基于AVR單片機的8*8*8三維LED點陣設計

李行杰 李克儉 肖 英

（廣西科技大學電氣與信息工程學院，廣西 柳州 545006）

1 引言

LED顯示屏是八十年代后期在全球迅速發展起來的新型信息傳播媒體[1][2],隨著大規模集成電路和計算機技術的發展，LED顯示屏作為一種新興的顯示媒體得到了高速的發展，其中以二維平面點陣屏顯示的廣泛應用作為標志之一[3]，但是隨著人們對視覺享受的要求越來越高，二維的平面點陣顯示開始顯得單調、粗糙、乏味，人們已經不再滿足于二維平面顯示，2009年10月1日天安門廣場舉行的國慶聯歡晚會上，四千多棵光藝高科技“發光樹”，吸引了全國人民的眼球，一個全新的名詞“光立方”，引起了眾多學者的熱議，隨后三維點陣顯示屏的出現更是令人耳目一新，本設計的8*8*8三維 LED點陣[4][5]顯示模塊是以AVR單片機為核心控制系統，顯示部分用512個白發藍高亮LED交錯搭建而成，極具光賞性，可以動靜態顯示三維文字及圖形，給人強烈的立體感，同時炫酷、多樣式的顯示也給人們帶來全新的娛樂體驗。

2 總體方案

本設計使用孔距為22mm的8*8平面模板快速搭建8面二維LED點陣，把8面二維點陣組成立方型，并將不同面的行依次相接，構成8層共陽64列共陰的三維LED點陣。系統的工作原理，是在簡單二維LED點陣的基礎上，擴大LED之間的距離，并應用層疊技巧搭建成一個實心LED立方體，用AVR單片機直接控制外圍驅動電路輸出，間接實現對LED的亮滅控制。采用逐層掃描的工作方式，利用人們視覺暫留效應，實現簡單的動靜態文字和圖像顯示。系統結構框圖如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

3 硬件設計

3.1 三維LED點陣

8*8*8三維LED點陣由512個LED組成的實心立方體，分為8層，64列，展開后相當于一個64x8的平面點陣。設計選用工作電壓為2.7～3.3V，大小為3mm白發藍高亮長腳LED，直接使用LED管腳實現矩陣的搭建，構成8層共陽，64列共陰的三維LED點陣。每個LED與相鄰LED間距約22mm，提高了整體的通透性，達到良好的三維顯示效果。

3.2 主控系統

三維LED點陣的控制根據系統對復雜數據的運算處理以及外部擴展接口配置需求，結合ATMEL公司的AVR單片機[6]高可靠性、功能強、高速度、低功耗和低價位等特點，采用ATMEGA328P-PU單片機作為主控芯片。設計的主控系統原理圖如圖2所示。

ATMEGA328P-PU的內核具有豐富的指令集，32×8通用工作寄存器可保存大量的操作數據和運算結果；32K字節的系統自可編程Flash程序內存可寫入大量控制光立方的功能代碼；高達1 MIPS／MHz的吞吐率解決TM1816串入并出效率問題；兩個8位定時器/計數器，一個16位的定時器/計數器，可用來實現串口中斷和擴展外部中斷；6通道的PWM輸出可對全局LED進行無級亮度調節；6通道10位ADC輸入可用于擴展AD功能接口等。工作時，主控系統產生層掃描信號，通過譯碼器譯碼控制陽極驅動芯片STM4953的輸出，實現逐層掃描[7]，結合陰極驅動電路中鎖存數據的輸出，點亮相應的LED，實現三圍顯示功能。

圖2 主控系統原理圖

3.3 驅動電路

8*8*8三維LED點陣采用陽極驅動電路放大電流和陰極驅動電路恒流輸出驅動。陽極驅動電路接共陽層，起層選通開關作用；陰極驅動電路接共陰束，起束選通開關和全局LED亮度控制作用。

（1）陽極驅動電路

三維LED點陣采用逐層掃描的工作方式，8個共陽層使用典型的平面點陣驅動芯片STM4953驅動，驅動電路如圖3所示。為了減少占用單片機的I/O接口數量，STM4953通過譯碼器74HC138與主控系統相接。STM4953控制端為低電平有效，且74HC138輸出為低電平，為了避免不確定信號導致STM4953誤導通，增強系統的坑干擾能力，在譯碼器輸出端接上拉電阻，把不確定信號通過電阻鉗位在高電平。工作時，由主控系統輸出層控制掃描信號，經74HC138譯碼器譯碼后選通或者關閉STM4953輸出，實現對三維LED點陣逐層掃描。

圖3 陽極驅動電路

（2）陰極驅動電路

三維LED點陣的64列共陰束使用4片16位恒流驅動IC- TM1816驅動，驅動電路如圖4所示。選用TM1816，首先是其擁有16個驅動能力較強的恒流輸出端口，每個輸出端可口提供3～45mA恒定電流量以驅動對應列的8個LED，并且當環境發生變化時，對其輸出電流影響很小，用4片即可驅動64列共陰束，從硬件上提高了三維LED點陣顯示的均勻性和一致性；其次，串行輸入并行輸出[5]以及聯級功能可以大大減小占用主控系統I/O數量，同時降低了編程的復雜性；此外各個輸出端口的電流大小可調，可實現對三維LED點陣整體亮度調整，使顯示效果更加豐富。

工作時，由主控系統產生時鐘脈沖，發送串行數據，并控制數據鎖存和使能輸出。在CLK上升沿期間，數據端串入的數據被發送到移位寄存器中，即每當來一個上升沿，從TM1816的 SDI引腳送入一位數據或者 SDO引腳輸出一位數據，如果需要發送16位的數據則需要16個CLK上升沿才能將 16位數據全部輸入或移出移位寄存器。當控制三維 LED點陣陰極的所有數據全部輸入到移位寄存器后，數據鎖存控制端被至為高電平，串行數據全部輸入鎖存器后至為低電平。需要輸出時，輸出使能控制端至為低電平即啟動輸出端輸出。與此同時，用PWM控制三極管使R-EXT引腳對地導通，能集中控制各個輸出引腳的電流大小，實現對LED亮度進行無級調節。

圖4 陰極驅動電路

4 軟件設計

采用層掃描工作方式，整個顯示過程，主控單片機不斷發送數據、不斷掃描，每次發送數據只能點亮一層，掃描完8層為一個周期。上位機只需根據主控系統控制三維LED點陣顯示所需的格式[8]，編寫文字或圖像數據信息，通過串行口發送給主控系統。

控制程序設計分為兩大模塊：與上位機通訊部分和驅動顯示部分[9-11]：

與上位機通訊部分主要是利用主控單片機中斷服務通過串口接收上位機發送的文字或圖像等數據信息，實現與上位機的實時數據信息傳輸，并對接收數據信息進行處理，本設計設計串口通訊波特率為 57600；驅動顯示部分主要是從顯示緩沖區讀取要顯示的文字或圖像等數據信息，運算處理后發送給驅動電路，并控制驅動電路輸出實現顯示功能。

程序流程圖如圖5所示

圖5 程序流程圖

程序控制流程：

（1）主程序：對堆棧、串口進行初始化，然后循環調用驅動顯示子程序、響應串行接收或發送中斷指令；

（2）中斷服務程序：從串口接收上位機發送的數據信息處理后存至顯示數據緩沖區，實現與上位機實時數據信息傳輸；

（3）驅動顯示子程序：不斷讀取顯示緩沖區的數據信息，運算處理后，串行輸出列選通信號至陰極驅動電路控制輸出，配合層動態掃描信號，實現顯示數據輸出。

5 實驗驗證

實驗分別使用STC12系列單片機12C5A60S2和Arduino USB接口系列的最新版 Arduino UNO R3作為上位機，12C5A60S2單片機使用Keil uVision4編程，Arduino UNO R3使用Arduino IDE編程，設置串口通訊波特率為57600，根據下位機控制三維LED點陣顯示所需的格式，編寫文字或圖像數據信息，通過串行口與主控系統連接通訊。

顯示效果如圖6所示

圖6 顯示效果圖

實驗結果表明：該方案有效可行，主控系統不挑上位機類型，只需上位機能與主控系統實現串口通訊，設置相同的串口通訊波特率，發送有效的文字或圖像數據信息，即可控制8*8*8三維LED點陣實現顯示。

6 結束語

三維點陣是未來顯示的發展方向，根據三維LED點陣顯示模塊進行文字或圖案顯示的功能需求，利用單片機構成主控系統添加外部擴展接口，結合上位機通訊，可實現一個較為完善的綜合信息顯示平臺。設計選擇使用上位機控制，意在將“光立方”設計成為單純的三維顯示屏，為將來進一步研究標準三維顯示器的制作及控制提供一定的參考。對單色8*8*8三維LED點陣的研究，對于灰度不同的真彩色或分辨率要求更大的 三維LED點陣設計，有待于進一步的研究設計。

[1] 徐振方,孟艷花,王艷.基于AVR單片機的LED顯示屏控制系統的研究[J].照明工程學報,2010,21(2):77-80.

[2] 王浩然,秦會斌.LED 點陣屏顯示單元的設計與驅動控制[J].電子器件,2010,33(5):550-552.

[3] 梁銘林.LED顯示技術的應用[J].2010,(3):42-45.

[4] 劉小平,李志遠.單片機版光立方的制作[J].無線電,2012,(10):70-74.

[5] 官微宏.3D8S的設計理念與開發心得——基于 Arduino的×8×8光立方[J].無線電,2012,(10):66-69.

[6] 鄒清平,盧森幸.一種基于ATmega32控制的MP3播放器的設計與實現[J].2012,(24):118-118.

[7] 康志強,汪佳,湯勇明.基于FPGA的3D光立方設計[J].電子器件,2012,6(35):683-686.

[8] 杜洋.制作CUBE8光立方[J].無線電,2011,(7):20-25.

[9] 杜洋.CUBE8光立方的圖形 DIY[J].無線電,2012,(12):34-38.

[10] 劉小平,李志遠.按鍵操控的LED點陣動畫編輯器[J].無線電,2013,(2):42-44.

[11] 楊富強,朱利強.基于單片機的LED點陣動態顯示系統[J].工業控制計算機,2013,(1):101-102.