实用新型涉及信号灯，尤其涉及一种基于单片机控制的LED信号灯矩阵系统。

背景技术：

信号指示灯作为显示系统工作状态最常用的设备被广泛应用于各个领域。目前，市面上几乎所有的信号指示灯应用方案都采用LED灯来实现，使用多个LED或者多色LED来表示不同的状态。其中，大多数是应用方案所使用的LED单元较少，控制系统软硬件简单，但显示状态种类也较少，无法满足较大被测系统的多显示状态应用。显示较大系统工作状态的多LED单元信号指示灯方案因其LED单元和显示状态种类较多而大多存在着控制系统成本高、控制程序复杂且可靠性不高的问题。

技术实现要素：

为了解决现有技术中的问题，本实用新型提供了一种基于单片机控制的LED信号灯矩阵系统。

本实用新型提供了一种基于单片机控制的LED信号灯矩阵系统，包括上位机、电源模块、串口模块、MCU控制模块和LED信号灯矩阵模块，其中，所述上位机的输出端与所述串口模块的输入端连接，所述串口模块的输出端与所述MCU控制模块的输入端连接，所述MCU控制模块的输出端与所述LED信号灯矩阵模块的输入端连接，所述电源模块分别与所述串口模块、MCU控制模块、LED信号灯矩阵模块连接，所述MCU控制模块接收所述上位机通过串口模块传输过来的控制命令发出指令控制所述LED信号灯矩阵模块。

作为本实用新型的进一步改进，所述串口模块包括RS232串口模块和USB串口模块，所述上位机通过所述RS232串口模块或者USB串口模块与所述MCU控制模块连接。

作为本实用新型的进一步改进，所述LED信号灯矩阵模块包括共阳极双色LED灯，所述MCU控制模块包含单片机及MOS管，所述单片机的I/O口串联第一限流电阻后连接所述MOS管的栅极，所述MOS管的源极连接到地，所述MOS管的漏极串联第二限流电阻后连接到共阳极双色LED灯的阴极。

作为本实用新型的进一步改进，所述共阳极双色LED灯至少有二个，每个所述共阳极双色LED灯对应一个所述MOS管。

本实用新型的有益效果是：通过上述方案，实现了LED信号灯矩阵的控制，成本较低，可靠性较高，控制简单。

附图说明

图1为实用新型一种基于单片机控制的LED信号灯矩阵系统的模块结构图。

图2为实用新型一种基于单片机控制的LED信号灯矩阵系统的电源模块的电路图。

图3为实用新型一种基于单片机控制的LED信号灯矩阵系统的232串口模块的电路图。

图4为实用新型一种基于单片机控制的LED信号灯矩阵系统的USB串口模块的电路图。

图5为实用新型一种基于单片机控制的LED信号灯矩阵系统的共阳极双色LED灯的驱动电路图。

图6为实用新型一种基于单片机控制的LED信号灯矩阵系统的控制方法的LED矩阵的控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，一种基于单片机控制的LED信号灯矩阵系统，包括上位机101、电源模块105、串口模块102、MCU控制模块103和LED信号灯矩阵模块104，其中，所述上位机101的输出端与所述串口模块102的输入端连接，所述串口模块102的输出端与所述MCU控制模块103的输入端连接，所述MCU控制模块103的输出端与所述LED信号灯矩阵模块104的输入端连接，所述电源模块105分别与所述串口模块102、MCU控制模块103、LED信号灯矩阵模块104连接，通过电源模块105给述串口模块102、MCU控制模块103、LED信号灯矩阵模块104供电，所述MCU控制模块103接收所述上位机101通过串口模块101传输过来的控制命令发出指令控制所述LED信号灯矩阵模块104。

如图1所示，所述串口模块102包括RS232串口模块和USB串口模块，所述上位机101通过所述RS232串口模块或者USB串口模块与所述MCU控制模块103连接，所述上位机101通过RS232串口线连接到RS232串口模块或者USB线连接到USB串口模块。

如图1至图5所示，所述LED信号灯矩阵模块104包括共阳极双色LED灯，所述MCU控制模块103包含单片机及MOS管，所述单片机的I/O口串联第一限流电阻后连接所述MOS管的栅极，所述MOS管的源极连接到地，所述MOS管的漏极串联第二限流电阻后连接到共阳极双色LED灯的阴极，所述MCU控制模块103中单片机接收上位机的通过串口模块102传输过来的控制命令发出指令控制I/O口输出的电平来控制MOS管的开关，进而控制 LED回路的通断，从而实现了对LED信号灯矩阵模块104的控制。

如图1至图5所示，所述共阳极双色LED灯至少有二个，每个所述共阳极双色LED灯对应一个所述MOS管。

参见图2，所述的电源模块105的核心为“1484”电源芯片，将12V的输入电压转化为5V，分别给串口模块102、MCU控制模块103和LED信号灯矩阵模块104供电。

参见图3和4，所述的串口模块102包括RS232串口模块和USB串口模块，可以根据上位机及实际需求选择RS232串口或者USB端口作为通讯口。当选择RS232串口作为通讯口时，由于单片机提供的信号电平和RS232的标准不一样，必须进行电平转换才能实现单片机与上位机串口的直接通信。连接电阻R85和R86，同时断开电阻R153和R154，避开了芯片U5对U3的干扰。芯片U5的“T1OUT”和“R1IN”引脚分别经过电阻R76和R77连接到插座CN3的第3脚和第2脚。CN3连接上位机的串口，其第2脚和第3脚分别对应上位机的RS232串口的发送数据引脚“TxD”和接收数据引脚“RxD”,可以用来通讯及程序的下载。当发送和接受数据端反接时，用电阻R83和R84替换电阻R76和R77，确保通讯功能的正常使用。其支路上分别并联一个连接到地的双向稳压二极管D41和D42，用来吸收RS232接通时产生的非常高的瞬间正负电涌，避免热插拔时击毁232芯片。芯片U5的“T1IN”和“R1OUT”引脚分别串联电阻R85和R86连接到单片机的发送数据引脚“TxD”和接收数据引脚“RxD”，稳压二极管D38和D39是用来保护单片机不被232输出的瞬间高压而被烧毁。当选用USB端口作为通讯口，断开R85和R86，连接R153和R154。芯片U3的“UD+”和“UD-”分别连接USB接口的“USB_D+”和“USB_D-”，稳压二极管D33和D34用来对芯片U3进行过压保护的。芯片U3的“TxD”和“RxD”引脚分别与单片机的接收数据引脚“RxD”和发送数据引脚“TxD”对应连接。R73为限流电阻，D37作为开关二极管，对电路进行单向导通隔离，保护单片机与U3不会被烧毁。“XO”和“XI”引脚连接12MHz晶振的两端，为U3提供时钟。通过USB串口模块，实现了上位机101通过USB口与单片机的通讯。

参见图5，所述的MCU控制模块103和LED信号灯矩阵模块104包括单片机，限流电阻，MOS管，红绿双色LED，滤波电容等。其中红绿双色LED有三个管脚，公共端是阳极。电源模块输出端接双色LED的公共端，阴极串联限流电阻后接MOS管的漏极，MOS管的源极接地，MOS管栅极串联限流电阻后连接到单片机的I/O口。每个双色LED对应两个不同的I/O口。本实例中，30个双色LED对应60个不同的I/O口，方便对每个LED不同发光颜色进行直接控制。双色LED灯中红色LED串联的限流电阻阻值为750Ω，绿色LED串联的限流电阻阻值为680Ω，因为点亮红色和绿色LED所需要的压降不同，改变限流电阻的大小可以确保红色和绿色LED发光强度的一致性。MOS管用来做开关，是双色LED灯驱动电路的核心。当单片机I/O口输出高平时，MOS管的漏源极导通，LED所在回路导通，LED就发光；当单片机I/O口输出低电平时，MOS管的漏源极断开，LED所在回路断开，LED就熄灭。调节单片I/O输出电平，可以改变双色LED灯的显示状态。

本实用新型还提供了一种基于单片机控制的LED信号灯矩阵系统的控制方法，通过上位机101经串口模块102向MCU控制模块103传输控制命令，MCU控制模块103根据控制命令发出指令控制单片机的I/O口的电平，通过调节I/O口的电平来控制MOS管的开关，从而控制LED信号灯矩阵模块104的开关，实现了对LED信号灯矩阵模块104的亮灭及闪烁的控制。

所述的LED信号灯矩阵模块104主要由30个红绿共阳极双色LED灯按3x10排列组成，所述的LED信号灯矩阵模块104中每个共阳极双色LED灯有常红、常绿、红色闪烁、绿色闪烁和熄灭五种状态，所述的每个共阳极双色LED灯的由其所对应的MOS管控制，所述的每个共阳极双色LED灯的显示状态是相互独立的。

所述的按3x10排列的LED信号灯矩阵模块104分为四组，第一组是第1到第8个灯，第二组是第9到第16个灯，第三组是第17到第24个灯，第四组是第25到第30个灯；所述的按3x10排列的LED信号灯矩阵模块的控制命令是长度为7个字节十六进制数，其中第1个字节表示控制命令的长度，第2个字节表示LED灯的显示状态，第3到第6字节分别表示四组LED灯的动作命令，第7个字节表示校验位。

参见图6，该LED信号灯矩阵模块104的工作流程：上电后对单片机的I/O口、定时器进行初始化，单片机接收上位机101发送过来的控制命令并进行校验，校验通过后才根据指令设置I/O口的电平，从而控制每个I/O口对应的LED灯。所述LED矩阵系统的控制命令的长度为7个字节，第1个字节表示命令长度，固定为07，第2个字节表示灯的红色、绿色、红色闪烁、绿色闪烁和熄灭五种显示状态，分别用十六进制数01、02、04、08和10表示。第3个到6个字节分别对应第1组到第4组LED灯，每组LED灯从低到高每个LED灯的动作命令分别是十六进制数01、02、04、08、10、20、40和80，00表示无动作。第7个字节表示校验，其值为100减去前面六个字节的和。

作为本实用新型的一实施例，该矩阵系统使用的通信协议为：串行通信的波特率为115200bps；控制命令长度为7个字节；联络方式为上位机主动联络单片机。例如使第1组第1个灯发红光，那么其控制命令为：07 01 01 00 00 00 F7，其中第1个字节07表示命令的长度，第2个字节01代表发光为红色，第3个字节01表示第1组第1个灯有动作，第4、5和6个字节都为00表示无动作，第7个字节F7等于（100-07-01-01）。

本实用新型提供的一种基于单片机控制的LED信号灯矩阵系统及其控制方法，该矩阵系统实现了上位机与单片机串口的直接通信，实现了上位机对各个LED实时控制的功能，使 LED信号灯矩阵的控制简单化、模块化、集成化，使LED信号灯矩阵的显示模式更加多样化，提供了一种控制系统成本较低、可靠性高、显示模式多样化、控制指令和程序简单的LED信号指示灯矩阵系统实现方案。

本实用新型提供的一种基于单片机控制的LED信号灯矩阵系统及其控制方法，可用于轨道交通到站提示、售票机操作提示等。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。