51單片機控制的紅外遙控光立方的設計與制作

一、引言

現代信息化社會高速發展，大屏幕向消費類多媒體應用滲透。數字化的多媒體內容將在信息世界中占據主流，大屏幕顯示設備將代替傳統的顯示設備成為中心。伴著電子行業的飛速發展，越來越多的電子愛好者，對于光立方產生了很濃厚的興趣。有絕大部分的人把光立方研究作為一種職業，光立方的技術也在不斷的成熟，不僅具有了學習價值同時也具備了商業價值。

光立方最早在2009年10月1日天安門廣場舉行的國慶聯歡晚會上面世，是一種基于LED發展基礎上所衍生的產物。目前國內成功案例有很多效果也各有千秋，例如有顯示圖形圖案的，有顯示動態圖案的，還有的具有音頻AD效果等。一般都是主控采用STC12C5A60S2，驅動采用74HC573以及ULN2803達林頓管。光立方主要是引用了LED外發光技術，我國LED經過這幾年的發展，主要在華東，華北，華南區域形成了一批具有一定規模的企業，LED在規模發展的同時，技術推陳出新，目前約20余家研究機構和企業在進行LED的研究和開發，但與國外的差距還是比較大的。主要原因是目前在投入資金、設備和人才均無法和國外相比，而且研究機構也相對的分散。但一些科研所如中國科學院物理所和長春光機與物理所、北京大學、石家莊十三所等單位也相繼展開了這方面的研究，并取得了可喜的進步，不斷縮減與國外的差距。

1.設計的總體要求和方案選擇

本次設計制作一個8*8*8的光立方，能通過編寫程序來實現對每個發光二極管的亮滅控制，從而可以顯示多種多樣的圖案。同時在這個基礎上加以創新，添加了紅外遙控模式。

借鑒單片機控制LED點陣顯示的原理，通過系統分析，確定該系統具有哪些功能，哪些模塊，各個模塊之間是怎樣連接的，以及怎樣組合電路是最合理的，即硬件方案設計。編寫硬件電路的相應軟件程序部分，利用仿真軟件對程序進行測試修改。電路系統焊接完畢后，測試整個系統模塊的功能，看各個功能是否能正常運行，并依據測試結果找出錯誤加以調整至測試成功達到畢業設計要求。

2. 光立方設計的主要內容

（1）初步整體方案的選擇和論證搜索和光立方關的相關資料，參照目前通用的設計思想和設計方法擬定2套設計方案進行比較：第一套是以STC12C5A60S2為核心控制器件，以74HC595為驅動芯片，LED選用512。第二是以C51為核心控制器件，以74HC573為驅動芯片，LED同樣選用512。基于對C51的理解和節省成本的前提下，最終選定了第二套方案。

（2）方案的實現。根據第二套設計方案通過protel99se設計相應的原理圖。同時進行512LED的燈架焊接和最小系統的搭建。

（3）軟件的編寫。根據硬件特點和設計要求，再通過對“邵士媛，徐維祥.C語言程序設計”和“郭天祥.新概念51單片機C語言教程”的查閱.軟件選用C語言編程。程序按功能分靜態，紅外遙控等多個相對獨立的模塊，然后按照所劃分的模塊一一編程，最后整合起來。

（4）驗證與測試。測試分為硬件測試，軟件測試和系統聯合測試。硬件測試：測試LED塔架的焊接，有無漏焊，虛焊，陽極陰極有無焊錯，74HC573芯片的測試等。軟件測試：檢驗程序的對錯。統聯合測試：檢測作品有無達到設計的要求。

（5）總結。設計作品完成后對設計過程中所遇到的困難，經驗教訓進行總結分析。

二、系統總體方案設計

1.系統總體硬件選擇

3D顯示屏核心控制器采用51單片機，單片機是集成了CPU、ROM、RAM和I/0口的微型計算機具有很強的接口性能，非常適合于工業控制，且品種齊全，型號多樣CPU從8、16、32到64位，多采用RISC技術，片上I/O口豐富集成有A/D，PWM，顯示驅動，函數發生器，鍵盤控制等。除此之外還具有低電壓和低功耗的特點。電路電源直接采用5V電源、LED發光二極管選取單色藍光LED作為本次設計顯示色彩、I/O口擴展芯片選取帶有有數據鎖存功能的74HC573芯片。

二、系統總體軟件方案的選擇

編輯語言采用簡潔靈活，兼容性高，編譯簡單，執行效率高，對于循環使用方便的C語言

三、光立方的制作

1. 3DLED光立方工作原理

利用單片機控制LED點陣顯示的原理和控制技術，來控制光立方顯示。通過編寫程序控制不同的LED顯示，顯示所要顯示的內容。

2.3DLED光立方的搭建

（1）由點到線。準備一塊洞洞板，一些排針做一個簡易的磨具所示，將折彎好的LED分別插入一排插入以后，其陽極正好可以搭接在一起，進行焊接，實現共陽極的操做。

（2）由線到面。將焊好的一條一條LED放在磨具上，實現共陰極的焊接。

（3）由面到體。將垂直各面依次插到洞洞板上面，將露出的陽極引腳橫向折90°，使其可以前后同一高度，最后稍微調整一下各個垂直面之間的間距，再通過漆包線實現各層的陰極相連。

四、系統硬件的設計

單片機最小系統，包括時鐘電路和復位電路。紅外遙控模塊由紅外發射和紅外接收兩部分組成，發射電路部分主要實現紅外信號的編碼產生以及發射，接收電路部分主要實現紅外信號的接收、解碼等。液晶顯示屏采用串口HMI，直接調用模塊。74HC573驅動模塊和74LS573的管腳一樣。器件的輸入是和標準CMOS輸出兼容的；加上拉電阻，它們能和LS/ALSSTTL輸出兼容。

五、系統軟件的設計

系統軟件采用 C語言編寫，按照模塊化的思路設計程序。首先分析程序所要實現的功能，程序要實現靜態顯示，動態顯示等。通過按鍵控制程序選擇不同的顯示程序進行顯示。主程序的工作流程圖如圖 1所示：

圖1主程序工作流程圖

六、系統檢測及結果分析

硬件測試對照電路圖和實際線路檢查是否正確，包括錯接、少接、多接等；用萬用表檢查焊接和接插是否良好：元器件之間是否存在短、二極管正負極有無弄反、電源地有無接錯。

將電源接入電路，用萬用表電壓檔檢測電源電壓，觀察有無異常現象。如冒煙、異常氣味、元器件發燙等。

軟件測試在程序的編寫中用keil編寫，keil軟件可以生成.HEX文件我們用到的下載軟件是PROGISP這個軟件，這個軟件可以識別.HEX文件，只有.HEX文件可以寫入單片機。在程序的編寫過程中全是采用C語言編程。

聯合測試將所有焊接好的模塊用杜邦線連接起來，載入程序觀察是否可以達到預計的效果。

七、 結論

本次設計預期要求：LED顯示屏各點亮度均勻，可顯示圖形或文字，而且顯示圖形或文字顯示穩定、清晰無干擾。

通過對單片機最小系統模塊、紅外遙控模塊、液晶顯示屏模塊（HMI），74HC573驅動模塊的添加，硬件件和軟件的運行還算比較穩定，所呈現的動畫與程序中預期的效果吻合，符合設計的要求

然而本次設計還存在許多不足的地方和可以改進的部分例如：還可以在本設計的基礎上增加音頻等功能，還可以在串口HIM的頁面設計上做的更好一點做到控制光立方每一個led的的亮滅，當然，要增加這些功能51單片機的IO口是不足的，所以要用到其它開發板如89S52。

參考文獻：

[1]周靈彬，任開杰，張靖武.基于Proteus的電路與PCB設計.北京：電子工業出版社，2010.

[2]邵士媛，徐維祥.C語言程序設計.第2版.化學工業出版社，2006.

[3]郭天祥.新概念51單片機C語言教程.電子工業出版社.

[4]陳強.電子產品設計與制作.北京：電子工業出版社，2010.

[5]關積珍.LED顯示屏發展狀況及趨勢[J].世界電子元器件.

[6]鄭剛，李雨成。LED大屏幕顯示系統[J].北方工業大學學報，2001.

[7]李元生.LED光柱專用驅動器[J].家庭電子，2005.

[8]文哲雄，用單片機控制LED顯示屏[D].佛山：佛山科學技術學院，1995.

[9]肖紅斌.跟我學用單片機[M].北京航空航天大學出版社，2002.

[10]張洪潤，劉秀英，張亞凡.單片機應用設計200例（下）.北京：北京航空航天大學出版社，2006.

作者簡介： 吳特威（1995-8-31），男，漢族，籍貫浙江樂清，信息技術系學生，專科，研究方向：電子信息技術。