3D立方體LED顯示屏的設計和制作

李瑞博 尤國強 樊清江

摘要：針對現在市場上二維LED顯示器顯示方式單調且立體感差的現象，提出了基于STC15單片機，以ULN2803芯片和74HC573芯片為輔助，用512 個LED燈來實現3D顯示的顯示器方案設計。基于對3D顯示屏的原理分析，并結合相應的硬件電路設計與軟件編程，給出了3D顯示屏的制作方法，實現了文字畫面的立體顯示效果。本設計立體視覺效果極佳，可以在任意角度觀看具有3D效果的顯示內容，對新型廣告屏的設計方案具有一定的參考價值。

關鍵詞：STC15單片機;3D顯示;LED顯示器;廣告屏

中圖分類號：TP311? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）27-0236-02

1 引言

當前飯店、銀行、商鋪使用的LED廣告屏多為由紅色LED組成的二維平面屏幕，這種二維LED屏的顯示效果不僅單調、立體感差，且只能在顯示屏的前方觀看，其缺乏創新性，難以進一步拓展商業價值。因此我們需要在目前傳統二維顯示屏的基礎上，開發三維LED廣告屏，以增強人們的視覺體驗，進一步豐富LED顯示屏類型、開拓廣告用顯示屏市場。

3D立方體LED顯示屏仍是由LED發光二極管為基本單元組成的顯示器，該顯示屏克服了二維顯示屏的顯示效果單調、立體感差等缺點，具有可全方位觀看的立體顯示效果。

本文研究的3D立方體LED顯示屏以STC15系列單片機為主控單元，并使用ULN2803芯片和74HC573芯片來為數百個LED發光二極管提供驅動和鎖存數據的功能，從而實現LED屏的3D顯示效果。本設計與傳統2D LED顯示屏相比，具有多種優點：（1）具有立體美觀的外觀造型;（2）可以實現圖形的動態靜態效果顯示，穩定性極好，具有較強的抗干擾性;（3）程序容易修改，可自定義畫面效果，可將圖形隨意變換為動靜態字母、數字、三維立體等。

2 整體設計方案

本文研究的3D立方體LED顯示屏由512個LED燈組成的立方體顯示屏及相應單片機控制系統構成[1-2]。系統通過立方體中最下面水平層面包含的8×8個LED燈作為XY基面，并依次沿豎直（Z軸）方向進行逐層掃描，實現動態控制LED顯示效果（如圖1所示）。顯示屏LED點陣用X、Y、Z三軸立體建模，其中，X軸和Y軸的電平值由鎖存器賦予，使得每一層具有指定的顯示效果，再通過逐層掃描，在很短時間（20ms）內對各層的X、Y軸給予不同控制電平值，就可以利用人眼的視覺暫留特點實現立體形式的動靜態顯示效果。

本設計以 STC15單片機作為主控單元，該單片機不僅運行速度快、功率消耗低、具有很強的抗干擾能力，且可以完全兼并傳統51單片機的內部功能，并內部集成有MAX810復位電路和晶振電路，不需單獨設計復位電路和晶振電路，大大簡化了系統的電路設計規模。其還具有8通道高速10位ADC可實現電壓采集，以及3路具有PWM輸出、軟件定時、捕獲和高速輸出等功能的PCA模塊。八重達林頓管芯片ULN2803可以實現8個NPN復合管功能，為所有LED等實現灌電流驅動，保證了LED內具有足夠大電流值。另外，系統為擴展單片機的引腳資源，采用了8片74HC573數據鎖存器，它們將單片機輸出的控制數據保存并賦給各層LED的陰、陽極端口，從而實現了大范圍賦值、快速更新數據等功能，保證了顯示器圖案的穩定顯示。該系統的總體設計框圖如下圖所示。

3 硬件設計

3.1 單片機主控電路

本設計采用STC15單片機進行數據傳輸和顯示控制，該芯片內部集成有8～62KB的Flash存儲器和2048B的SRAM儲存器，并具有最多42個I/O口線。其中，單片機的P2口與74HC573的8根輸入數據端口連接，用于陽極控制數據的發送，對應顯示器模型的Y軸;單片機的P3口與ULN2803的基極端口連接，用于控制LED立方體豎直方向8個層面陰極串口的使能;單片機P1口與74HC573的8個數據輸入端口和使能端口連接，用于片選、使能和控制數據的發送，從而控制3D顯示器的層平面顯示內容。因為STC15單片機內部集成了復位和晶振電路，故本設計中沒有復位電路和晶振電路部分，在較大程度上簡化了電路的規模。單片機主控電路的仿真圖如圖3所示（圖中只繪制了一片74HC573芯片表示單片機與該芯片的連接關系，實際電路中應包含8個74HC573芯片）。

3.2 驅動電路設計

3.2.1 74HC573鎖存器電路設計

系統采用74HC573鎖存器芯片對3D立方體LED顯示器每一列的LED共陽極進行賦值控制。使用74HC573鎖存器進行數據輸入控制具有以下三個優點：（1） 該芯片具備高阻功能，此時端口電平既非高電平，也不是低電平，而是呈現高阻狀態，此時可通過8個輸出引腳并聯輸出數據，實現多個芯片的同時控制;（2）該芯片能夠對數據存儲和鎖定，即便單片機結束對74HC573的賦值操作，74HC573的輸出端仍能鎖定數據，保持穩定輸出。

所設計的鎖存器電路由8片74HC573鎖存器組成，每片74HC573的使能端OE口都接地，8片74HC573的LE鎖存端口分別連接單片機的P1.0～P1.7端口，來控制鎖存器的讀入數據順序，所有74HC573的8位數據輸入端口D0～D7均連接單片機的P2.0～P2.7端口，8位數據輸出端口Q0～Q7則分別與對應的64列LED模塊共陽極連接。

3.2.2 ULN2803驅動電路設計

由于所設計的3D顯示器為立方體，其包含LED數量較多，考慮到單片機提供的拉電流較小，驅動LED燈的能力不足，無法驅動大規模LED模塊，故采用ULN2803八重達林頓管模塊來以灌電流的方式輔助單片機驅動LED模塊。ULN2803驅動電路中將ULN2803的集電極輸出端1C～8C與LED模塊的層平面共陰極相連，基極輸入端1B～8B則分別連接單片機的P3.0～P3.7這8個端口。

4 軟件設計

本文設計的3DLED顯示屏通過單片機控制端口輸出的狀態量0或1來控制顯示屏中任意LED的亮滅，從而實現三維LED顯示屏所需要播放的文字或圖案點亮效果。編寫相應單片機控制程序的軟件流程圖如圖4所示。

5 結論

本文介紹了一款3D立方體LED顯示屏的軟、硬件設計原理和方法。所設計的3D顯示裝置硬件電路和結構設計合理，顯示的3D圖形穩定無閃爍感，燈光亮度強，可為一般廣告用3D顯示屏的設計提供一定的理論和的實踐經驗。從所設計的3D顯示屏的實際效果可知，其呈現的3D文字或圖形顯示效果與傳統的2D顯示效果相比，立體感更強、更新奇有趣，且觀眾可以從顯示屏的任意方位觀看顯示內容，預計該設計將成為未來3D效果文字圖形顯示裝置發展的主流趨勢。

參考文獻：

[1] 劉妍秀. 3D顯示技術的原理及應用[J]. 長春大學學報，2011，21（12）： 52-54.

[2] 江山，陳曉西，劉晨曦，等. 基于多層屏的3D顯示算法的研究與實現[J]. 實驗科學與技術，2017（6）：61-64.

【通聯編輯：梁書】