摘 要

LED光立方是 512个LED灯组成的立方体，其有8行8列8层LED灯构成。除了完成了基本的静态显示要求，还设计了动态显示及亮度调整。

光立方使用的主控芯片宏晶科技公司生产的STC12C5A60S2单片机，使用ULN2803达林顿管芯片作为LED灯的层驱动电路，使用74HC573锁存器芯片作为LED灯的列驱动电路。整篇文章介绍了LED光立方的原理，方案选择、电路设计和软硬件调试等内容，完整的介绍了整个系统的制作过程。整个系统运行起来，能呈现出一个3D立体的动画效果，从而显示出更加丰富多彩的画面，打破了以前传统的平面显示方案，为将来LED灯技术发展提供了方向。

关键词： STC12C5A60S2单片机；74LS574锁存器；LED灯

Abstract

LED light cube is composed of 512 LED lights cube, which has 8 rows and 8 columns 8-layer LED lights constitute. In addition to the basic static display requirements, but also designed a dynamic display and brightness adjustment.

Light Cube used by the master chip macro crystal technology company STC12C5A60S2 single-chip, the use of ULN2803 Darlington tube chip as LED lamp layer drive circuit, the use of 74HC573 latch chip as LED driver circuit. The whole article introduces the principle of LED light cube, program selection, circuit design and hardware and software debugging and so on, a complete introduction to the entire system of the production process. The whole system to run, can present a 3D stereo animation effect, which shows a more colorful picture, breaking the previous traditional flat display program for the future development of LED light technology provides a direction.

Key Words：STC12C5A60S2 sing-chip；74LS574 latch；LED lights

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 III

第1章 绪论 1

1.1国内外LED显示屏的发展概况 1

1.2我国LED显示屏研究现状及发展趋势 1

1.3光立方设计的总体要求及基本思路 2

第2章系统总体方案设计 3

2.1 系统总体硬件方案选择 3

2.1.1 3D显示屏核心控制器 3

2.1.2 LED灯的选择 4

2.1.3电源电路 4

2.1.4 层驱动电路 4

2.1.5 输入输出口扩展芯片选择 5

2.1.6 编译器选择 5

2.2系统总体软件方案选择 5

2.2.1单片机编程语言 6

2.2.2系统软件编译器keil及其应用 6

2.3光立方设计原理简介 7

第3章 系统需求分析 10

3.1单片机介绍 10

3.2复位电路设计 10

第4章系统软件方案设计 11

4.1系统软件方案概述 11

4.2 主程序设计 11

4.3显示程序的设计 12

4.3.1 LED显示屏的数据传送 12

4.3.2显示程序的设计及举例 12

第5章 实物制作步骤 13

5.1外壳组装 13

5.2 LED灯焊接 13

第6章系统测试及仿真 15

6.1硬件系统测试 15

6.2软件系统测试 16

第7章总结 17

致 谢 19

第1章 绪论

1.1国内外LED显示屏的发展概况

由于LED的节能特点，世界各国对LED的研发生产都极为重视^[1]。在日本从1998年到2002年间，耗费50亿日元推行了LED灯的发展，到了2006年整个花了60亿日元的财政预算才完成用了白光LED灯照明替代50％的传统光源照明。再说美国2000年制定的能源法案中的“下一代照明计划”，这项计划是从2000年到2010年，总预算投资为5亿美元，实现用LED灯取代55%的白炽灯和荧光灯，由根据科学的预测，预计到2025年，照明用电将会因为固态照明光源的使而用减少一半，每年节电量转化为现金达350亿美元，可以形成一个超过500亿美元每年产值的的半导体照明产业市场^[2]。

LED点阵也早已融入到我们生活中，走在大街上到处都可以看见显示各种文字、图案的LED显示屏，人们早已看惯了那种平面显示的广告了。如何对LED屏进行创新，重新吸引人们的眼球呢？联想到现在的3D电影，3D电影给人们带来了视觉上的享受，如身临其境的感觉。从图书馆和网上查找LED灯的资料，了解到LED灯的技术特点：一是使用寿命长，单个LED灯寿命长达10万小时，二是节能，LED灯功耗非常低，三是基本没有电磁辐射。 LED灯还具有比数码管具有实用、便宜、高亮度等特点，并且做出了LED显示屏非常耐用。 LED灯具还具有低工作电压、低功耗、高亮度、长寿命、性能稳定、小型化和抗冲击等优点。目前，光立方已经用于娱乐室、会议室、家庭、大型音乐会、地标等城市布局和装饰的地方，也可以用于更广阔的领域，具有广阔的应用前景^[3]。

1.2我国LED显示屏研究现状及发展趋势

1）我国LED产业发展现状

在中国，LED产业兴起至今已达40余年，中国LED产业也已经逐渐追上了欧美日等发达国家，先后实现了自主生产器件、芯片和外延片。依据统计，LED灯具产品的市场渗透率逐年提高，各灯具制造商也把新产品研发定位聚焦于LED灯具产品。LED作为一项新技术带动着与其相关周边各种技术的发展，同时在发展中渐渐产生各种意想不到的问题，新的市场参与者也借着自身原有的优势来重新定义市场。现今我国已经已形成了多个国家半导体照明工程的产业化基地^[4]。附近年我国LED应用规模图表1.1

图1.1近年我国LED各应用领域规模：亿元

（2）LED显示屏的发展趋势

随着LED技术应用的越来越广泛，产品更加的多样，LED产业正向着低成本、高亮度的方向发展，产业的竞争主要的焦点都集中在白光LED灯和蓝/紫光LED灯和大功率高亮度LED芯片上^[5]。

LED灯的耗能为白炽灯的十几分之一，但是其寿命极长为白炽灯的三倍，但这一实惠耐用的好产品，在我们生活中却是并不方便购买，基本都还是在网上通过一些网店来购买，要知道这么用电省可持续使用长的好灯泡的价格却只与节能灯差不多。在此长足的发展下，可以预见的，不久的将来，这个世界将会进入LED被广泛使用时代。其优越的性能，必将使它逐步带起白炽灯等光源^[6]。近年LED灯价格走势如下图1.2。

图1.2近年LED灯价格走势图

1.3光立方设计的总体要求及基本思路

我们这一次毕业设计所要求的是制作一个8*8*8的光立方，而且此光光立方还能实现光立方的显示^[7]。最简单的显示模式是静态显示。本次设计，我们目标除了静态显示外同时还有动态显示已经LED灯连读调节。

LED光立方由512个LED灯组成，其每层有8行8列总共64个LED灯，总共有8层。每层的64个LED灯阴极接一起然后与8个74HC573锁存器芯片的输出端相连，然后每层阳极接到一起，与UNL2803达林顿管芯片的输出端相连^[8]。

其显示原理如下，先通过单片机控制ULN2803芯片的某个引脚输出高电平，控制光立方的第一层，然后用控制锁存器芯片来控制哪几列的灯亮，然后给个5mS的延时，在把ULN2803芯片的另外引脚输出高电平，然后在来控制锁存器芯片。如此快速的切换芯片的高低电平输出，就达到了动态显示的效果。其中有个人眼视觉暂留原理，人眼的分辨率是每秒24帧，当我将LED灯切换速度足够快，在人眼看了，那就是一副立体的画面了^[9]。

第2章 系统总体方案设计

本节是该设计的方案论证部分，在本次设计中我们即从多方面综合的比较我们这次所采用的芯片，也论述了经过仔细的研究后决定所选择的器件、编程软件以及略微的介绍了一部分光立方的原理。

2.1 系统总体硬件方案选择

2.1.1 3D显示屏核心控制器

控制器是系统核心部分，其功能可以实现与上位机通信接收上位机发送的数据和控制指令经处理过后控制显示屏显示内容。其常用的电子设计方法有单片机、DSP、及EDA技术^[10]。

方案一：单片机

单片机是一种微型计算机。它除了适合于工业控制外还在我们生活中皆有表现，家电、常用电子设备都统统离不开这一块小小的单片机。现今单片机种类繁多，8位、16位、32位及到64位机应有尽有，单片机们上面有的集成了A/D，有的集成了D/A，我们可以根据各自需求选择。但是对于我们所需要的这种功能不算繁杂的需求而言，价格相对较低。除此单片机还同事具有低功耗及低电压的特点。

方案二：FPGA

FPGA即现场可编程门阵列是一种可以编程的硬件芯片，使用Verilog语言能对它进行编程并实现很多硬件的功能。它相比其他更加擅长实现硬件并行工作，它是在各类可编程器件基础上更进一步发展出来的产物^[11]。它是既克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点又解决了定制电路的不足。但由于FPGA的开发难度相对较大，成本高，LED光立方系统中用FPGA来开发很不划算。

方案三：EDA

EDA是电子设计自动化的意思，相较于FPGA是一种芯片而言，它是一种技术，另一方面，EDA技术包括VHDL代码，仿真、综合或者编写verilog代码^[12]。EDA技术就是基于FPGA硬件开发板使用各类软件开发各种电子的自动化功能

根据我们上面所谈的，三种方案虽然都够实现控制功能且各有优点，但是单片机的低技术门槛，低开发成本所带来的与初学者的匹配程度是其他两个方案远不能及的。最终决定选用方案一。

2.1.2 LED灯的选择

LED灯是种类似电灯的光源，如果想要使其发光可以在他两端加适当的正电压。其特点中最有利的，就是它体积小耗电低。这对我们很有利^[13]。由此，我们需要选一下其型号。

1）按发光点直径分类

室内屏：有灯的直径基本可以分为3毫米直径、3.75毫米直径、5毫米直径这三种。

室外屏：由于本次实验主要为了演示及引导学生，所以所做光立方相对较小，而室外屏所用LED灯皆相对较大，不适合展示及室内使用。

2）按灯的颜色分类

1.全使用单色灯，例如纯红、纯紫、纯绿等颜色。

2.两色灯混用，选择两个基色混用，信息量相对单色高而原件成本不变，然而相对全采用单色灯制作成本较高，且色杂不实用。

3.全彩色显示屏，通过三种基色来达到显示多种多样颜色的目的，然而这只适用于一块较大的显示屏，这与我们研究原理的目的不符^[14]。

由上所述，我们最终选用全单色灯制作我们的光立方。型号选用的是蓝光雾装LED灯，这款灯采至淘宝，横向比较下这一款色彩鲜明亮度可变且价格优惠，所以最终选定这一款。

2.1.3电源电路

方案一：电源线供电。并不内设电源，直接通过外接电源供电（中间需要使用变压器变压）。这并不方便但是有力的减小了光立方的内设空间，使得光立方设计空间更加宽泛。

方案二：采用干电池或锂电池作为LED光立方的供电源，优点是方便，不需要携带额外的配件。但是缺点在于若使用干电池或锂电池便需经常更换电池，维护成本较高，且设备相对较贵。