光立方顯示控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

梁文哲

【摘要】? ? 本文通過(guò)具體的實(shí)例分析了光立方顯示控制系統(tǒng)，并測(cè)試了其實(shí)驗(yàn)結(jié)果，證明其應(yīng)用價(jià)值較高，以期提高光立方系統(tǒng)的應(yīng)用性能。

【關(guān)鍵詞】? ? 光立方顯示系統(tǒng)? ? 內(nèi)涵? ? 具體設(shè)計(jì)

所謂光立方，是一項(xiàng)新的顯示技術(shù)，它是基于平面LED開(kāi)發(fā)的，采用非常規(guī)、非日常的程序控制，在三維空間中顯示三維圖形和動(dòng)畫(huà)。也因此開(kāi)始了眾人對(duì)光立方的巧學(xué)與巧思，難度也開(kāi)始在原有的基礎(chǔ)上穩(wěn)步上升，花樣的變換也越來(lái)越多，其未來(lái)的應(yīng)用前景也更加廣闊。

一、設(shè)計(jì)要求

光立方被激活或按鈕復(fù)位后，P.無(wú)須通過(guò)別的方式就能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的顯示，從而一下子呈現(xiàn)出準(zhǔn)備工作狀態(tài)。鍵盤(pán)可用于選擇和顯示光立方圖案，并檢測(cè)圖案偏移，然后停止顯示。 這種設(shè)計(jì)需要4×4光立方硬件，完成四個(gè)或更多圖案的顯示。

二、方案分析

2.1系統(tǒng)整體框圖

該系統(tǒng)主要包括如下內(nèi)容：電源電路、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、獨(dú)立鍵盤(pán)電路、主控電路、驅(qū)動(dòng)電路、數(shù)碼管顯示電路、LED燈箱電路、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、獨(dú)立鍵盤(pán)電路均采用單片機(jī)作為輸入，LED光立方電路和數(shù)碼管顯示電路采用單片機(jī)輸出。

2.2光立方發(fā)光的主要原理介紹

對(duì)于光立方的設(shè)計(jì)，必須使用4*4*4的模塊，連接它們的方法是層共陰極和垂直共陽(yáng)極的方法，即每個(gè)陰極都被引導(dǎo)到每層LED燈上。共陰極直接接AT89S52單片機(jī)的P3.7-P3.4線P3口。16根線取自垂直共陽(yáng)極，74HC573鎖存器用于連接每個(gè)芯片上的P0和P2端口。獨(dú)立鍵盤(pán)連接到 P1 端口的線路上。數(shù)碼管顯示電路必須接P0口和P2口。使用C語(yǔ)言編寫(xiě)程序，可以對(duì)光立方的花樣實(shí)現(xiàn)不同的變化。

三、主要的元器件分析

3.1? AT89S52芯片

AT89S52是一款低功耗、高性能的CMOS 8位微控制器。它有一個(gè) 8K 系統(tǒng)來(lái)對(duì)閃存進(jìn)行編程，它由Atmel公司制造，其中很多密度都比較高，屬于一類(lèi)非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)，在引腳上可以完全兼容行業(yè)產(chǎn)品指令80C51。對(duì)于片上 Flash，程序存儲(chǔ)器允許系統(tǒng)編程，也可以由常規(guī)編程器應(yīng)用。在單芯片上，它有一個(gè)8位的CPU，速度更快，更容易在系統(tǒng)上進(jìn)行可編程Flash，在許多控制應(yīng)用系統(tǒng)中，AT89S52被廣泛使用。AT89S52 微控制器上的部分引腳圖。

3.2 74HC573芯片

74HC573是三態(tài)非轉(zhuǎn)移透明鎖存器，屬于八進(jìn)制。 對(duì)于設(shè)備輸入，可實(shí)現(xiàn)兼容標(biāo)準(zhǔn)CMOS輸出;結(jié)合上拉電阻，它們獲得了LS/ALSTTL輸出的兼容性。如果鎖存上升可以很高，則這些設(shè)備上的鎖存對(duì)數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)，無(wú)異于是透明的（即輸出是同步的）。如果鎖存功能被降低，對(duì)應(yīng)于創(chuàng)建時(shí)間和抑制時(shí)間的數(shù)據(jù)將被鎖存。輸出是高阻態(tài)的話，不是高電平也不是低電平。在這種情況下，多個(gè)芯片會(huì)實(shí)現(xiàn)同一個(gè)輸出，如果丟失的輸入數(shù)據(jù)丟失，仍然會(huì)繼續(xù)到芯片的輸出。

3.3四位一體數(shù)碼管

本設(shè)計(jì)中，數(shù)碼管采用四個(gè)共陽(yáng)極，其內(nèi)部電路相連。段控管腳是指高八位管腳，位置控制管腳是下部。使用位置控制輸入方式和控制信號(hào)，按照自己的方式釋放數(shù)碼管。

四、硬件電路模塊分析

4.1最小系統(tǒng)模塊

對(duì)于單片機(jī)的最小系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，它主要包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)、復(fù)位電路、電源電路、下載電路以及時(shí)鐘電路等。

1.電源電路。直流+5V是單片機(jī)的輸入電壓，它要實(shí)現(xiàn)正常工作，需要將+5V 的直流電源接通才可以。為了實(shí)現(xiàn)+5V電源電壓，可以通過(guò)12V變壓器，來(lái)降壓220V的電壓，使其成為需要的12V交流電壓，而后利用整流、穩(wěn)壓、濾波等方式，向系統(tǒng)提供穩(wěn)定的直流電壓+5V。需要選擇2W10型號(hào)的整流橋，2A是其電流的承受能力，1000V是其最大的耐壓能力。進(jìn)過(guò)進(jìn)行計(jì)算，對(duì)濾波電容的C5和C6，取標(biāo)稱值為470μF，減少紋波系數(shù)電容C2取0.1μF，使用LM7805穩(wěn)壓芯片，為了對(duì)發(fā)光二極管進(jìn)行保護(hù)，使其不被燒壞，再通過(guò)1K的保護(hù)電阻R12，才能將穩(wěn)定的+5V電壓進(jìn)行輸出。

2.復(fù)位電路。我們經(jīng)常提到的單片機(jī)，reset是它的初始化操作，主要作用是判斷0000H的PC啟動(dòng)，從0000H單元開(kāi)始，單片機(jī)執(zhí)行程序。除了進(jìn)入通常的系統(tǒng)啟動(dòng)外，如果程序運(yùn)行期間出現(xiàn)了一定的錯(cuò)誤，或者運(yùn)行中出現(xiàn)的一定錯(cuò)誤，系統(tǒng)處于死機(jī)狀態(tài)，要解決問(wèn)題，需要按重置按鈕重新啟動(dòng)它，硬件系統(tǒng)采用的單片機(jī)為AT89S52，單片機(jī)通過(guò)RST引腳復(fù)位形成兩個(gè)高電平周期后即可實(shí)現(xiàn)復(fù)位。因此，如果不按下reset鍵，可以通過(guò)計(jì)算得出電容C1選用22μF，電阻R9選用1K;如果選擇復(fù)位按鈕，則復(fù)位端通過(guò)電阻 R10 連接到 VCC，因?yàn)殡娮?R9 和 R10 有分壓。為確保有效的復(fù)位信號(hào)，電阻 R10 選擇 200Ω。如圖1所示。

3.時(shí)鐘電路。對(duì)于AT89S52，芯片上有一個(gè)由反相放大器構(gòu)成的振蕩電路，振蕩電路的輸入和輸出端分別是XTAL1與XTAL2，電容器C3和C4的作用是對(duì)振蕩頻率進(jìn)行穩(wěn)定，并實(shí)現(xiàn)快速起振，5～33pF為其電容值。我們?cè)趯?shí)際時(shí)鐘電路的應(yīng)用實(shí)踐中，選擇適合自身的尺寸和大小，以電路的對(duì)稱性作為重要支撐，加之較高的匹配度。本設(shè)計(jì)中使用的是其電容上限——33pF，晶振是12MHz。圖2所示的就是其時(shí)鐘電路圖。

4.2驅(qū)動(dòng)模塊

該設(shè)計(jì)使用了兩塊74HC573芯片，將其進(jìn)行并聯(lián)驅(qū)動(dòng)。光立方是豎共陽(yáng)以及層共陰的，十六根導(dǎo)線通過(guò)共陽(yáng)來(lái)引出，其芯片驅(qū)動(dòng)使用74HC573，利用芯片接到P0口以及P2口。四根導(dǎo)線通過(guò)共陰引出來(lái)，將其和P3.7-P3.4口線直接進(jìn)行連接。

4.3鍵盤(pán)模塊

該設(shè)計(jì)使用一個(gè)總共有四個(gè)鍵的非捆綁式的鍵盤(pán)。每個(gè)按鍵之間都是聽(tīng)后自己的命令，每個(gè)按鍵都對(duì)應(yīng)了唯一一個(gè)有效控制一個(gè)光立方顯示的狀態(tài)。圖3為按鍵電路圖，S1-S4按鍵連接到單片機(jī)的P10-P13端口。單片機(jī)芯片上的四個(gè)端口都加了上拉電阻，按下按鈕，相應(yīng)端口電平升高。

4.4顯示模塊

在數(shù)碼管顯示的模塊區(qū)間范圍內(nèi)，可以從下面幾個(gè)組成部分清楚的看到：四個(gè)單數(shù)碼管、74HC573驅(qū)動(dòng)芯片和8個(gè)達(dá)到470Ω電阻。我們所熟知的數(shù)碼管，二極管是它的主體框架和主體結(jié)構(gòu)，假設(shè)發(fā)光二極管沒(méi)有受到外界的干擾而是有序正常工作時(shí)，其兩端被1.6V的正向壓降阻斷，10mA為初始電流。為保證數(shù)碼管達(dá)到更好的亮度，可使用74HC573芯片放大電流作為數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)，進(jìn)而將數(shù)碼管段掌控在自己的手中。

另外，電流的大小一定要適中，一旦超出了預(yù)期，那么數(shù)碼管損壞的幾率就會(huì)非常大，所以在P0上接一個(gè)470Ω的電阻。來(lái)實(shí)現(xiàn)限流。

五、測(cè)試光立方系統(tǒng)

5.1操作介紹

完成電路連接并確保其無(wú)誤后，將電源接通。上電顯示P.，將復(fù)位鍵按下也有P.顯示。將鍵1按下，光立方顯示模塊實(shí)現(xiàn)了全亮并進(jìn)行閃爍。將鍵2按下，光立方顯示模塊由第一層全亮并閃爍開(kāi)始向下移動(dòng)循環(huán)。將鍵3按下，點(diǎn)亮一豎LED燈的左對(duì)角循環(huán)。將鍵4按下，對(duì)于單片的第一豎以及第四豎來(lái)說(shuō)，可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)亮左右循環(huán)。

5.3分析結(jié)果

在成功搭建完成光立方后，對(duì)于整體上電 LED 燈來(lái)說(shuō)，它沒(méi)有發(fā)生半亮或者不亮的現(xiàn)象。光立方利用仿真軟件設(shè)計(jì)，將字體和圖形顯示出來(lái)，具有良好的顯示效果，圖形也可以實(shí)現(xiàn)流暢的變換。

利用Zigbee 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器以及BH1705構(gòu)成的光強(qiáng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在具有較弱或較強(qiáng)的光強(qiáng)時(shí)，可以對(duì)亮度進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，使其達(dá)到光強(qiáng)合適區(qū)，同時(shí)還能進(jìn)行遠(yuǎn)程智能控制。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，同時(shí)具有較高的可靠性，其應(yīng)用價(jià)值也相對(duì)較高。

六、結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)今我國(guó)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)在飛速發(fā)展，人們對(duì)探索對(duì)LED顯示屏各個(gè)方面的腳步一直沒(méi)有停歇，應(yīng)用的廣度和深度正在對(duì)人們的生活產(chǎn)生深刻的影響。今天，它正朝著更高的亮度、更高的耐候性、更高的光密度、更高的均勻性、更強(qiáng)的可靠性和完美的顯色性發(fā)展。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]賴雄輝，方澤彬. 基于物聯(lián)網(wǎng)的3D RGB光立方控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2019，18（4）：1-4，9.

[2]何滔，雷富坤. 基于STC單片機(jī)的8×8×8LED光立方系統(tǒng)設(shè)計(jì)與功能實(shí)現(xiàn)研究[J]. 電子測(cè)試，2020（19）：37-38，17.

[3]張敏. 基于Zigbee控制的LED 3D立體效果顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J]. 通訊世界，2016（17）：277-278.

[4]李紅波，李盛，黃健. 大中型光立方體及驅(qū)動(dòng)組件建模與仿真[J]. 液晶與顯示，2020，35（9）：946-954.

[5] 陳漱文. 一種無(wú)線分布式控制的互動(dòng)地磚屏系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 電子制作，2016（13）：7-9.

[6]顏兵兵，任翔，賈俊成，等. 基于單片機(jī)的LED立體成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，31（3）：393-395.