描述

摘要：为解决二维LED显示单调与立体感差的问题，提出了以STC12c5a60s2为核心芯片，辅以ULN2803芯片和74HC573芯片对大功率的512个LED灯驱动来实现3D显示的设计方案。通过对3D显示屏原理分析，结合硬件电路设计与软件编程，完成了8×8×8的显示屏光立方制作，并给出了最终的交替变换动态效果。

1、总体方案设计

3D显示屏由512个LED灯构建的三维LED点阵模块及相应的控制系统构成［3-4］。其外观规格为18cm×18cm×18cm，各相邻两灯间距约为25.6mm。系统通过二维8×8的LED驱动电路控制XY基面，依次沿Z轴方向实现8次扫描，恰好完成一次整体的8×8×8LED从底面到最高面的扫描。整体模型用X、Y、Z三轴模拟，其X轴控制锁存器使能端，Y轴控制锁存器数据端，X、Y轴控制XY基面，Z轴控制层面，如图1所示。利用人眼的视觉暂留效应，分时段刷新每一层面数据就可达到立体显示的动静态效果。

本设计采用STC12c5a60s2单片机为核心芯片，该芯片不仅具有运算速度快、功率损耗低、抗干扰能力强等优点，而且内部功能完全兼并8051；同时集成了MAX810专用的复位电路，简化了传统的电路设计；其内部还具有8路高速10位A/D转换和2路PWM，能适应电机控制以及干扰性较强的场合。ULN2803作为整体LED的8位共阴极驱动芯片以增强驱动电流的能力。采用8片规格完全相同的锁存器74HC573对LED阳极端口控制，可实现图形稳定显示、动态快速变换、亮度逐级可调等功能。系统的总体框图如图2所示。

2、硬件设计

2.1MCU主控模块

本系统采用STC12c5a60s2单片机为核心芯片，内部自带高达60KB的FlashROM和1280BRAM数据储存器，4组8bit的I/O口。其中P0端口与74HC573数据输入端口相连，发送阳极数据，对应Y轴；P1口与ULN2803数据输入端口相连，发送阴极数据，对应Z轴；P2口与74HC573使能端口相连，发送片选信号数据，对应X轴。XTAL1和XTAL2分别连接12MHz晶振两端，串连30pF电容C1、C2后接地，其晶振可满足运行速度的要求。由于STC12c5a60s2芯片自带复位电路，因此忽略了电路中复位电路环节，简化了电路设计。主控电路如图3所示。

2.2驱动模块设计

2.2.1模块ULN2803设计

由于本设计中LED较多，单片机本身的驱动能力显得不足，考虑到ULN2803模块具有较强的灌电流能力，因此作为共阴极(Z轴)驱动，其中com端口接地，1C~8C分别对应主控器的P1.0~P1.7端口，输出端口1B~8B分别对应LED点阵的8个共阴极端口［5］。最初实验中采用ULN2803模块，电流还是未能满足设计要求，因此增加了图4所示的外部灌电流驱动电路，实验效果明显改善。

2.2.274HC573模块设计

本设计采用74HC573模块对阳极束(Y轴)进行并行输入并行输出控制。其具有以下优点：(1)具备高阻态功能，输出既不是高电平，也不是低电平，而是高阻抗状态，在这种状态下，可将多个芯片并联输出，同时控制；(2)具备数据锁存功能，当输入的数据消失时，在芯片的输出端数据仍然保持；(3)具备数据缓冲功能，可加强电路的驱动能力。

74HC573模块驱动电路如图5所示。8片锁存器使能端OE口均接地，LE锁存端口P2.i分别与主控系统中P2对应的第i位端口相连，8位数据输入端口D0~D7分别与主控系统P0口并行连接，8位数据输出端口Q0~Q7分别与对应8列X轴即64位阳极束连接。

3、软件设计

本实验3D显示屏LED点阵模块是在二维的基础上通过层叠加原理实现的［6］，因此可将三维8×8×8模型看作是64×8的平面模型，即对应的XY面与Z面的相互作用模型。其中64看作阳极束，一片74HC573芯片输出端为8位，恰好设计8片74HC573芯片控制64位阳极束。8看作阴极束，用一片ULN2803芯片控制。因此64×8对应了全部的512位即512个LED灯。每一位采用状态0或1可对其进行亮或灭控制，实现三维LED灯的发光或熄灭。

此设计采用X、Y、Z三轴三维模型模拟，其中任意LED灯的坐标为LED(X，Y，Z)，坐标范围均为0~7。当要(3，4，5)点坐标灯亮，控制其Z=4处平面灯全亮即输入端口为高电平1，其余为低电平0；Y=3处平面灯全亮即输入端口为高电平1，其余为低电平0；X=2处平面输入端口对Y=3处平面数据进行锁存即由高电平1变为低电平0，这样便可实现LED(3，4，5)坐标灯保持高亮，其余灯熄灭。由此通过点可实现线、面、体以及两两结合组成的各种三维立体动静态图形显示。由于动画显示只有大于15帧时人眼才可看到流畅的动态效果，因此在动态图形中扫描周期必须小于(1/15)s，即每层停留的时间t最多为(1/15)×(1/8)［7］。此效果的显示都是通过软件来实现的，这里显示一个简单的动态沙漏程序，代码如下：

voidshalou()

{inti，j，d；

chushihua()；//初始化函数

for(j=0；j《8；j++)

{

For(d=0；d《5*(8-j)；d++)

{

For(i=0；i《=j；i++)

{

CLEAR()；//清屏函数

P0=SHALOU［i］；//Y轴扫描数据

P2=SHALOU［i］；//X轴存入高电平数据

P2=0x00；//X轴低电平锁存数据

P1=0x80》》i；//Z轴发送层扫描函数

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轴扫描数据

P2=SHALOU［i］；//X轴存入高电平数据

P2=0x00；//X轴低电平锁存数据

P1=0x01《《i；//Z轴发送层扫描函数

Delayms(5)；

}

}

}

实现该代码的思路流程如图6所示

4、仿真效果

本设计通过硬件电路设计与软件编程实现了3D效果显示，如图7所示。其中，图7(a)为动态沙漏的某一瞬间截取图；图7(b)为动态桃心的某一瞬间截取图；图7(c)为动态平面前后扫面的某一瞬间截取图；图7(d)为整体静态显示图。从图7(a)、(b)可明显看出图形的立体层次感；从图7(c)、(d)可看出，与平面二维效果相比，三维立体方位感更强、更真实。

5、结论

本文实现了从开始的硬件设计到最终的软件仿真，达到了以下目的：(1)该电路设计合理，不仅图形的稳定性好，而且观赏性强，为其他三维效果设计提供了一定的实践基础；(2)从仿真结果可看出三维效果比二维效果立体感更强、更真实，该设计方案是以后各立体效果图形设计采纳的主流趋势。然而，由于条件限制，通过A/D转换音频控制LED未能进一步设计，将在以后的工作中利用离散傅里叶光学变换展开研究。

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