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。