基于STC12c5a60s2單片機(jī)的3D顯示屏設(shè)計(jì)*

侯　龍，劉海順，劉慶玲，張　義（中國礦業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

基于STC12c5a60s2單片機(jī)的3D顯示屏設(shè)計(jì)*

侯龍，劉海順，劉慶玲，張義
（中國礦業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

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(gè)LED燈驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)3D顯示的設(shè)計(jì)方案。通過對3D顯示屏原理分析，結(jié)合硬件電路設(shè)計(jì)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(dòng)態(tài)效果。該設(shè)計(jì)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(jì)提供了重要的參考價(jià)值。

單片機(jī)；光立方；LED點(diǎn)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(jì)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(jì)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(qiáng)等特點(diǎn)逐漸進(jìn)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(shí)現(xiàn)大功率的512個(gè)LED驅(qū)動(dòng)，達(dá)到3D顯示的目的。該設(shè)計(jì)具有以下特點(diǎn)：（1）外觀設(shè)計(jì)簡單美觀；（2）實(shí)現(xiàn)圖形的動(dòng)靜態(tài)效果顯示，穩(wěn)定性好，抗干擾性強(qiáng)；（3）程序靈活可變，可局域性更改，實(shí)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(dòng)態(tài)變換；（4）此設(shè)計(jì)可為其他三維效果設(shè)計(jì)開拓思路，提供實(shí)踐依據(jù)。

1　總體方案設(shè)計(jì)

3D顯示屏由512個(gè)LED燈構(gòu)建的三維LED點(diǎn)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(dòng)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(shí)段刷新每一層面數(shù)據(jù)就可達(dá)到立體顯示的動(dòng)靜態(tài)效果。

圖1　3D顯示屏光立方基本構(gòu)架設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用 STC12c5a60s2單片機(jī)為核心芯片，該芯片不僅具有運(yùn)算速度快、功率損耗低、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，而且內(nèi)部功能完全兼并8051；同時(shí)集成了MAX810專用的復(fù)位電路，簡化了傳統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)；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(jī)控制以及干擾性較強(qiáng)的場合。ULN2803作為整體LED的8位共陰極驅(qū)動(dòng)芯片以增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)圖形穩(wěn)定顯示、動(dòng)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。

圖2　系統(tǒng)總體框圖

2　硬件設(shè)計(jì)

2.1MCU主控模塊

本系統(tǒng)采用 STC12c5a60s2單片機(jī)為核心芯片，內(nèi)部自帶高達(dá)60 KB的Flash ROM和1 280 B RAM數(shù)據(jù)儲(chǔ)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(hào)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(yùn)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(jì)。主控電路如圖3所示。

圖3　MCU主控電路

2.2驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

2.2.1模塊ULN2803設(shè)計(jì)

由于本設(shè)計(jì)中LED較多，單片機(jī)本身的驅(qū)動(dòng)能力顯得不足，考慮到ULN2803模塊具有較強(qiáng)的灌電流能力，因此作為共陰極（Z軸）驅(qū)動(dòng)，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(diǎn)陣的8個(gè)共陰極端口［5］。最初實(shí)驗(yàn)中采用ULN2803模塊，電流還是未能滿足設(shè)計(jì)要求，因此增加了圖4所示的外部灌電流驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)驗(yàn)效果明顯改善。

圖4　ULN2803模塊驅(qū)動(dòng)電路

2.2.274HC573模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用 74HC573模塊對陽極束（Y軸）進(jìn)行并行輸入并行輸出控制。其具有以下優(yōu)點(diǎn)：（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(gè)芯片并聯(lián)輸出，同時(shí)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(shí)，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(qiáng)電路的驅(qū)動(dòng)能力。

74HC573模塊驅(qū)動(dòng)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。

圖5　74HC573模塊驅(qū)動(dòng)電路

3　軟件設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)3D顯示屏LED點(diǎn)陣模塊是在二維的基礎(chǔ)上通過層疊加原理實(shí)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(jì)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(gè)LED燈。每一位采用狀態(tài)0或1可對其進(jìn)行亮或滅控制，實(shí)現(xiàn)三維LED燈的發(fā)光或熄滅。

此設(shè)計(jì)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(diǎn)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(jìn)行鎖存即由高電平1變?yōu)榈碗娖?，這樣便可實(shí)現(xiàn) LED（3，4，5）坐標(biāo)燈保持高亮，其余燈熄滅。由此通過點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)線、面、體以及兩兩結(jié)合組成的各種三維立體動(dòng)靜態(tài)圖形顯示。由于動(dòng)畫顯示只有大于15幀時(shí)人眼才可看到流暢的動(dòng)態(tài)效果，因此在動(dòng)態(tài)圖形中掃描周期必須小于（1/15）s，即每層停留的時(shí)間t最多為（1/15）×（1/8）［7］。此效果的顯示都是通過軟件來實(shí)現(xiàn)的，這里顯示一個(gè)簡單的動(dòng)態(tài)沙漏程序，代碼如下：

實(shí)現(xiàn)該代碼的思路流程如圖6所示。

4　仿真效果

本設(shè)計(jì)通過硬件電路設(shè)計(jì)與軟件編程實(shí)現(xiàn)了3D效果顯示，如圖7所示。其中，圖 7（a）為動(dòng)態(tài)沙漏的某一瞬間截取圖；圖7（b）為動(dòng)態(tài)桃心的某一瞬間截取圖；圖7（c）為動(dòng)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(qiáng)、更真實(shí)。

圖6　代碼思路流程圖

圖7　局部效果顯示

5　結(jié)論

本文實(shí)現(xiàn)了從開始的硬件設(shè)計(jì)到最終的軟件仿真，達(dá)到了以下目的：（1）該電路設(shè)計(jì)合理，不僅圖形的穩(wěn)定性好，而且觀賞性強(qiáng)，為其他三維效果設(shè)計(jì)提供了一定的實(shí)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(qiáng)、更真實(shí)，該設(shè)計(jì)方案是以后各立體效果圖形設(shè)計(jì)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(jìn)一步設(shè)計(jì)，將在以后的工作中利用離散傅里葉光學(xué)變換展開研究。

［1］康志強(qiáng)，汪佳，湯勇明.基于 FPGA的3D光立方設(shè)計(jì)［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(jì)［J］.南京師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，13（4）：24-28.

［3］楊永剛.3D光立方的設(shè)計(jì)與制作 ［J］.電子世界，2014 （6）：129.

［4］劉小平，李志遠(yuǎn).單片機(jī)版光立方的制作［J］.無線電，2012（10）：70-74.

［5］楊清德.LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)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(qiáng)，朱利強(qiáng).基于單片機(jī)的LED點(diǎn)陣動(dòng)態(tài)顯示系統(tǒng)［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2013，26（1）：101-102.

［7］蘇珊，肖英，李行杰.基于 STC單片機(jī)的 8×8×8 LED光立方系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，34（6）：33-36.

Design of 3D screen based on STC12c5a60s2 microcontroller

Hou Long，Liu Haishun，Liu Qingling，Zhang Yi
（School of Sciences，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China）

In order to overcome the shortcomings such as drab display and poor stereo feeling of 2D LED screen，a design scheme of 3D display is proposed to obtain high power to drive the 512 LED lamps by using STC12c5a60s2 as the core chip，74HC573 and ULN2803 as the auxiliary chip.Through analyzing the theory of 3D screen，combining hardware circuit design and software programming，a screen cube of 8×8×8 is designed and the final alternating dynamic effect is implemented.This design not only shows a good visual effect，but also provides an important reference for other 3D advertisement design.

microcontroller；light cube；LED lattice；STC12c5a60s2

TP273

A

1674-7720（2015）02-0091-03

（2014-09-28）

侯龍（1988－），男，碩士，主要研究方向：光學(xué)，電子學(xué)。

劉海順（1970－），通信作者，男，學(xué)士，教授，主要研究方向：納米晶合金與傳感器設(shè)計(jì)，E-mail：Liuhaishun@126.com。

劉慶玲（1990－），女，碩士，主要研究方向：凝聚態(tài)光學(xué)。