LED光立方的設計與實現

龍勝各族自治縣龍勝中學 劉時濤

1.引言

LED顯示技術在我國經過幾十年的發展，目前已基本形成了一批具有競爭力的大中型骨干企業。依托LED顯示技術的LED顯示屏產業在規模化發展的同時，產品也不斷推陳出新，在某些技術領域已達到國際先進水平。作為我國電子信息產業的重要組成部分，LED顯示屏產業也是平板顯示領域唯一立足國內形成的民族高科技產業。本文旨在設計一個8×8×8的三維發光二極管立方顯示體，并通過終端程序實現對任意發光二級管的亮滅控制，從而達到顯示各種圖案的效果。同時，可以通過采用不同的顯示模式來增強顯示效果。常用的顯示模式包括靜態顯示模式和動態顯示模式兩種。靜態顯示模式程序簡單，易于實現；而動態顯示模式按照顯示的運動特點又可以分為旋轉、平移、閃爍、縮放等多種顯示模式[1-3]。本文在控制LED點陣顯示時采用了單片機控制技術。通過將預先編寫好的程序寫入單片機存儲單元，來控制發光二極管的亮滅，從而實現顯示不同圖案的目的。在顯示過程中，利用了人眼的視覺暫留效應，將每幅圖案的延遲時間設置在一定范圍內，從而實現圖案的的連續呈現，最終形成動態的顯示效果[4]。

2.LED光立方工作原理

LED光立方系統主要由電源、單片機、外圍電路、發光二極管等組成。外圍電路主要分成復位電路、時鐘電路、驅動電路和顯示電路等幾個部分。中央處理器、復位電路和時鐘電路構成了本系統的核心控制電路，本文選取較為通用的AT89S52單片機作為中央處理器。在整個系統中，核心控制電路最為重要，它負責控制整個系統的運行，還控制系統與PC機的通訊、以及發送命令給顯示系統。在顯示系統中，每個發光二極管都由74HC373鎖存器來控制亮或滅，根據編寫好的指令，單片機將命令通過控制電路發送到74HC373鎖存器，從而驅動LED光立方顯示。LED光立方系統框圖如圖1所示。

圖1 LED光立方系統框圖

主控模塊也就是最小系統模塊，主要由AT89S52芯片、時鐘電路、復位電路組成。復位電路通過向單片機發送復位信號初始化或重置系統。當AT89S52內的RST引腳上的復位信號連續保持兩個機器周期以上，AT89S52單片機即中斷系統并復位。時鐘電路向單片機發送時鐘信號，控制單片機的工作頻率。單片機內部的電路只有在時鐘信號的控制下，才能嚴格地按照時序工作。最小系統原理圖如圖2所示。

圖2 最小系統原理圖

驅動電路部分的功能是把發光二極管的亮滅信息暫存在74HC373鎖存器中，然后再按照程序指令同時輸出發光二極管。AT89S52單片機與鎖存器的連接方式為：單片機的公共端口P0接鎖存器D0到D7的輸入端；單片機的P1端口分別接8個鎖存器的使能端OE；單片機的P2口分別接光立方各平面LED組的負極。單片機的P3端口接各鎖存器的LE端，可同時控制鎖存器的輸出時間。

3.系統顯示

系統采用模塊化設計，編程使用C語言。程序需要實現靜態掃描顯示、動態掃描顯示和三維立體掃描顯示三種顯示方式。編程過程中，首先對單片機進行初始化，初始化完成后即等待顯示指令發生。通過查詢標識位引腳上的不同指令信息，單片機選擇對應的程序模塊來進行顯示。靜態顯示較為簡單，動態顯示則是把整個LED立方體分成若干部分，每一幅圖案的顯示過程包括幾個階段，各階段依次顯示完成后，再重復循環進行。當重復掃描顯示的頻率足夠高的情況下，人眼看到的則是一幅穩定的靜態圖案。主顯示程序流程圖如圖3所示。

圖3 主顯示程序流程圖

4.驅動電路板的制作

驅動電路由八個74HC373鎖存器芯片組成，其中的線路較多，電路焊接較為復雜。將8片74HC373鎖存器分別插好并焊接，再與排針相連，其中8個片子的輸入端D端共用1個排針，其余的引腳各自接各自的排針。74HC373的正面連接圖如圖4所示。

圖4 74HC373的正面連接圖

5.結論

本文采用的顯示方式是動態掃描顯示方式，通過先選通一列后，將二極管的亮滅信號由低位到高位按行依次存入鎖存器，并由單片機控制輸出，最后得到所需的顯示圖案。值得注意的是，通常在顯示過程中，看到的效果可能并不滿意，需要不斷的對程序進行調試，最終才能得到理想的顯示效果。

[1]沙占友,王彥朋,馬洪濤等．LED驅動電源設計入門[M]．中國電力出版社,2012．

[2]蘇永道,吉愛華,趙超,姜琳．LED封裝技術[M]．上海交通大學出版社,2010．

[3]陳永秘．LED及電子產品制作[M]．河南科學技術出版社,2010．

[4]魏學業,于冬等．綠色環保LED應用技術[M]．機械工業出版社,2011．

[5]楊蘭云,楊清德．LED及其應用技術問答[M]．電子工業出版社,2011．

[6]譚巧LED封裝與檢測技術[M]．電子工業出版社,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)．