基于单片机的8×8×8光立方设计
摘 要
本设计制作出一个三维立体显示图案的LED光立方。本产品不仅可以像发光二极管点阵一样显示平面的静态或动态画面，还可以显示立体的静态或动态画面，打破了传统的平面显示方案。光立方是一个长、宽、高由8×8×8个LED灯组成的真实3D立方体显示器。其最大的特点，就是带给观赏者立体的超酷的3D视觉体验，本设计的硬件主要分为三个模块：主控模块、驱动模块和显示模块，主控模块采用AT89S52 芯片，驱动模块采用八个移位寄存器芯片，显示电路是利用寄存芯片控制每一面灯，最后用8个寄存芯片控制整个光立方。本设计采用C语言编程，通过对单片机编程来控制LED灯的亮灭，采用延时来控制LED灯亮灭的时间长短，最终使得整个立体展现不同的造型和图案，使其变得美轮美奂、绚丽多彩。
关键词 AT89S52 单片机，led灯 ，C语言 ，8×8×8
ABSTRACT
This design makes a three-dimensional display pattern of LED light cube. This product can not only display the static or dynamic picture of the plane as the light emitting diode lattice, but also display the static or dynamic picture of the three-dimensional, breaking the traditional plane display scheme. Optical cube is a real 3D cube display consisting of 8 *8 *8 LED lamps with long, wide and high height. Its greatest feature is to bring viewers three-dimensional super-cool 3D visual experience. The hardware of this design is mainly divided into three modules: main control module, driver module and display module. The main control module uses AT89S52 chip, and the driving module uses eight shift register chips. The display circuit uses register chips to control each side of the lamp, and finally uses eight register chips to control the whole light stand. Fang. This design uses C language programming, through the single-chip computer programming to control the LED lights on and off, using delay to control the length of the LED lights on and off, and ultimately makes the whole three-dimensional display of different shapes and patterns, making it beautiful and colorful.
Key words AT89S52 single chip computer, led lamp, C language, 8 *8 *8
目录
摘 要 I
ABSTRACT 2
1.绪 论 4
1.1 课题研究的目的意义 4
1.2 国内外研究现状 4
1.3 设计内容及章节安排 5
1.3.1 设计主要内容 5
1.3.2 章节安排 5
2 系统总体方案设计 6
2.1 系统总体硬件方案选择 6
2.1.1 3D显示屏核心控制器 6
2.1.2 电源电路 7
2.1.3 IO口扩展芯片 8
2.1.4 层面控制驱动电路 8
2.1.5 串口通讯芯片的选择 8
2.1.6 LED发光显示二级管 9
2.1.7 硬件电路绘图软件 9
2.2 系统总体软件方案选择 10
2.2.1 单片机编程语言 11
2.2.2 系统软件编译器WAVE介绍 11
3 系统硬件方案设计 13
3.1 硬件整体设计概述及功能分析 13
3.2 电源供电系统设计 13
3.3 51系列单片机简介 14
3.3.1 时钟电路设计 14
3.3.2 复位电路设计 16
3.4 驱动电路设计 16
3.4.1 层驱动电路设计 16
3.4.2 列驱动电路设计 18
3.5 通信系统硬件设计 19
3.6 光立方的制作及工作原理介绍 20
3.6.1 3D LED光立方搭接 20
3.6.2 3D LED光立方工作原理 23
4. 系统软件设计 26
4.1 软件编译流程 26
4.2 软件设计流程 30
4.3 显示程序设计 31
4.3.1 LED显示的数据传送 31
4.3.2 显示程序的设计 32
5. 系统分析与调试 33
5.1 硬件调试 33
5.2 软件调试 33
5.3 效果展示 34
6 系统测试及仿真 35
6.1 硬件系统测试 35
6.2 软件系统测试 36
6.3 系统总体测试 36
6.4 系统测试结果与结论 37
6.4.1 测试结果分析 37
6.4.2 测试结论 37
参考文献 38
附录B 电路原理图 1
附录C 程序清单 3
1.绪 论
1.1 课题研究的目的意义
所谓“光立方”：就是在平面LED基础上发展起来的新的显示技术，通过复杂的程序控制，在三维空间能够显示具有立体感的图形、动画等。3D光立方是由LED灯组成，由于发光二级管质量比较稳定，使用寿命长，不用频繁地去更换，能减少成本，更节能。在网上可以看到用各种色彩的LED制作出来的各种热卖的光体形状，包括长方体、立方体、不规则形状等，形状和色彩多样，很漂亮。本次采用LED灯制作立方体，也即3D光立方。3D光立方作为一种特殊的显示资源，已用于一些广告行业、家庭、娱乐厅、会议室、大型演唱会、城市地标广场等场所的布置和装饰，还可以用于更广泛方面，具有广阔的应用前景。光立方的研究极具创意和启发，而且可以低成本、高效益的研究未来的3D技术。
1.2 国内外研究现状
光立方在北京奥运会以及上海无线电展世博会都有相关应用。光立方在2009年国庆联欢晚会上面世，由四千多棵光艺高科技“发光树”组成。它以精美璀璨、千变万化、动感流畅的表演,成为当晚天安门广场的视觉核心。“光立方”是由4028棵“发光树”组成的方形“地面视频”区域。
“光立方”可以根据爱国歌曲的不同内容，展示不同的造型和图案。吸引了众多人的眼球。2011年9月3日，在上海举办的中国无线电展上，CUBE8光立方被摆放在《无线电》杂志的展台上。
同时“光立方”手电筒也在在上海世博会主题馆、中国馆得到使用。目前在国内外，人们越来越注重于节能灯的使用，而LED灯已经在欧洲以及德国众多地方的照明行业首屈一指，因此在这个大的背景下使用LED灯作为研究，更是顺应潮流。此外，3D光立方的研究还可应用于未来的3D手机、3D电视机等等屏幕的场合,其研究很有未来市场。
1.3 设计内容及章节安排
本设计采用横向为8颗LED,纵向也为8颗，总共8层，组成8*8*8的光立方。硬件主要分为三个模块：控制模块、I/O扩展模块和驱动模块、显示模块等。主控芯片选用STC公司的52系列芯片，扩展和驱动电路主要采用74HC573芯片，显示模块为8*8*8的光立方。采用延时控制的方式，单片机由C51编写的控制程序控制LED的亮灭，使整个3D光立方动态展现多种造型和图案，产生绚丽多彩的显示效果。此外另外增加一个音频控制模块播报显示内容。
1.3.1 设计主要内容
(1)完成3D光立方总体设计方案。
(2)完成控制模块的设计与制作。
(3)完成驱动模块的设计与制作。
(4)完成3D光立方显示部分的设计与制作。
(5)音频模块设计。
(6)完成光立方的系统调试。
参考文献
[1] 关积珍.LED显示屏发展状况及趋势[J].世界电子元器件，2000， (02)：277-301.
[2] 关积珍，陆家和. 我国LED显示屏技术和产业发展及展望.现代显示，2004，(02)：34-37.
[3] Jeyamkondan S，Jayas D S，Holly R A.16x16 dot matrix LED has 4mm profile. Electronics Weekly，11/26/2003 Issue 2125，36-36，1/9p，1c；(AN 11842012).
[4] 缪思恩 LED大屏幕显示电路设计[J].电子技术应用，1996，(08)：56-77.
[5] Dave Jackson. 关于DSP芯片的问与答.今日电子 ，1998，(12)：1-7.
[6] 卢弥坚.主从分布式LED大屏幕显示系统[J].电脑与信息技术，1997，(04)：6-13.
[7] 高胜东，梁采，张宏富.一种LED大屏幕显示系统[J].成都气象学院学报，1998，(03)：108-120.
[8] 张全福.汇编语言程序设计实验教学改革与探索.教学研究，2005，(06)：3-5.
[9] 文哲雄.用单片机控制LED显示屏[D].佛山：佛山科学技术学院，1995，(05)：5-10.
[10] 郑刚，李宇成.LED大屏幕显示系统的设计[J].北方工业大学学报，2001，（03）：43-47.
[11] 李元生. LED光柱专用驱动器[J]. 家庭电子，2005，(04)：1-7.
[12] 陈新忠.基于RS232总线的单片机多机通信软件设计[J].现代电子技术，2002，(03) ：56-78.
[13] 李桂平.LED屏幕显示器的设计[J].零陵师范学院学报，2002，(09)：367-380.
[14] David F Rogers.Computer graphics algorithm[M].Beijing：China Machine Press，2002：97-99.
[15] Marston， R.. Radio-Electronics， Working with LED display drivers[J]. Mar1992， Vol. 63 Issue 3 658p，3 charts，23 diagrams； (AN 9206290756).
