臺(tái)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣信息學(xué)院 董誠(chéng)浩 朱堯富

在現(xiàn)代社會(huì)，LED燈耐用耗電少因而應(yīng)用越來(lái)越多，本次設(shè)計(jì)制作結(jié)合LED和3D顯示效果，設(shè)計(jì)一個(gè)三維的LED立體成像系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)光立方）。通過(guò)單片機(jī)對(duì)LED進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和控制，動(dòng)態(tài)顯示模式顯示多種多樣的立體圖文，帶給未來(lái)3D技術(shù)的科技體驗(yàn)，夜燈模式感應(yīng)光線(xiàn)并點(diǎn)亮部分LED作為夜間照明，為燈光亮化工程提供新的選擇，同時(shí)也可為大型三維立體成像系統(tǒng)的研發(fā)提供一定的技術(shù)支持[1]。

1 系統(tǒng)組成

本設(shè)計(jì)作品LED采用8*8*8的模式焊接，共有8層512個(gè)LED組成，每一層由64個(gè)LED排成8行8列，控制驅(qū)動(dòng)電路、電源部分均放置在底板下面。

圖1 LED光立方系統(tǒng)組成

硬件系統(tǒng)組成如圖1所示，主要是由電源模塊、單片機(jī)主控模塊、74HC595列驅(qū)動(dòng)模塊[2]、MOS管APM4953層驅(qū)動(dòng)模塊、LED點(diǎn)陣顯示模塊組成，采用的主控芯片為STC12C5A60S2芯片。軟件設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言編程，利用單片機(jī)控制LED的亮滅，采用延時(shí)控制LED亮滅時(shí)間，最終使得整個(gè)立體呈現(xiàn)不同的造型和圖案。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

LED顯示陣列中，每64個(gè)LED接成一組8×8平面點(diǎn)陣式，作為顯示陣列的一層，這層點(diǎn)陣平面的64個(gè)LED陽(yáng)極全部接在一起作為一個(gè)行線(xiàn)（層信號(hào)線(xiàn)），64個(gè)LED的負(fù)極作為列信號(hào)線(xiàn)。光立方顯示陣列由8層LED疊加，將對(duì)應(yīng)位置的列信號(hào)線(xiàn)連接在一起，因此光立方的信號(hào)線(xiàn)包括8個(gè)行（層）線(xiàn)，和64個(gè)列線(xiàn)接入控制電路。

單片機(jī)與復(fù)位電路、時(shí)鐘電路構(gòu)成單片機(jī)最小系統(tǒng)[3]，使用P3口連接層驅(qū)動(dòng)電路，即控制LED陽(yáng)極狀態(tài)，使用P1口連接列驅(qū)動(dòng)電路，即控制LED陰極狀態(tài)，根據(jù)LED陽(yáng)極和陰極狀態(tài)實(shí)現(xiàn)亮滅顯示[4]。

2.1 層驅(qū)動(dòng)電路

LED光立方采用逐層掃描的工作方式[5]，8層信號(hào)線(xiàn)使用雙P溝道MOSFET APM4953，內(nèi)部包括兩個(gè)獨(dú)立的P溝道金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)管。它有超低的導(dǎo)通電阻，適合用LED顯示屏，LED顯示器驅(qū)動(dòng)，也可用來(lái)做負(fù)載開(kāi)關(guān)或PWM開(kāi)關(guān)等。為了減少單片機(jī)I/O接口占用數(shù)量，APM4953通過(guò)譯碼器74HC138與單片機(jī)P3口相接。工作時(shí)，由單片機(jī)輸出層控制掃描信號(hào)，經(jīng)74HC138譯碼后輸出的低電平選通LED層。

2.2 列驅(qū)動(dòng)電路

光立方的64個(gè)列線(xiàn)采用單片機(jī)系統(tǒng)中常用的芯片74HC595，它具有8位移位寄存器和一個(gè)存儲(chǔ)器，三態(tài)輸出功能，把串行的信號(hào)轉(zhuǎn)為并行的信號(hào)，常用在各種數(shù)碼管以及點(diǎn)陣屏的驅(qū)動(dòng)芯片。一片74HC595可以控制一層LED點(diǎn)陣面中的一列，即8個(gè)LED陰極。工作時(shí)，單片機(jī)系統(tǒng)發(fā)出串行數(shù)據(jù)和時(shí)鐘脈沖，八位數(shù)據(jù)輸入完畢由輸出時(shí)鐘控制并行輸出。

3 系統(tǒng)測(cè)試

圖2 顯示效果圖

使用C語(yǔ)言作為編程語(yǔ)言，將PC機(jī)編譯通過(guò)的LED光立方顯示圖案的代碼燒錄到單片機(jī)， 即可控制光立方動(dòng)態(tài)顯示既定的圖案。圖2是進(jìn)行實(shí)際顯示測(cè)試的效果。

4 總結(jié)

光立方是一種用了立體顯示概念的裝置，不僅需要很強(qiáng)的動(dòng)手能力來(lái)組裝512個(gè)排列整齊的LED，還需要有足夠的耐心設(shè)計(jì)一大堆單片機(jī)和驅(qū)動(dòng)芯片，最后還要為硬件成品設(shè)計(jì)顯示程序，好讓光立方動(dòng)起來(lái)。作為一名在校學(xué)生，制作光立方的過(guò)程不僅提高了電路焊接能力和電路分析能力，同時(shí)在軟件的編程方面也得到了提高，對(duì)所學(xué)的知識(shí)技能是一個(gè)綜合應(yīng)用和鞏固的過(guò)程。

[1]虞滄.基于單片機(jī)的光立方系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)試,2015(6):28-30.

[2]杜瑜,杜野,張空軍.基于51單片機(jī)的8*8*8光立方設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)技術(shù)2013(11):32-33.

[3]韓鵬程,婁穎,池承選.基于單片機(jī)的光立方系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子世界2014(12):528.

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

[5]顏兵兵,任翔,賈俊成,等.基于單片機(jī)的LED立體成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013,31(3):393-395.