摘 要： 為解決二維LED顯示單調(diào)與立體感差的問題,，提出了以STC12c5a60s2為核心芯片,，輔以ULN2803芯片和74HC573芯片對大功率的512個LED燈驅(qū)動來實現(xiàn)3D顯示的設(shè)計方案。通過對3D顯示屏原理分析,，結(jié)合硬件電路設(shè)計與軟件編程,，完成了8×8×8的顯示屏光立方制作，并給出了最終的交替變換動態(tài)效果,。該設(shè)計不僅產(chǎn)生了一種良好的視覺效果,，而且為其他三維效果廣告設(shè)計提供了重要的參考價值。
關(guān)鍵詞： 單片機,；光立方,；LED點陣；STC12c5a60s2
0 引言
常見的LED顯示以平面（二維）顯示為主,，這種顯示技術(shù)相當(dāng)成熟,，賓館、飯店,、公司及娛樂場所都可看到各式各樣的二維廣告流水燈,。然而這種平面效果的顯示設(shè)計因單調(diào)性和立體感差已不能滿足人們對LED效果的觀賞性要求，因此在二維顯示屏基礎(chǔ)上,，開發(fā)設(shè)計三維（3D）LED顯示屏非常有必要,。3D顯示屏是以LED發(fā)光二極管為基本單元組成的顯示器，因其畫面鮮艷逼真,、立體感強等特點逐漸進入人們的視野[1-2],，被人們接受和認(rèn)可。
本文建立三維立體模型,，利用X,、Y、Z三軸,，采用STC12c5a60s2核心芯片,，輔以ULN2803芯片和74HC573芯片實現(xiàn)大功率的512個LED驅(qū)動，達到3D顯示的目的,。該設(shè)計具有以下特點：（1）外觀設(shè)計簡單美觀,；（2）實現(xiàn)圖形的動靜態(tài)效果顯示，穩(wěn)定性好,，抗干擾性強,；（3）程序靈活可變，可局域性更改,，實現(xiàn)畫面的自定義,，使得圖形在數(shù)字、字母,、三維立體圖形之間任意交替動態(tài)變換,；（4）此設(shè)計可為其他三維效果設(shè)計開拓思路,，提供實踐依據(jù)。
1 總體方案設(shè)計
3D顯示屏由512個LED燈構(gòu)建的三維LED點陣模塊及相應(yīng)的控制系統(tǒng)構(gòu)成[3-4],。其外觀規(guī)格為18 cm×18 cm×18 cm,，各相鄰兩燈間距約為25.6 mm。系統(tǒng)通過二維8×8的LED驅(qū)動電路控制XY基面,，依次沿Z軸方向?qū)崿F(xiàn)8次掃描,，恰好完成一次整體的8×8×8 LED從底面到最高面的掃描,。整體模型用X,、Y、Z三軸模擬,，其X軸控制鎖存器使能端,，Y軸控制鎖存器數(shù)據(jù)端，X,、Y軸控制XY基面,，Z軸控制層面，如圖1所示,。利用人眼的視覺暫留效應(yīng),，分時段刷新每一層面數(shù)據(jù)就可達到立體顯示的動靜態(tài)效果。
本設(shè)計采用STC12c5a60s2單片機為核心芯片,，該芯片不僅具有運算速度快,、功率損耗低、抗干擾能力強等優(yōu)點,，而且內(nèi)部功能完全兼并8051,；同時集成了MAX810專用的復(fù)位電路，簡化了傳統(tǒng)的電路設(shè)計,；其內(nèi)部還具有8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換和2路PWM,，能適應(yīng)電機控制以及干擾性較強的場合。ULN2803作為整體LED的8位共陰極驅(qū)動芯片以增強驅(qū)動電流的能力,。采用8片規(guī)格完全相同的鎖存器74HC573對LED陽極端口控制,，可實現(xiàn)圖形穩(wěn)定顯示、動態(tài)快速變換,、亮度逐級可調(diào)等功能,。系統(tǒng)的總體框圖如圖2所示。
2 硬件設(shè)計
2.1 MCU主控模塊
本系統(tǒng)采用STC12c5a60s2單片機為核心芯片,，內(nèi)部自帶高達60 KB的Flash ROM和1 280 B RAM數(shù)據(jù)儲存器,，4組8 bit的I/O口。其中P0端口與74HC573數(shù)據(jù)輸入端口相連,，發(fā)送陽極數(shù)據(jù),，對應(yīng)Y軸,；P1口與ULN2803數(shù)據(jù)輸入端口相連，發(fā)送陰極數(shù)據(jù),，對應(yīng)Z軸,；P2口與74HC573使能端口相連，發(fā)送片選信號數(shù)據(jù),，對應(yīng)X軸,。XTAL1和XTAL2分別連接12 MHz晶振兩端，串連30 pF電容C1,、C2后接地,，其晶振可滿足運行速度的要求。由于STC12c5a60s2芯片自帶復(fù)位電路,，因此忽略了電路中復(fù)位電路環(huán)節(jié),，簡化了電路設(shè)計。主控電路如圖3所示,。
2.2 驅(qū)動模塊設(shè)計
2.2.1 模塊ULN2803設(shè)計
由于本設(shè)計中LED較多,，單片機本身的驅(qū)動能力顯得不足，考慮到ULN2803模塊具有較強的灌電流能力,，因此作為共陰極（Z軸）驅(qū)動,，其中com端口接地，1C~8C分別對應(yīng)主控器的P1.0~P1.7端口,，輸出端口1B~8B分別對應(yīng)LED點陣的8個共陰極端口[5],。最初實驗中采用ULN2803模塊，電流還是未能滿足設(shè)計要求,，因此增加了圖4所示的外部灌電流驅(qū)動電路,，實驗效果明顯改善。
2.2.2 74HC573模塊設(shè)計
本設(shè)計采用74HC573模塊對陽極束（Y軸）進行并行輸入并行輸出控制,。其具有以下優(yōu)點：（1）具備高阻態(tài)功能,，輸出既不是高電平，也不是低電平,，而是高阻抗?fàn)顟B(tài),，在這種狀態(tài)下，可將多個芯片并聯(lián)輸出,，同時控制,；（2）具備數(shù)據(jù)鎖存功能，當(dāng)輸入的數(shù)據(jù)消失時,，在芯片的輸出端數(shù)據(jù)仍然保持,；（3）具備數(shù)據(jù)緩沖功能，可加強電路的驅(qū)動能力。
74HC573模塊驅(qū)動電路如圖5所示,。8片鎖存器使能端OE口均接地,，LE鎖存端口P2.i分別與主控系統(tǒng)中P2對應(yīng)的第i位端口相連，8位數(shù)據(jù)輸入端口D0~D7分別與主控系統(tǒng)P0口并行連接,，8位數(shù)據(jù)輸出端口Q0~Q7分別與對應(yīng)8列X軸即64位陽極束連接,。
3 軟件設(shè)計
本實驗3D顯示屏LED點陣模塊是在二維的基礎(chǔ)上通過層疊加原理實現(xiàn)的[6]，因此可將三維8×8×8模型看作是64×8的平面模型,，即對應(yīng)的XY面與Z面的相互作用模型,。其中64看作陽極束，一片74HC573芯片輸出端為8位,，恰好設(shè)計8片74HC573芯片控制64位陽極束,。8看作陰極束，用一片ULN2803芯片控制,。因此64×8對應(yīng)了全部的512位即512個LED燈,。每一位采用狀態(tài)0或1可對其進行亮或滅控制，實現(xiàn)三維LED燈的發(fā)光或熄滅,。
此設(shè)計采用X、Y,、Z三軸三維模型模擬,，其中任意LED燈的坐標(biāo)為LED（X，Y,，Z）,，坐標(biāo)范圍均為0~7。當(dāng)要（3,，4,，5）點坐標(biāo)燈亮，控制其Z=4處平面燈全亮即輸入端口為高電平1,，其余為低電平0,；Y=3處平面燈全亮即輸入端口為高電平1，其余為低電平0,；X=2處平面輸入端口對Y=3處平面數(shù)據(jù)進行鎖存即由高電平1變?yōu)榈碗娖?,，這樣便可實現(xiàn)LED（3，4,，5）坐標(biāo)燈保持高亮,，其余燈熄滅。由此通過點可實現(xiàn)線,、面,、體以及兩兩結(jié)合組成的各種三維立體動靜態(tài)圖形顯示。由于動畫顯示只有大于15幀時人眼才可看到流暢的動態(tài)效果,，因此在動態(tài)圖形中掃描周期必須小于（1/15）s,，即每層停留的時間t最多為（1/15）×（1/8）[7],。此效果的顯示都是通過軟件來實現(xiàn)的，這里顯示一個簡單的動態(tài)沙漏程序,，代碼如下：
void shalou（）
{ int i,，j，d,；
chushihua（）,； //初始化函數(shù)
for （j=0；j<8,；j++）
{
For （d=0,；d<5*（8-j）；d++）
{
For （i=0,；i<=j,；i++）
{
CLEAR（）； //清屏函數(shù)
P0=SHALOU[i],； //Y軸掃描數(shù)據(jù)
P2=SHALOU[i],； //X軸存入高電平數(shù)據(jù)
P2=0x00； //X軸低電平鎖存數(shù)據(jù)
P1=0x80>>i,； //Z軸發(fā)送層掃描函數(shù)
Delayms（5）,；
}
}
}
For （j=7；j>=0,；j--）
{
For （d=0,；d<5*（8-j）；d++）
{
For （i=0,；i<=j,；i++）
{
CLEAR（）；
P0=SHALOU[i],； //Y軸掃描數(shù)據(jù)
P2=SHALOU[i],； //X軸存入高電平數(shù)據(jù)
P2=0x00； //X軸低電平鎖存數(shù)據(jù)
P1=0x01<<i,； //Z軸發(fā)送層掃描函數(shù)
Delayms（5）,；
}
}
}
}
實現(xiàn)該代碼的思路流程如圖6所示。
4 仿真效果
本設(shè)計通過硬件電路設(shè)計與軟件編程實現(xiàn)了3D效果顯示,，如圖7所示,。其中，圖7（a）為動態(tài)沙漏的某一瞬間截取圖,；圖7（b）為動態(tài)桃心的某一瞬間截取圖,；圖7（c）為動態(tài)平面前后掃面的某一瞬間截取圖；圖7（d）為整體靜態(tài)顯示圖。從圖7（a）,、（b）可明顯看出圖形的立體層次感,；從圖7（c）、（d）可看出,，與平面二維效果相比,，三維立體方位感更強、更真實,。
5 結(jié)論
本文實現(xiàn)了從開始的硬件設(shè)計到最終的軟件仿真,，達到了以下目的：（1）該電路設(shè)計合理，不僅圖形的穩(wěn)定性好,，而且觀賞性強,，為其他三維效果設(shè)計提供了一定的實踐基礎(chǔ)；（2）從仿真結(jié)果可看出三維效果比二維效果立體感更強,、更真實,，該設(shè)計方案是以后各立體效果圖形設(shè)計采納的主流趨勢。然而,，由于條件限制,，通過A/D轉(zhuǎn)換音頻控制LED未能進一步設(shè)計，將在以后的工作中利用離散傅里葉光學(xué)變換展開研究,。
參考文獻
[1] 康志強,，汪佳，湯勇明.基于FPGA的3D光立方設(shè)計[J].電子器件,，2012，35（6）：683-686.
[2] 王欣,，馬青玉.基于Arduino的LED光立方設(shè)計[J].南京師范大學(xué)學(xué)報,，2013，13（4）：24-28.
[3] 楊永剛.3D光立方的設(shè)計與制作[J].電子世界,，2014（6）：129.
[4] 劉小平,，李志遠.單片機版光立方的制作[J].無線電，2012（10）：70-74.
[5] 楊清德.LED驅(qū)動電路設(shè)計與工程施工案例精講[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,，2010.
[6] 楊富強,，朱利強.基于單片機的LED點陣動態(tài)顯示系統(tǒng)[J].工業(yè)控制計算機，2013,，26（1）：101-102.
[7] 蘇珊,，肖英，李行杰.基于STC單片機的8×8×8 LED光立方系統(tǒng)設(shè)計[J].吉林大學(xué)學(xué)報,，2013,，34（6）：33-36.