光立方毕业设计

基于STC12C5A60S2的光立方设计

【摘要】本次设计使用512个LED灯制作8*8*8的LED立方体，命名为光立方。采用

STC12C5A60S2芯片作为主控，8个74HC573锁存器和一个ULN2803芯片扩展I/O口，作为外围控制。通过编程控制I/O口，点亮指定的LED灯，使得显示不同的画面。8*8*8光立方因点亮LED灯将会形成各种图形，如爱心、数字、雨滴、正方体等十几种画面。整个立体呈现不同的造型和图案，动画衔接完美，使其变得美轮美奂、绚丽多彩，立体感十足。此外，我们还可以外接音频输入，通过AD采样，快速傅里叶变换FFT，可以让光立方显示音频频谱。经过系统测试，最终达到设计要求。

【关键词】光立方 STC12C5A60S2 74HC573 ULN2803

Based on STC12C5A60S2 of the Light Cube Design

【Abstract】:The 8*8*8 LED cube is made of 512 LED lights，named Light Cube

which used STC12C5A60S2 as main control chip，it has 8 74HC573 latches extended I/O ports,and a ULN2803 chip as out control. Through programming control I/O port, the LED light. 8 * 8 * 8 cubic light for light leds will form a variety of graphics, such as love heart,numbers,rain,cube and so on. animation, cohesion is perfect, stereo sense is dye-in-the-wood. In addition, we also can external audio input, through the AD sampling, fast Fourier transform FFT, can let light cube display audio spectrum. After the system test, finally to meet the design requirements.

【Keywords】:The Light Cube STC12C5A60S2 74HC573 ULN2803

目录

【摘要】 (1)

【Abstract】 (1)

目录 (2)

第一章引言 (1)

1.1光立方的研究意义 (1)

1.2发展历程和现状 (1)

1.3 光立方的功能和特点 (1)

1.4 光立体的优越性以及主要应用 (2)

第二章控制模块设计 (3)

2.1 系统总框图 (3)

2.2 总体方案的选择 (3)

2.2.1主控芯片 (3)

2.2 总体方案的选择 (3)

2.2.1主控芯片 (3)

2.2.2 电源选择 (4)

2.2.3 元件选择 (4)

第三章光立方显示部分概述 (7)

3.1 光立方的制作 (7)

3.1.1 光立方的原理 (7)

3.1.2 LED灯的选用 (7)

3.1.3 LED灯的焊接 (9)

3.2显示部分检测 (10)

第四章硬件设计 (13)

4.1最小系统 (13)

4.2 按键模块 (13)

4.3功放模块 (14)

4.3.1 功放原理图 (14)

4.4呼吸指示灯 (15)

4.5 竖排控制电路 (15)

4.6 光立方层控制电路 (16)

4.7 硬件电路焊接 (17)

4.8 元件清单 ........................................................................................................ 错误！未定义书签。第五章系统软件设计. (19)

5.1 软件设计总体思路 (19)

5.1.1 程序设计框图 (19)

5.1.2 显示程序设计 (20)

图5-3 伸缩动画流程图 (21)

5.1.3音频信号频谱分析 (22)

第六章系统调试与测试结果 (24)

6.1 软件调试 (24)

6.2 光立方初步调试 (25)

6.2.1检查电源 (25)

6.3 光立方最终调试 (26)

6.4 光立方测试遇到的问题 (26)

结论 (27)

致谢语 (28)

参考文献 (29)

附录 (30)

附录1：实物图 (30)

附录2：系统总原理图 (31)

附录3：呼吸灯PCB (32)

附录4：光立方主程序 (32)

第一章引言

本章简要介绍了光立方的研究意义、发展和现状，以及所设计光立方的功能特点，光立方的优越性，并依此提出了本论文研究的主要内容。

1.1光立方的研究意义

LED点阵显示屏已经应用到了我们生活中的方方面面，科技发展的脚步一直向前，3D电影给人带来了震撼的视觉体验，于是想设计出一种3D显示屏。通过学习《单片机原理与应用（第二版）》一书，知道LED静态显示和动态显示，以及两种显示的控制方法。LED点阵显示屏的特点有比数码管实用、便宜、亮度高等优点，而且做出来的LED显示很耐用。具有亮度高、工作电压低、功耗低、小型化、寿命长、耐冲击和性能稳定等优点。LED显示屏发展前景极为广阔，利用LED做成3D显示屏，3D LED显示不仅可以像LED点阵一样显示平面动态或静态图案，同时还可以立体显示动态或静态图案，打破了传统平面显示的方式。更是给人不同视觉盛宴。

1.2发展历程和现状

二十一世纪将是平板显示的时代，基础材料产业化，使LED灯生产工艺更加完善，成本更低，应用加快发展。LED产品性能的提高，使全彩显示屏的亮度、色彩、白平衡均达到了比较理想的效果，完全可以满足各种相对复杂的坏境条件要求。同时，由于全彩色显示屏价格性能比的优势，预计在未来几年中的发展中，全彩LED 3D显示屏在户外广告媒体中越来越多的代替传统的磁翻板、灯箱、霓虹灯等产品，体育场馆、舞台的显示方面全彩LED 3D显示屏更会成为主流产品1。全彩色LED 3D显示屏的广泛应用会是LED 3D显示产业如发展的一个新的增长点。未来LED 3D显示屏会向着规范化、标准化、产品结构多样化等方向发展。

目前，我国主要的LED广告大屏幕制造厂商主要集中在华北、华东、华南区域，大型制造商的市场范围几乎覆盖了整个中国市场。国产LED大屏幕性价比比较高，以其独有的优势占据了很大一部分市场份额。我国LED显示屏产业的快速发展，逐步形成了一批具有一定规模的骨干企业，而且产品不断推陈出新，使LED显示屏产业成为我国电子信息产业的重要组成部分，也是平板显示领域唯一立足国内形成的民族高科技产业。

1.3 光立方的功能和特点

1、8*8*8的LED阵列立体显示器。

2、连贯图形显示效果，浑然一体，一气呵成，能给观赏者带来立体的可视的震撼视觉效果。

3、超炫的立体动态显示，多种显示样式，如面平移、数字倒计时、方框伸缩、心跳动、雨滴等十多种动画。

4、具有音频频谱显示模式，可随音频同步显示，给观赏者视觉和听觉双重体验。

5、全开放式用户自定义操控，用户可根据自己的喜好自行编写对应的程序。

6、光立方内置两种模式：图形自动播放模式、音频显示模式，K2选择音频模式，K3选择图形自动播放模式。

1.4 光立体的优越性以及主要应用

1. 3D以其亮度高，功耗低，视角大，寿命长，可视距离远等优点而具有极为广阔的发展前景。随着人们生活水平的提高，3D LED逐渐应用于各行各业。人们对其的要求也越来越高，已经不再满足于二维平面，进而转向三维平面。3D LED的出现是一个很好的契机。

2. LED光立体极具观赏性，人们可以根据自己的要求，设计不同的图案，展现不同的立体效果。可以说它是变幻无穷的。因其极大地观赏性，使人们在接受信息，数据的同时更加印象深刻，使信息的传输更有效率。

3. 随着3D技术的逐步发展，3D LED被广泛应用于现实生活中，比如LED显示屏，LED图像，LED立体摄影。这些技术在我们的生活中随处可见，电影院，会议场合，舞台设计，以及各种娱乐场所。

第二章控制模块设计

2.1 系统总框图

光立方系统主要框图如图2-1所示，主要包括主控部分、LED显示部分、电源模块、功放模块、以及呼吸指示灯模块五部分。电源开关打开后，呼吸指示灯工作，系统初始化完成后，等待选择音频显示还是动画自动播放模式，进入音频模式后可伴随音频显示“跳舞”动画。

图2-1图系统方框图

2.2 总体方案的选择

2.2.1主控

光立方系统主要框图如图2-1，主要包括主控部分、LED显示部分、电源模块、运放模块、以及呼吸指示灯模块五部分。整个系统又分软件部分和硬件部分，良好的硬件设计为软件的执行提供支撑，为系统工作提供硬件实体；软件为系统的工作提供各种算法，软件与硬件的的结合，是系统高效工作的基础。

2.2 总体方案的选择

2.2.1主控芯片

本次设计首先要实现光立方的立体扫描，产生出特定的显示效果。通过设计多种多样的动态图画，给人一种绚丽多彩的效果。此外还要求显示效果能依音乐节奏而跳动，这就要求对音乐进行采集。对音乐采集可以采用独立AD芯片，或者选用内带AD转换功能的MCU。为此，有三种选择。

选择一：采用STC89C52单片机作为主控，独立AD0808或者AD0804芯片用做音频采集。选择二：采用红晶科技公司的STC12C5A60S2芯片作为主控。

STC12C5A60S2芯片有以下几个特点：

（1）其和8051指令、管脚完全兼容。

（2）片内的具有大容量程序存储器且是FLASH工艺的。

（3）低功耗设计，擦写次数10万次以上。

（4）自带高达60K字节FLASHROM，这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除、改写，具有串口烧写编程功能。

（5）I/O口驱动电流均可达到20mA，但整个芯片最大不得超过100mA。

（6）另外同样晶振的情况下，速度是普通51单片机的8~12倍，有8路10位ADC，采样速度可达到25万次/秒，且超强抗干扰。

选择三：采用DSP芯片作为主控。

DSP又叫数字信号处理器。顾名思义，DSP主要用于数字信号处理领域，非常适合重复运算，高密度及大数据容量的信号处理2。现在已经广泛应用于通信、便携式仪表、便携式计算机和雷达、图像、家用电器、医疗设备等领域3。其优点有：（1）DSP具有硬件乘法器以及特殊指令，依靠硬件乘法器单周期完成乘法运算。

（2）具有专门的信号处理指令,相对于其他微处理器用软件实现各种算法速度快好多倍。

（3）芯片内置544字的高速SRAM。

通过分析以上三种方案，都有其各自优点而且都可以实现控制过程。DSP的强大数据处理能力和高运行速度，是最值得称道的两大特色，价格较高，本次设计也没必要那么高的处理速度。单片机的技术门槛较低，开发成本也较低。STC89C52芯片成本很低，在处理速度上较STC12C5A60S2慢的多，容量也小，。同时为实现本次设计，还需外加AD采集芯片，加大硬件设计难度。由于光立方的动画效果和程序量比较大，而且要求相对比较高。考虑到价格，性能方面因素，最终选取处理速度较快、存储较大且价格适中的STC12C5A60S2芯片作为核心控制芯片。

2.2.2 电源选择

直接采用5V移动电源。

2.2.3 元件选择

（1）由于灯的个数比较多，每层64个LED并联共阴，这样分流到每个LED的电流会变得非常小，会造成无法点亮或者半亮，影响显示效果。因此所需要的电流相对也比较大，可以选择ULN2003或者ULN2803，两者都是反向输出，输出能力可达500mA /50V，可用来做光立方共阴层驱动。但前者只能驱动七位，而后者可以驱动八位，所以选择ULN2803驱动。ULN2803是八重达林顿晶体管阵列，1 脚至8脚为8路输入，11到18脚为8路输出，应用时9脚接地，要是驱动感性负载，10脚接负载电源V+。其内部结构如图2-2。其特点有：

1、可直接驱动继电器。

3、可用于电平转换。

4、输入的电平信号为高低电平（5V或0V），输入低电平时，输出达林顿管截止。输入为高电平时，输出达林顿饱和。

图2-2ULN2803内部结构

（2）要做到光立方每一个LED可以自由控制，就需要64列共阳脚都要控制，而STC12C5A60S2单片机I/O显然不够，为了单片机送出下一组显示数据时不会立刻丢掉前一次显示数据而造成图像不完整，本人选用带有数据锁存功能的74HC573芯片，如图2-3所示74HC引脚图。八个锁存器都是透明的D 型锁存器，当使能（G）为高电平时，Q 输出将随数据（D）输入而变。当使能为低电平时，输出将锁存在已建立的数据电平上。输出控制不影响锁存器的内部工作，即老数据可以保持，甚至当输出被关闭时，新的数据也可以置入。特别适用于缓冲寄存器，I/O 通道，双向总线驱动器和工作寄存器。对它的使用也比较成熟，因此在驱动部分使用了熟悉的74HC573，其控制逻辑如图2-4所示。其优点有：

1.高阻态;就是输出既不是高电平,也不是低电平,而是高阻抗的状态;在这种状态下,可以多个芯片并联输出。

2.数据锁存;当输入的数据消失时,在芯片的输出端,数据仍然保持。

3.数据缓冲; 加强驱动能力。

图2-3 74HC573引脚图

2.2.4 光立方显示电路的基本框图

LED光立方主要用到了STC12C5A60S2单片机中的P0口、P2口、P3口、串行输入输出端以及外接晶体引线端XTAL1和XTAL2。I/O口分配如图2-5所示。

图2-5 I/O分配图

P0口作为数据输出端，单片机控制数据传送到8个74HC573锁存器的输入端，而8个74HC573锁存器输出端分别控制一排8列LED阳极引脚。

P2口作为数据输出端，单片机送出数据控制使能端而实现锁存器的数据输出与锁存，从而控制数据在某一时刻输出到指定某一排或某几排。

P3口作为数据输出端，单片机内部输出控制数据传送到ULN2803的输入端，进而控制每一层。通过ULN2803数据没有发生任何变化，只是电流前后有很大差别，这时候电流将增大很多。

第三章光立方显示部分概述

3.1 光立方的制作

3.1.1 光立方的原理

借鉴LED点阵控制原理，将光立方可以看做是8个8*8点阵屏的层叠一起。点阵屏的显示便是光立方一层的显示，只要通过程序再次控制8个层，便可以实现光立方的显示，由于人眼的视觉暂留，使我们感觉到看到的东西是一起在亮的，这样我们就可以看到一个完整图像，这是本次设计的基本原理。设计3D 图形，需要有新的思维方式，发现三维空间中点、线、面、体的算法规律。展示3D效果的超炫表现力，让人享受各种视觉上的冲击，迎合3D显示时代的到来。光立方分解为8个8*8LED点阵叠成8层，再用8个引脚来充当8个点阵的开关。单片机P0、P2、P3实现控制XYZ空间立体控制来显示特定图案。

3.1.2 LED灯的选用

本次设计旨在让光立方动画显示更加绚丽多彩，因此使用2*5*7 雾状散光扁方形磨砂LED（红、黄、蓝三种），红和黄分别三竖排，剩余两排用蓝色LED。这种灯型更容易看到光点，以获得更好的视觉效果。额定电压范围3.0~3.2v,额定电流15~18mA,管脚长度27-29mm，实物图如图3-1所示：

图3-1 LED实物图

首先，要进行LED灯立体矩阵的搭建。LED搭接过程还是比较困难的，8*8*8=512LED，分为8层，每层8列，每列8个LED灯，列内共阳，层内共阴，如图3-2所示。为使光立方外形的美观，每一片的LED阵列都要求排列整齐，互相看齐，这对焊接的能力有一

定的要求。

图3-2 光立方焊接示意图

第一步：水平折弯。这个因为LED本身管脚上有个结，可以徒手完成。本次设计

是层内共阴，同时为了视觉效果更好，本人将阴极管脚在水平方向折弯90°，并使之与

LED面垂直，如图3-3所示。同样的方法，将512个LED灯的阴极都水平折弯。为了焊

接的统一性，在折弯的时候尽量保持角度一致。

图3-3 LED水平折弯图3-4 LED垂直折弯第二步：垂直折弯。可利用尖嘴钳将LED灯阳极管脚向外折一次再折回原来的方向，如图3-4所示。这个弯,一定不要太大，正好露出LED外围2mm打弯合适，LED的正极折弯后留下的引脚长度必须大于LED的间距25.4mm,以确保有足够的重合位置以便焊接。LED灯上下之间焊接的时候就就会发现这一步是非常必要的。

3.1.3 LED灯的焊接

为了方便焊接，自制简易模具，模具孔位间隔要提前量好，保证在管脚搭接时不要太多或者不能焊接。然后按照单独8竖排分别焊接，每一排8列，如图3-5所示。接着将折好的LED灯插入一列，其阴极管脚正好搭接在一起，完成焊接如图3-6和图3-7。在这里本人发现有非常值得注意的一点，因为LED比较脆弱，在焊接过程中很容易因为高温而烧毁LED灯，对于这一点，应该尽量缩短电烙铁接触时间。同时为了确保每一个

LED都没有问题，在完成一层后都要检查是否可以点亮。

图3-5 LED布局示意图

图3-6 LED焊接图

图3-7 LED焊接图

3.2显示部分检测

对于焊接完成的检测这一步非常重要，如果安装完成后再更换LED灯是非常麻烦的事。

分别焊接完8竖排LED灯后，将每一竖排LED的都进行检查，确保每一个LED都可以点亮。这里本人直接在电脑USB输出口引出电源。这里值得注意一点，USB输出电源最低3.3V(USB转串口)，最高5V左右（本人用数字万用表测了一次是5.16V）。而LED 灯压降不超过3V，为了因电压过高烧毁LED灯，在测试之前我们可以选择了一个适中电阻接在电源一端。

(a) (b)

（c）（d）

图3-8 检测过程

接下来将电源正极接在第一列LED阳极引脚，负极端依次触碰各行阴极管脚，观察并记录坏掉的LED，如图3-8-1所示。然后将电源正极接到第二列，负极端依次触碰各行阴极管脚，如图（a）、（b）、（c）、（d）用同样的方法，将8竖排全部检测完成。最后将更换新的LED灯再检查一遍。

另外，还可以将一竖排同时点亮的方式进行检测，这样做可能会出现某些LED灯因电流太小无法点亮出现误判的情况。虽然逐个点亮这样的检测方式效率很慢，但可以有效避免上述误判现象，防止后期发现给更换带来更大的不便。在一定程度来说，这样做

也是在提高工作效率。

图3-9 LED立方体焊接

最后将完成后的8个面进行组成立体焊接，其方法将之前8个面上同一层上阴极依次焊接一起，形成层共阴，用8条细导线分别连接8个层与ULN2803输出端相连。底

层留下64个阳极引脚与8个74HC573输出端分别焊接一起。如图3-9所示。

第四章硬件设计

4.1最小系统

单片机最小系统如图4-1所示，包括时钟电路和复位电路。时钟电路用于产生单片机工作时必须的控制信号，单片机内部电路正是在时钟信号的控制下，严格按照时钟时序指令进行工作。复位电路是为了单片机初始化操作准备的，同时也是为了程序在执行过程中出现跑飞后快速重新启动。

图4-1 最小系统

4.2 按键模块

图4-2 系统按键

K1为确定键。打开电源快关后，可根据K2和K3键选择进入哪种模式，如图4-2所示。如果按下K2按键，进入音频频谱模式；按下K3按键时，呼吸灯亮，此时按下

K1确定键,进入程序执行模式，开场动画完成后会停留“L”字界面,按下K2显示“E”,两个字母分别代表模拟音频动画、自动执行模式。

4.3功放模块

本人使用手机耳机输出音频，因其输出功率太小，单片机在有些频段采集不到，所以使用功放将其放大。另外外接喇叭，可以在播放音乐的同时体验动感的视觉效果。

这里我们采用专用功放芯片LM386，这是专为低损耗电源所设计的功率放大器集成电路。内部机构如图4-3所示：

图4-3 LM386引脚图

4.3.1 功放原理图

透过LM386的1和8 脚位间串联电容，增益最高可达200，电容。LM386可使用电池为供应电源，无作动时仅消耗4mA电流，且失真低。功放原理图如图4-4所示，TBL2为音频接入口。

图4-4 功放电路图

在电路设计中，前端加一个22uF（没有严格要求）的低频滤波电容，以便滤除带外噪声。

4.4呼吸指示灯

采用555定时芯片，外接几个电阻、电容，构成电容充放电电路，实现LED缓慢亮灭，形象称做呼吸灯。本人在光立方底座四角各焊接一个LED灯，在接通电源时呼吸灯闪烁，如夏日里的萤火虫一闪一闪亮晶晶，作为电源指示灯，同时配合LED动画显示，使视觉效果趣味更佳。原理图如图4-5所示。

图4-5 呼吸灯原理图

4.5 竖排控制电路

单片机P0口同时输出控制8个74HC573锁存器输入端，P2口通过给8个74HC573锁存器11脚LE高低电平控制是否将数据输出，8个CON8分别代表8竖排LED灯。通过编程控制P0和P2，从而控制数据在某一时刻输出到指定某一排或某几排。原理图如图4-6图一所示，具体连接电路4-6图二所示。

图一

图二

图4-6 竖排控制电路原理图

4.6 光立方层控制电路

前面介绍到利用74HC573来控制光立方的每排（即每一个竖面），但如何控制每一竖面的某一层就需要用到层控制芯片ULN2803了，P0口输出某层数据后，控制ULN2803芯片选通该层，即可看到该层相应的点的LED灯亮。

因光立方层内共阴，单片机输出的电流信号特别小无法直接驱动大的负载，也就是不能同时驱动一层或多层LED灯。ULN2803用来功率放大的驱动芯片，所以可以用ULN2803来实现单片机与负载的连接。单片机P3口输出数据到ULN2803输入端，经过功率放大后输出控制8个LED层，这里CON8代表LED 8个共阴层,如图4-7图一所示，与LED灯链接电路如图4-7图二所示。

图一

图4-7 光立方层控制电路

4.7 硬件电路焊接

本次硬件焊接直接使用万用板手工完成。采用标准2.54mm间距布满焊盘，可根据电路结构合理插装元器件及连线的洞洞板。相比专业PCB制版，万用板具有以下优势：价格低廉、使用方便，不像PCB板出现电路问题时重新制版，另外比较扩展灵活。在焊接洞洞板之前需要准备足够的细导线用于走线。本人将硬件部分焊接分上下两层，上层分布8个74HC573和一个ULN2803以及64个LED阵列插孔，下层安装单片机、按键、呼吸灯模块以及I/O口引出排插。每一层分正反两面，正面元件，背面走线。

图4-9 主控布局图4-10 主控走线焊接

在万用板正面安装元器件，按照原理图，合理摆放元件，同时将模块电路部分放在一起，不要太过凌乱，如图4-9所示。尽量使整体布局美观，布线方便而且有利于在后期检查。主控部分线路可以实现无交叉分布，所以可以直接用焊锡链接焊盘完成走线，如图4-10所示。最后在四角分别焊接一个贴片式LED灯，做呼吸灯，用来电源指