基于51单片机的光立方的设计

孙宇

摘 要：本设计以51单片机为核心控制器，74LS245为I/O扩展口，制作了一个三维立体显示图案的LED光立方，文中给出了设计方案及原理图。

关键词：LED光立方；74LS245；51单片机

注：陕西省大学生科技创新项目（2014XK081）

本设计制作出的三维立体显示图案的LED光立方，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，同时又增加了显示的花样和立体图案显示效果，可以广泛用于传媒信息显示和各种装饰显示，为将来显示技术的进步和发展指导了方向，光立方显示比发光二极管点阵更具有视觉效果，而且画面图案更加非富多彩。

1.背景与意义

随着人们生活水平的不断提高，3D效果的欣赏已经成了人们的追求，美轮美奂的观赏让人醉心不已，给人带来无比宽松舒适的美感。3D技术的将来必有广泛应用。仅3D打印技术这一还处在萌芽阶段的技术就已经在世界掀起了巨大波澜。就现有来看3D技术已经应用于军工、航空航天、水下作业、模拟分析等高端领域。随着科技发展3D技术的成本也会越来越低，相信3D电视将来也会像液晶电视一样走入普通家庭。3D技术在未来还可以应用于教学，医学，地下采矿，空中导航等领域。但就目前的发展，3D还不能够普及到人们的生活中，这也就萌发了人们对于3D的设计。因此，对发光二极管进行控制，使其显示出不同的花样，带给未来3D技术的科技体验。

2.设计的总体要求和方案选择

本次设计制作一个三维的发光二极管立方显示体，能够通过编写程序来实现对每一个发光二级管的亮灭控制，从而可以显示多种多样的图案。为了吸引观众增强显示效果，可以有多种显示模式。

3.工作原理

有8个8*8点阵，再用8个引脚来当充当各个8*8点阵的“开关”。只要将64个灯阳极连在一起，在连到这个引脚上。采用了hc573暂存的方法，来分别把64个灯的亮灭信息存到这个上面，然后再一起输出到灯上，573的64个输出引脚控制前面所述每一个面的64个灯；而每层灯的阴极全连接在一起接入uln2803，由uln2803控制的每一个层灯。

4.主要元器件介绍

4.1 74HC573

74HC573是八进制3态非反转透明锁存器。器件的输入是和标准CMOS输出兼容的；加上拉电阻，他们能和LS/ALSTTL输出兼容。当锁存使能端为高时，这些器件的锁存对于数据是透明的（也就是说输出同步）。当锁存使能变低时，符合建立时间和保持时间的数据会被锁存。输出既不是高电平，也不是低电平，而是高阻抗的状态；在这种状态下，可以多个芯片并联输出，当输入的数据消失时，在芯片的输出端，数据仍然保持。

4.2 ULN2803

ULN2803是八重达林顿管，1至8脚为8路输入，18到11脚为8路输出。驱动能力为 500MA ＼50V。应用时9脚接地，10脚接负载电源V+，输入的电平信号为0或5V。输入0是输出达林顿管截止，输入为5V电平时，输出达林顿饱和。输出负载加在电源V+和输出口上，当输入为高电平时，输出负载工作，该电路为反向输出型，即输入低电平电压，输出端才能导通工作。

4.3 STC89C51单片机

STC系列单片机是美国STC公司最新推出的一种新型51内核的单片机。片内含有Flash程序存储器、SRAM、UART、SPI、A＼D、PWM等模块。该器件的基本功能与普通的51单片机完全兼容。

主要功能、性能参数：内置标准51内核，机器周期：增强型为6时钟，普通型为12时钟；工作频率范围：0～40MHZ，相当于普通8051的0～80MHZ； STC89C5xRC对应Flash空间：4KB＼8KB＼15KB；内部存储器（RAM）：512B；定时器＼计数器：3个16位；通用异步通信口（UART）1个；中断源：8个；有ISP（在系统可编程）＼IAP（在应用可编程），无需专用编程器＼仿真器；通用I＼O口：32＼36个；工作电压：3.8～5.5V；外形封装：40脚PDIP、44脚PLCC和PQFP等。

5.光立方原理图

5.1 驱原理图

uln2803的1～8脚接主控芯片的P1口（1～8脚），数据由主控芯片P2口输入经过uln2803从11～18脚输出，实现通过uln2803来驱动每一层。每个573的2～9脚（数据输入）都连接在一起连接到主控芯片的P0口（32～39脚），数据从主控芯片P0口输送到573，573的1脚是3态输出使能输入（低电平）一般都与地相接，573的11脚（锁存使能输入）都连接在一起连接到主控芯片的P2口（21～28脚）作为锁存控制。当573的11脚为高电平和2～9脚为高电平时，573的12～19脚（3态锁存输出）为高电平，驱动一竖面的灯亮，当11脚为高低平、2～9脚为低电平时，573的12～19脚则就为低电平，从而灯灭，当11脚为低电平时，2～9脚不管高低电平，12～19脚的输出不变。主控芯片通过573+uln2803来驱动控制哪竖面的哪一层的哪个灯的亮灭。R1～R16是限流电阻。

参考文献

[1]祈伟，杨亭.单片机C51程序设计教程与实验 北京航空航天大学出版社2006年1月

[2]张瑞玲.单片机原理与应用 西北工业大学出版社2010年12月

[3]赵亮，侯国锐.单片机C语言编程与实例[M].北京：人民邮电出版社，2003.