基于单片机的光立方系统设计

基于单片机的光立方系统设计
虞沧
【摘要】This paper mainly describes a by leds and 8 * 8 * 8 glow 3 d cube.Cube by the underlying hardware to control state of destroy the light of leds,so that the cube shows rich and colorful patterns.This cube selection STC12C5A60S2 MCU as the core controller of the underlying hardware,choose the extension 74 hc573 chip microcontroller I/O
port,choose ULN2803 as drive chip set drive circuit.Programming by PC and download the data to the microcontroller to control state of
leds,which shows the corresponding design.%本文主要描述一种由发光二极管制作而成的8*8*8三维发光立方体。

立方体通过底层硬件对发光二级管的亮灭状态进行控制，从而使立方体显示丰富多彩的图案。

本立方体选择STC12C5A60S2单片机作为底层硬件的核心控制器，选择74HC573芯片扩展单片机的I/O口，选择ULN2803作为驱动芯片搭建驱动电路。

通过PC机进行程序编程并将数据下载到单片机实现对发光二级管状态进行控制，从而显示相应的图案。

【期刊名称】《电子测试》
【年(卷),期】2015(000)006
【总页数】3页(P28-30)
【关键词】STC12C5A60S2;74HC573;ULN2803;光立方
【作者】虞沧
【作者单位】武汉职业技术学院，湖北武汉
【正文语种】中文
0 引言
随着科学技术的日益进步和发展，LED点阵已经广泛使用于日常生活中。

平面LED技术已经发展成熟，但是平面LED显示屏显示的图案趋于单一，已经无法满
足日益增长的显示需求。

为此，本设计在二维LED显示屏的基础上设计了三维LED光立方显示系统。

它能显示丰富的图案，有较强的立体感，能带来更直观的
视觉冲击和更好的感观体验。

1 系统的硬件设计
1.1 硬件整体设计概述及功能分析
图1 系统结构设计图
光立方系统硬件设计如图1所示，可分成核心控制电路、显示电路、通信电路等
模块。

核心电路包括STC12C5A60S2单片机组成的最小系统及若干外围设备。

在整体的布局中核心控制部分就是一个下位机，它控制整个电路及执行相应的程序、和PC上面的上位机进行通讯并给显示部分传输指令。

STC12C5A60S2单片机通
过扩展I/O口对8*8*8 LED光立方显示屏进行驱动。

光立方可采用额定驱动电压3.3v（2.7v-3.8v）、额定驱动电流为20mA、阳极管脚长度27±1mm、阴极管脚长度为25±1mm的高亮LED。

为了保持整体的通透性、立体感，本光立方没有额外的LED支架，所有搭接直接使用LED自身的管脚。

立方体搭建如图2、图3所示。

图2 一个层面的LED 搭建
图3 光立方体搭建
1.2 驱动电路
ULN2803芯片的的1号引脚到8号引脚与STC12C5A60S2单片机的P1端口
（1～8号引脚）相连接，数据源经过STC12C5A60S2单片机芯片的P2端口输入通过芯片ULN2803经过11号引脚至18引脚输出，用ULN2803进行层驱动。

每个74HC573的2号引脚至9引脚（data input）都一起与STC12C5A60S2单片机的P0端口（32号引脚至39引脚），数据经过STC12C5A60S2芯片的P0端口传输到74HC573芯片，74HC573芯片的1号引脚使能输入与地连接，
74HC573芯片的11号引脚都一起与主控芯片的P2端口（21号引至2号8脚）相连接作为锁存控制。

74HC573芯片的11号脚为高电平状态时、2号至9号引脚同时处于高电平状态时，74HC573芯片的12号至19号脚为高电平，相对应的一个面的灯全部亮，当11号引脚为高电平且2号至9号引脚为低电平时，则
74HC573芯片的12号至19号引脚就是低电平，相对应的灯全部熄灭；当11号脚处于低电平状态是，2号至9号引脚无论处于哪种电平状态，12号至19号引脚的输出状态都不会变化。

STC12C5A60S2芯片与74HC573、ULN2803组成的核心控制电路可以控制立方体的任何一个LED灯的亮灭，从而显示既定的图案。

1.3 光立方工作原理
STC12C5A60S2芯片的P0端口传输相应图案的显示代码，然后把要控制的LED 灯扫描片选后传输给74HC573芯片，经过片选择一列LED灯，芯片可以将显示的数据传输给显示屏进行显示。

有时候必须考虑P0口需要添加上拉电阻，选择的上拉电阻通常为4.7 KΩ排电阻，使数据较为精确。

光立方的驱动电路分为层驱动和列驱动，层驱动通过对应的驱动电路由74HC573芯片选通或者关闭该控制层的所有LED的阳极并连接同列的LED的阴极，再分别与8个74HC573芯片的输出端相连，即可选通所控制层的LED灯并使得锁存器处于低电平状态，如此就会点亮相对应的LED灯。

光立方含有8个图像显示层，驱动电路将数据信号逐层传递并选通所对应的LED列，有8个74HC573锁存器分时分别控制该层的64颗LED灯。

利用74HC573芯片扩展的I/O端口可以很直
接的输入每层的数据，然后将层选通信号对相对应的层进行选通。

如此一来，整个光立方在就完成了一次周期内的扫描。

图4 光立方显示框图
选择这样的动态扫描对光立方进行扫描可以很灵活的运用了人体视觉的暂留特性。

采集的显示的连续若干帧画面进行快速和循环的显示，要求每一帧的显示速率超过24帧/秒以上。

那么，所显示的将是较为完整的，相对静止的图案。

电子行业中，这种动态扫描模式从某种程度上很大的的减少了信号线数量，因此被技术人员经常采用。

2 系统程序设计原理
软件设计包括按键程序、主程序、显示程序三大部分，软件功能结构框图见3。

光立方的采用查询程序代码来辨别等待显示的图案内容，主程序则是选择调用相对应的显示程序传送到显示控制端口进行执行。

图5 软件功能结构框图
STC12C5A60S2单片机片选每层64颗LED灯并将数据按照顺序传送到8个
74HC573芯片将数据锁存。

在逐层选通的时候要关闭其他7层的扫描信号，进过一段时间的延时后，传送关闭所在层的信号，如此循环操作，将8层扫描完形成
一个周期。

将LED显示划分为若干部分，画面显示过程：显示完一部分后，接着显示第二部分……直到显示完最后一部分后又重新开始显示第一部分，如此循环进行。

采用动态扫描显示模式，将一列扫描完后依照与这一列相对应数据的第n列对应的列数
据为数组中的第n和第n+7个元素。

把这些相应的数据由按照既定的顺序从控制端口传出进行显示。

向右逻辑移位所得结果通过单片机端口输出到锁存器，通过片选需要显示对应的锁存器在输出显示。

如此依次循环选通各列来显示所需画面，把显示的数据送到P0口，相应的锁存器接收数据，再把片选锁存器的数据送到端口，
相应锁存器接收数据并锁存输出显示，接着把下一组数据送到P0口，改变片选锁存器的数据，送到相应锁存器输出显示，直到把所有的数据局输出传送完毕后，显示完成后，退出显示程序，等待指令。

在动态扫描显示模式下，如果循环扫描速度足够快，人们眼睛看到的就是一幅相对稳定的静态画面。

换句话说采用动态扫描显示模式需要不断进行画面的刷新，利用人眼的延时特性就可以看见一幅稳定的画面。

根据程序设定的不同可以输出形式多种多样，可以静态输出图案，也可以动态、左移、右移、循环等花样显示。

3 测试
图6是进行硬件测试的效果，将PC机编译通过的LED光立方显示图案的代码烧
录到下位机，即可控制光立方循环显示既定的图案。

图6 实验显示效果
4 总结
本文设计了一个以STC12C5A60S2单片机为核心的8*8*8三维LED立方体系统，通过对每一个LED亮灭状态的控制显示丰富多彩的图案。

该系统设计简洁，可显
示静结合且稳定的图案，亮度均匀，制作成本低，具有一定的使用价值和经济效益。

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