LED光立方的设计与实现

龙胜各族自治县龙胜中学 刘时涛

1.引言

LED显示技术在我国经过几十年的发展，目前已基本形成了一批具有竞争力的大中型骨干企业。依托LED显示技术的LED显示屏产业在规模化发展的同时，产品也不断推陈出新，在某些技术领域已达到国际先进水平。作为我国电子信息产业的重要组成部分，LED显示屏产业也是平板显示领域唯一立足国内形成的民族高科技产业。本文旨在设计一个8×8×8的三维发光二极管立方显示体，并通过终端程序实现对任意发光二级管的亮灭控制，从而达到显示各种图案的效果。同时，可以通过采用不同的显示模式来增强显示效果。常用的显示模式包括静态显示模式和动态显示模式两种。静态显示模式程序简单，易于实现；而动态显示模式按照显示的运动特点又可以分为旋转、平移、闪烁、缩放等多种显示模式[1-3]。本文在控制LED点阵显示时采用了单片机控制技术。通过将预先编写好的程序写入单片机存储单元，来控制发光二极管的亮灭，从而实现显示不同图案的目的。在显示过程中，利用了人眼的视觉暂留效应，将每幅图案的延迟时间设置在一定范围内，从而实现图案的的连续呈现，最终形成动态的显示效果[4]。

2.LED光立方工作原理

LED光立方系统主要由电源、单片机、外围电路、发光二极管等组成。外围电路主要分成复位电路、时钟电路、驱动电路和显示电路等几个部分。中央处理器、复位电路和时钟电路构成了本系统的核心控制电路，本文选取较为通用的AT89S52单片机作为中央处理器。在整个系统中，核心控制电路最为重要，它负责控制整个系统的运行，还控制系统与PC机的通讯、以及发送命令给显示系统。在显示系统中，每个发光二极管都由74HC373锁存器来控制亮或灭，根据编写好的指令，单片机将命令通过控制电路发送到74HC373锁存器，从而驱动LED光立方显示。LED光立方系统框图如图1所示。

图1 LED光立方系统框图

主控模块也就是最小系统模块，主要由AT89S52芯片、时钟电路、复位电路组成。复位电路通过向单片机发送复位信号初始化或重置系统。当AT89S52内的RST引脚上的复位信号连续保持两个机器周期以上，AT89S52单片机即中断系统并复位。时钟电路向单片机发送时钟信号，控制单片机的工作频率。单片机内部的电路只有在时钟信号的控制下，才能严格地按照时序工作。最小系统原理图如图2所示。

图2 最小系统原理图

驱动电路部分的功能是把发光二极管的亮灭信息暂存在74HC373锁存器中，然后再按照程序指令同时输出发光二极管。AT89S52单片机与锁存器的连接方式为：单片机的公共端口P0接锁存器D0到D7的输入端；单片机的P1端口分别接8个锁存器的使能端OE；单片机的P2口分别接光立方各平面LED组的负极。单片机的P3端口接各锁存器的LE端，可同时控制锁存器的输出时间。

3.系统显示

系统采用模块化设计，编程使用C语言。程序需要实现静态扫描显示、动态扫描显示和三维立体扫描显示三种显示方式。编程过程中，首先对单片机进行初始化，初始化完成后即等待显示指令发生。通过查询标识位引脚上的不同指令信息，单片机选择对应的程序模块来进行显示。静态显示较为简单，动态显示则是把整个LED立方体分成若干部分，每一幅图案的显示过程包括几个阶段，各阶段依次显示完成后，再重复循环进行。当重复扫描显示的频率足够高的情况下，人眼看到的则是一幅稳定的静态图案。主显示程序流程图如图3所示。

图3 主显示程序流程图

4.驱动电路板的制作

驱动电路由八个74HC373锁存器芯片组成，其中的线路较多，电路焊接较为复杂。将8片74HC373锁存器分别插好并焊接，再与排针相连，其中8个片子的输入端D端共用1个排针，其余的引脚各自接各自的排针。74HC373的正面连接图如图4所示。

图4 74HC373的正面连接图

5.结论

本文采用的显示方式是动态扫描显示方式，通过先选通一列后，将二极管的亮灭信号由低位到高位按行依次存入锁存器，并由单片机控制输出，最后得到所需的显示图案。值得注意的是，通常在显示过程中，看到的效果可能并不满意，需要不断的对程序进行调试，最终才能得到理想的显示效果。

[1]沙占友,王彦朋,马洪涛等．LED驱动电源设计入门[M]．中国电力出版社,2012．

[2]苏永道,吉爱华,赵超,姜琳．LED封装技术[M]．上海交通大学出版社,2010．

[3]陈永秘．LED及电子产品制作[M]．河南科学技术出版社,2010．

[4]魏学业,于冬等．绿色环保LED应用技术[M]．机械工业出版社,2011．

[5]杨兰云,杨清德．LED及其应用技术问答[M]．电子工业出版社,2011．

[6]谭巧LED封装与检测技术[M]．电子工业出版社,2012．

[7]Why Should Anyone Be Led by You?∶What It Takes to Be an Authentic Leader Goffee, Rob、Jones,Gareth Harvard Business School Press(2006-02出版)．

[8]Principles of Solar Cells,LEDs and Diodes∶The role of the PN junction Kitai,Adrian Wiley-Blackwell(2011-10出版)．