光立方设计

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填写日期：2012-12-28

【摘要】本设计立体点阵系统，具有3D的显示效果，系统STC60S2单片机作为控制核心对灯的亮暗进行控制。采用74HC138和74HC595分别对每个灯进行控制，使8*8*8立体点阵显示出不同的花样，给人立体效果的展示。系统初始设定显示一种模式，当遥控的切换键按下时，可以切换不同花样。本系统还可以用遥控来对灯的亮度进行控制。

【关键词】立体点阵 STC60S2单片机 74HC138 74HC595 遥控器

第1章引言

随着人们生活水平的不断提高， 3D效果的欣赏已经成了人们的追求，美轮美奂的观赏让人醉心不已，给人带来无比宽松舒适的美感。3D技术的将来必有广泛应用。仅3D打印技术这一还处在萌芽阶段的技术就已经在世界掀起了巨大波澜。就现有来看3D技术已经应用于军工、航空航天、水下作业、模拟分析等高端领域。随着科技发展3D技术的成本也会越来越低，相信3D电视将来也会像液晶电视一样走入普通家庭。3D技术在未来还可以应用于教学，医学，地下采矿，空中导航等领域。

但就目前的发展，3D还不能够普及到人们的生活中，这也就萌发了人们对于3D的设计。因此，本课题以发光二极管的搭建的8*8*8立体点阵，是一个长、宽、高由8×8×8个LED 灯组成的真实3D立方体显示器。采用单片机STC60S2为核心编程技术，对发光二极管进行控制，使其显示出不同的花样，带给人未来3D技术的科技体验。

第2章设计任务及要求

2.1 设计任务

设计一个8×8×8的LED立体点阵，可以用红外遥控器进行花样的切换，能够进行亮度的调节。

2.2设计要求

（1）用红外遥控器进行控制。

（2）有多种的花样可以相互切换。

（3）可以对亮度进行调节。

第3章硬件系统总体设计

3.1 系统结构框图设计

经过分析，本系统主要是由电源模块、单片机主控模块、74HC595列驱动模块、74HC138行驱动模块、LED点阵显示模块，给出了系统电路原理框图如图所示。

单片机选用STC12C5A60S2芯片之制造，它可提供多种模式。512个灯只需要单片机10端口控制，P1.3：脉宽输出，控制灯的亮暗。

LED 灯用16只驱动管驱动，提供足够大的电流，每个LED 灯需要20mA 的电流，需要的电流是1.5A,用驱动管来驱动LED 灯，74HC595控制LED 的8位移位寄存，74HC138是3位8出的译码器，用来信号的输出。

第4章 主要电路模块的实现方案比较及选择

4.1 LED 的选择

本次项目选用高亮度透明红光LED ，在不亮的时候是透明的，这样就确保了每个点都能显示自己的位置。

4.2 单片机的选择

方案一：52系列单片机

方案二：STC12C5A60S2芯片

52系列单片机的ROM 为8K ，对我们设计系统不能提供充足的空间进行功能的扩展。由于光立方的程序量比较大，而且要求相对比较高，因此经过考虑之后我们决定用51系列的增强型芯片STC12C5A60S2。STC12C5A60S2具有超强抗干扰、内部集成高可靠复位电路，外部复位可用可不用、速度快，比8051快8-12倍。再有STC12C5A60S2芯片与52 系列的单片机价格差不多。因此，我们选择STC12C5A60S2芯片。

在实际调试中，用STC89C52RC 在高电平的时候还是有一点点漏电流，对与8050PNP 电源模块 行驱动模块

LED 点阵显示模块

列驱动模块 单片机主控模块

三极管来说，这放大的电流足够使本不应该点亮的LED点亮。所以必需把这漏电流给消除。在更换芯片时，我们发现，用STC12C5A60S2单片机刚好满足要求，免去了复杂的硬件修改。

4.3 LED灯的选择

方案一：草帽型LED

方案二：方形高亮的LED灯

由于草帽的光发散比较厉害，容易影响视角效果，而方形的比较聚光，在不亮的时候是透明的，这样就确保了每个点都能显示自己的位置。出于外观和整体的形状美观，我们放弃我们经常用的草帽型LED，采用的是方形高亮的LED灯。

4.4 LED的驱动方式的选择

方案一：74HC593和74LS138组成的驱动电路。LED灯用16只驱动管驱动，提供足够大的电流，每个LED灯需要20mA的电流，需要的电流是1.5A,用驱动管来驱动LED灯，74hc595控制LED的8位移位寄存，74hc138是3位8出的译码器，用来信号的输出。

方案二：SM16126和74HC138组成的驱动电路。SM16126具有亮度调整功能，通过调节R_EXT端的电阻大小或者PWM，就可轻松做到亮度可控。4片SM16126构成了64位的静态显示，可显示一层的图像也就是一个二维画面。层切换是通过3-8线译码器74HC138，对控制器输出的层信号译码，然后通过P沟道MOS管4953放大后驱动LED光立方一层的二极管阳极，此时对应SM16126移位后的并行数据就被显示出来了。然后通过协调层的数据和层的选通，动态显示后就能做到立体控制与显示。

方案三：74HC573和ULN2008组成的驱动电路。

采用74HC573暂存的方法，来分别把8个灯的亮灭信息储存，74HC573的64个输出引脚控制前面所述每一个面的8个灯。而ULN2008控制灯的每一个层，每个573输出的引脚对应的按顺序的X轴的8个引脚。

由于我们对于方案一的驱动方式比较熟悉，而且其组成的电路较简单，所以我们最后采用方案一的驱动方式。

第5章系统硬件设计

5.1 系统硬件设计

硬件电路大致上可以分成单片机系统及外围电路、列驱动电路和行驱动电路三部分。

5.1.1 单片机电路

我们是用STC60S2芯片来制作单片机电路。我们把STC60S2芯片的P0口用来控制74HC595的时序以及74LS138的时序，用P3.2口接收红外遥控器发出的信号，用P2口来控制液晶的启动显示，再分别用P1.3来控制LED灯亮度的变化。

5.1.2 行驱动电路

单片机P0口低5位输出的行号经两片74LS138译码后生成16条行选通信号线，以低电平译出。一条行线上要带动16列的LED进行显示，按每一LED器件20mA电流计算，32个LED同时发光时，需要640mA电流，选用场效应管TIP127作为驱动管可满足要求。

5.1.3 列驱动电路

列驱动器由集成电路74HC595构成。它具有一个8位串入并出的移位寄存器和一个8位输出锁存器的结构，而且移位寄存器和输出锁存器的控制是各自独立的，可以实现在显示本行各列数据的同时，传送下一行的列数据，即达到重叠处理的目的。

引脚SI为串行数据输入端，与单片机P1.0相连，用来传送数据；引脚SCK为移位寄存器的移位时钟脉冲，与单片机P1.2相连；RCLK是输出寄存器的打入信号，与单片机P1.1口相接。

5.1.4 红外遥控器部分

发射部分包括键盘矩阵、编码调制、红外发送器。使用89C2051芯片将按键信号调制在 38KHz 的载波信号上通过三极管放大后发射出去。以脉宽为0.565ms、间隔0.56ms、周期为1.125ms的组合表示二进制的“0”；以脉宽为0.565ms、间隔1.685ms、周期为2.25ms 的组合表示二进制的“1”。“0”和“1”组成的32位二进制码经38kHz的载频进行二次调制以提高发射效率，达到降低电源功耗的目的。红外编码为：全码 =引导码+系统码+系统反码+数据码+数据反码。将发送的数据和P3.0进行逻辑与后，经过40106整形，用三极管驱动红外发射管发射。

5.1.5 遥控信号接收头

接收电路可以使用一种集红外线接收和放大于一体的一体化红外线接收器，不需要任何外接元件，就能完成从红外线接收到输出与TTL电平信号兼容的所有工作，而体积和普通的塑封三极管大小一样，它适合于各种红外线遥控和红外线数据传输。接收器对外只有3个引脚：Out、GND、Vcc与单片机接口非常方便。红外接收头的Out接单片机的P3.2。

①脉冲信号输出接，直接接单片机的IO 口。

② GND接系统的地线（0V）；

③ Vcc接系统的电源正极（+5V）；

5.2 系统软件设计

5.2.1 软件系统总流程及设计思路说明

LED立体点阵系统的主要功能是花样变化，通过红外遥控器来进行花样模式的切换。根据软件分层次设计的原理，可把LED立体点阵显示屏的软件系统分成三大层：第一层是底层的显示驱动程序，第二层是红外遥控器的控制程序，第三层是上层的系统应用程序。显示驱动程序负责向屏体送显示数据，并负责产生行扫描信号和其它控制信号，配合完成LED显示屏的扫描显示工作。显示驱动程序由定时器PCA中断程序实现，红外遥控程序负责对系统已经编写好了的各个花样进行切换，系统应用程序完成系统环境的设置、显示效果处理等工作，由主程序来实现。

5.2.2 显示驱动程序

显示驱动程序在进入中断后首先要对定时器PCA重新赋初值，以保证显示屏刷新率的稳定，然后显示驱动程序查询当前燃亮的行号，从显示缓寸区内读取下一行的显示数据，并通过串口发送给移位寄存器。为消除在切换行显示数据的时候产生的拖尾现象，驱动程序先要关闭显示屏，等显示数据打入输出锁存器并锁存，然后再输出新的行号，重新打开显示。

图2是显示驱动程序的流程图。

进去中断

定时器赋初值

读取行号并增1

送新行显示数据

消隐

切换显示数据

送新行号、打开显示

退出中断

5.2.3 LED立体点阵驱动显示方案

LED立体点阵是一种新萌发的具有3D效果的。LED立体点阵系统可以显示文字，数字，图形等生动逼真，立体感强。用单片机驱动LED灯有很多方法，按显示方式分，有静态显示和动态（扫描）显示，按译码方式可分硬件译码和软件译码之分。

静态显示就是显示驱动电路具有输出锁存功能，单片机将所要显示的数据送出后就不再起作用，直到下一次显示数据需要更新时再传送一次新数据，显示数据稳定，占用很少的CPU时间。动态显示需要CPU时刻对显示器件进行数据刷新，显示数据有闪烁感，占用的CPU时间多。这两种显示方式各有利弊；静态显示虽然数据稳定，占用很少的CPU时间，但每个显示单元都需要单独的显示驱动电路，使用的硬件较多；动态显示虽然有闪烁感，占用的CPU时间多，但使用的硬件少，能节省线路板空间。

如果用静态显示的方法，LED立体点阵共有512个发光二极管，单片机没有那么多的端口，如果用锁存器来扩展端口，按8位锁存器来计算，也需要64个锁存器。因此在实际应用都不采用静态显示，而是采用动态扫描的显示方法。

此次设计的要求是立体点阵的花样变化，采用动态显示，扫描电路就可以实现多行的同名列共用一套列驱动器。LED立体点阵的控制方式和16×64的点阵屏控制方式是一样的。拿16×64的点阵屏来说，把所有同一行的发光二极管的阳极连在一起，把同一列的发光二极管的阴极连在一起（共阳接法），先送出对应的第一行发光二极管亮灭的数据并

锁存，然后选通第1行使其亮灭的时间，然后熄灭；再送对应的第二行的数据，依次下去，直到第16行。整个来回的时间的时间很短，由于人眼的视觉暂留现象，就可以看到显示在屏幕上的稳定的图像了。

采用扫描方式进行显示时，每行一个行驱动器，各行的同名列共用一个列驱动器。显示数据通常存储在单片机的存储器中，按8位一个字节的形式顺序排放。

显示时要把一行中各列的数据都传送到相应的列驱动器上，这就存在着一个显示数据传输的问题。从控制电路到列驱动器的数据传输可以采用并行方式或串行方式。显然，采用并行方式时，从控制电路到列驱动器的线路数量大，相应的硬件数目多。当列数很多时，并行传输的方案不可取。

采用串行传输的方法，控制电路可以只用一根信号线，将列数据一位一位传往列驱动器，在硬件方面比较经济。但是，串行传输过程较长，数据按顺序一位一位地输出给列驱动器，只有当一行的各列数据都已传输到位后，这一行的各列才能并行地进行显示。这样，对于一行的显示过程就可以分解为列数据传输和列数据显示两个部分。

解决串行传输中列数据传输和列数据显示的时间矛盾问题，可以采用重叠处理的方法。即在显示本行各列数据的同时，传送下一行的列数据。为了达到重叠处理的目的，列数据的显示就需要具有锁存的功能。经过上述分析，归纳出列驱动器电路应具备的主要功能，对于列数据段传输来说，应能实现串入并出的移位功能；对于列数据显示来说，应具有并行锁存的功能。

综上所述，此次设计采用动态扫描方式驱动LED立体点阵显示，采用串入并出的方法实现数据传输和采用并行锁存的方法实现数据显示。

5.2.4 红外遥控程序

采用脉宽调制的串行码，以脉宽为0.565ms、间隔0.56ms、周期为1.125ms的组合表示二进制的“0”；以脉宽为0.565ms、间隔1.685ms、周期为2.25ms的组合表示二进制的“1”，其波形如图所示。

图为遥控码的“0”和“1”（注：所有波形为接收端的与发射相反）

上述“0”和“1”组成的32位二进制码经38kHz的载频进行二次调制以提高发射效率，达到降低电源功耗的目的。然后再通过红外发射二极管产生红外线向空间发射。

红外接收程序框图：

5.2.5 系统主程序

系统主程序开始以后，首先是对系统环境初始化，包括设置串口、定时器、中断和端口以及显示效果。

第6章 安装与调试 键码读取成功 记录码值 Y N Y 结束

32为码值？ 外部中断1 引导码？ Y N 大于20ms 开定时器0 等待外部1中断 N 大于20ms

6.1 安装调试过程

1 根据PCB版图制作出实板，然后将元器件焊接到板上。

2 用万用表对焊接的实板进行测试电路是否有短路、开路。

3 试着将实板的电源接到电脑主机，将程序烧入单片机内，查看基本功能是否能实现。

4 对电路进行判断故障并分析原因。

6.2 故障分析

1 单片机送出的信号经过经过74LS138译码器译码之后的时序出现混乱，

解决方法：通过查找74LS138控制方式，检查电路图的控制脚有没有接错，发现问题并没有出现在这里，换74LS138芯片后问题还是存在，检查电路板，用万用表一步一的测过去，最后发现有一路出现了短路，把短路的地方用小刀隔断，最后时序正常了。

2 译码器送出的信号经过，有一部分不能传送到LED灯的控制脚。

解决方法：通过检查电路是否出现短路，发现没有，检查元器件是否虚焊，最后排除了问题。

第7章结论

我们这一组经过一段时间的努力，终于完成了我们组的LED立体点阵的设计，虽然没有完全达到要求，但从心底里说，还是比较高兴的。从这次的课程设计中，我真真正正的意识到，再以后的学习中，要理论联系实际，把我们所学的理论知识用到实际当中，学习单片机更是如此，程序只有经常写与读的过程中才能提高，这就是我们在这次毕业设计中的最大收获，以后走出社会奠定了基础，增添了信心。

参考文献

1 张迎新.单片机初级教程—单片机基础[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.08

2 彭伟.单片机C语言程序设计实训100例—基于8051+Proteus仿真[M].北京：电子工业出版社，2009.06

3郭天祥.新概念51单片机C语言教程—入门、提高、开发、拓展全攻略[M]. 北京：电子工业出版社，2009.01