常宏博 郝瑞瑞 周程 李慧豐 付麗華

【摘要】本設(shè)計為基于單片機的3維LED光立方，由STM32F103VBT6系列單片機、1個74HC154芯片、32個74HC573芯片、8個APM4953芯片等部分組成。用單片機對芯片的信號傳輸?shù)姆绞絹磉M行對4096個LED的控制。本系統(tǒng)具有燈光絢麗、3D立體特效、效果直觀以及時間控制軸等優(yōu)點，可以實現(xiàn)動畫、曲面等復雜的立體圖形。

【關(guān)鍵詞】3維LED;STM32單片機

幾何一直是數(shù)學課程教學中的重要環(huán)節(jié)，其中平面幾何可以通過顯示器、黑板等媒體直觀地呈現(xiàn)出來，但是在立體幾何圖形的講解方面，往往會收到媒體的限制，通常采用軟件進行模擬的3D展示或者動畫展示，雖然可以看到三維效果，但僅限于屏幕展示，依舊是虛擬的效果。使用3D打印機，雖然可以再現(xiàn)三維圖形的真實外觀和結(jié)構(gòu)，但是受到成本、時間的制約，無法保證實時性。

本設(shè)計通過單片機驅(qū)動4096個LED，構(gòu)建了一個16*16*16的三維LED矩陣，通過單獨點亮或者熄滅LED，展示出真實的3維圖形、圖像、或者內(nèi)部結(jié)構(gòu)，通過程序設(shè)計，也可以實現(xiàn)三維空間的動態(tài)展示。

1. 系統(tǒng)設(shè)計

本設(shè)計為一個4096個LED燈光的控制系統(tǒng)，控制對象為16*16*16的LED矩陣，對每個點、每個位置的LED燈的亮滅進行控制。

主控裝置以STM32F103VBT6系列單片機為核心，通過單片機向各個芯片傳輸信號，并由芯片非配給各個管腳，各個管腳輸出的高低電平，控制固定的位置LED的亮滅，呈現(xiàn)立體圖形的外觀及內(nèi)部結(jié)構(gòu)，同時加入時間軸，可以制作動畫類等立體圖形，并用時間控制下一面出現(xiàn)的圖形，使動畫展現(xiàn)的更加惟妙惟肖，使觀察者觀察的更加簡單易懂。

系統(tǒng)的總體設(shè)計分為硬件和軟件設(shè)計兩方面，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1.1所示。

2. 硬件電路設(shè)計

硬件電路由主控板和執(zhí)行裝置組成。

2.1 工作原理

主控板由6個部分構(gòu)成，包括：MCU核心模塊、通信模塊、LED驅(qū)動芯片組、LED矩陣、系統(tǒng)電源、紅外遙控器，各部分功能如下：

（1） LED驅(qū)動芯片組由1個74HC154譯碼器、32個74HC573鎖存器和一個APM4953電源管理器組成;

（2） 紅外遙控器，作為信號發(fā)生器，用于顯示效果的切換;

（3） 系統(tǒng)電源為12V直流電源，用于對單片機、通信模塊、LED驅(qū)動芯片組及LED矩陣的供電;

（4） LED矩陣按照功能劃分為16層，每層由16*16個LED組成，各LED均為獨立供電。

電路工作原理及工作流程如下：

2.1.1 單層的LED電源控制

STM32F103VBT6的4個I/O口作為LED單層電源控制管腳，工作時根據(jù)需要輸出高低電平，電源控制管腳作為74HC154譯碼器的輸入端口;譯碼器的輸出為16個腳，輸出的電平受控于單片機，同時在ARM4953的配合下，對每層的平面LED組高電平。

2.1.2 單個的LED控制

32個74HC573鎖存器，兩兩相結(jié)合芯片使能端口和輸入端口接在一起接入單片機，因此共有16*16個搭配方式，給予底層256個端口低電平，指定的LED處于導通狀態(tài)，因此被點亮。

工作時，根據(jù)STM32F103VBT6中編寫的程序，控制指定的LED燈的亮滅。

2.2 主控電路設(shè)計

主控電路包括：供電電路ARM4953，單片機STM32F103，譯碼電路SL74HC154，鎖存器SL74HC573，無線遙控接收電路。

2.2.1 供電電路設(shè)計

首先通過APM4953模塊，用LM78系列三端穩(wěn)壓IC來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜。將DC12V轉(zhuǎn)為DC5V， DC5V給予每一層LED燈供電。

2.2.2 單片機模塊電路設(shè)計

本模塊采用的是單片機最小系統(tǒng)的集成模塊，該最小系統(tǒng)由STM32F103系列單片機芯片、供電電路、時鐘電路、復位電路、啟動配置電路和程序下載電路構(gòu)成。

2.2.3 SL74HC154譯碼器電路設(shè)計

關(guān)于數(shù)據(jù)分配采用74HC154譯碼器，配合ARM4953來控制16個層面，從而供給每一層LED組的5V高電平。

2.2.4 SL74HC573鎖存器電路設(shè)計

74HC573包含八路3態(tài)輸出的非反轉(zhuǎn)透明鎖存器，是一種高性能硅柵CMOS器件。在本設(shè)計中，74HC573鎖存器工作時，使用兩兩組合的方式，將其使能端和輸入端16個引腳，合并接入單片機，以單片機編碼方式控制最下面256個引腳的輸入。

2.2.5 無線遙控接收電路設(shè)計

在遙控方面，選用模塊為HX1838作為接收機，接收來自遙控器的指令，實現(xiàn)如下四個功能：上一幀、播放/暫停、下一幀、循環(huán)，控制設(shè)備播放圖案。當按鍵按下時，單片機接收相應按鍵產(chǎn)生的編碼，計算出鍵值，根據(jù)鍵值確定用戶按下的某一個鍵，完成控制設(shè)備的運轉(zhuǎn)。

2.3 執(zhí)行裝置

執(zhí)行裝置4096個LED燈，分為16層，每層為16*16個，單片機控制各個LED燈的亮滅，使整個系統(tǒng)的LED矩陣有規(guī)律的亮滅，形成指定的圖案、圖形和動畫效果。

每個LED燈既可以單獨亮，也可以聯(lián)合其他的LED燈一起亮，實現(xiàn)立方體、信號波形、線條組合、自定義2D、3D等圖形等。

3. 軟件程序設(shè)計

3.1 無線接收程序設(shè)計

無線接收模塊采用HX1838，每當按鍵按下后模塊接收到不同的編碼，程序獲取一個按鍵的六個高低電平信息，得到按鍵的地址碼，檢驗遙控識別碼ID地址，將獲取的地址碼進行二進制轉(zhuǎn)換，獲得鍵值，執(zhí)行鍵值下面的指令，從而控制圖形的變換。

3.2 按鍵程序設(shè)計

按鍵一端接入高電平，接入單片機管腳，當按鍵按下后，單片機讀取管腳電平變高，執(zhí)行：上一幀、播放/暫停、下一幀、循環(huán)等指令。

3.3 LED驅(qū)動程序設(shè)計

驅(qū)動某一個LED需要譯碼器74HC154和ARM4953。

74HC573相互搭配控制，其中ARM4953控制輸出5V電壓，74HC154芯片4個引腳接入單片機，利用二進制編碼方式產(chǎn)生16個輸出，使ARM4953固定給予光立方某一層5V電壓，同時32個74HC573芯片使能端口兩兩接到一起，同時兩個芯片輸出端接8個LED為一區(qū)，單片機控制使能某一區(qū)的芯片使能，進而可以給予區(qū)域中8個LED低電平，從而點亮指定的LED燈

3.4 通信程序設(shè)計

通信模塊采用USB-UART模塊CH340，用于與PC機的通信，通信方式為串行通信，實現(xiàn)單片機程序的下載和升級、接收用戶端發(fā)出的數(shù)據(jù)包進行編譯，解碼為程序代碼，從而點亮LED。

4. 結(jié)論

本設(shè)計系統(tǒng)硬件重點使用STM32VBT6、SL74HC154、SL74HC573。在軟件設(shè)計方面，控制LED燈的閃爍，和各個矩陣的拼裝。

本設(shè)計充分考慮了實用性和便捷性，具有如下特點：

4.1 在教學方面

LED矩陣燈光組，可以顯示一維的點，二維的平面和線，三維的結(jié)構(gòu)、曲線等，既可以適用于中小學的立體幾何教學，也可以用于大學階段的高等數(shù)學中積分過程展示、雙曲面/線的展示，專業(yè)的機械制圖的三視圖、通信技術(shù)中的信號處理等展示。

4.2 在可視化方面

具有效果直觀，生動有趣的特點，簡單易懂的立體成像將立體的各個方面展現(xiàn)的淋漓盡致，切面橫截面，雙曲面，信號傳遞。

4.3 在實用性方面

LED矩陣燈光組，顯示圖案、圖形的效果優(yōu)美，適用于各種裝飾，燈光效果物品，同時立體成像性能好，可以用于燈具的照明燈。

作者簡介：常宏博、郝瑞瑞、周程、李慧豐沈陽工學院，學生。付麗華（通訊作者），遼寧人，沈陽工學院，教師，副教授。