【正文】 的內(nèi)容和 LED 顯示屏現(xiàn)實(shí)的內(nèi)容是同時(shí)的，主要優(yōu)點(diǎn)在于一個(gè)微型計(jì)算機(jī) 5 5 即可以進(jìn)行控制，可以說在信息傳播方面不遜于任何的顯示裝置， LED 不僅能夠?qū)崿F(xiàn)二維顯示而且還能實(shí)現(xiàn) 3D 顯示，這對于人們來說是一種新的視覺體驗(yàn)，使人們的生活更加的多彩多姿、充滿新奇。 現(xiàn)如今這個(gè)基礎(chǔ)材料產(chǎn)業(yè)化的時(shí)代， LED 顯示屏的制作成本不斷下降，在基于微處理器的 控制系統(tǒng)下發(fā)展迅速，這使得 LED 產(chǎn)業(yè)蒸蒸日上，同時(shí) LED 的產(chǎn)品性能在顯示亮度、色彩、白平衡均有一個(gè)比較理想的效果 LED 發(fā)展給我們帶來的機(jī)遇 LED 作為一種高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，無疑是各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域想要涉足的產(chǎn)業(yè)，隨著近幾年我國的發(fā)展， LED 顯示技術(shù)在中國取得了先進(jìn)的技術(shù)成果，涌現(xiàn)了一批具有領(lǐng)先水平的企業(yè)，伴隨著社會的不斷進(jìn)步 LED 的需求不斷加大，同時(shí)這方面的技術(shù)人才也將會是各個(gè)企業(yè)一個(gè)競相競爭的領(lǐng)域，電子信息化的時(shí)代 LED 顯示技術(shù)是不可或缺的，這方面給我們個(gè)人和國家的基于也是勢在必得的。應(yīng)用 LED 二極管構(gòu)成光立方顯示模塊，設(shè)計(jì)發(fā)光管的分頁方法、微處理器的連接方式。 本課題制作了一個(gè)由 LED 制作的立方體， 主控芯片選用 60K STC12C5A60S2，外接時(shí)鐘驅(qū)動信號電路；并且使用 的外部晶振；采用單片機(jī)燒錄程序控制LED 的亮滅進(jìn)行動畫的演示。 第三章介紹電路的設(shè)計(jì)的思路，對各個(gè)模塊進(jìn)行詳細(xì)的說明，介紹各個(gè)芯片的特點(diǎn)以及引腳功能，并且對芯片的進(jìn)行論述與選擇。 第五章是對調(diào)試過程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤和問題以及解決辦法進(jìn)行闡述。 7 7 2 3DLED 顯示屏的基本構(gòu)想 本設(shè)計(jì)制作一個(gè) 8*8*8 的光立方，一共包含 512 個(gè) LED 燈，其結(jié)構(gòu)為 8 層 64 束或 8 面 64 束（規(guī)定橫向?yàn)閷涌v向?yàn)槊妫? 我們知道一個(gè)平面是二維度的，一條線是一維度的，那么光立方這個(gè)三維空間就可以分解為一個(gè)二維度和一個(gè)一維度組成的空間，二維 度就是上圖所示的層，一維度就是那一條豎虛線，如果想要控制其中一個(gè)小燈那么就可以通過控制這個(gè)小燈所在的一層和所在一束來實(shí)現(xiàn)。這就是本方案的基本實(shí)現(xiàn)原理。采用層共陰束共陽的原因是比較容易控制燈體，也有利于電路設(shè)計(jì)和便于系統(tǒng)的焊接，而且考慮到所使用驅(qū)動芯片 ULN2803 的灌電流特性此設(shè)計(jì)也非常適用。如下圖為一面 LED 燈的連接圖。下圖為一層的連接圖其中右邊的結(jié)點(diǎn)連接 ULN2803 的一個(gè)引腳。 單片機(jī)最主要的輸入輸出口分配不同設(shè)計(jì)方案就不同，程序的編寫就要有所變動，所以說提前了解接口分配對于程序的編寫十分重要。 例如只要求讓下圖圓圈所示的黃色 LED小燈唯一亮起 (其中橫向箭頭表示層引腳，豎向箭頭表示控制這一面的芯片 )，只要讓 ULN2803 控制第二層的引腳為低電平其他引腳為高阻態(tài)，即 P1 送入 0x00000010，控制第二面的 74HC573 的 LE 端打開使其工作，其他的 LE 端關(guān)使其不工作， P2 送入 0x00000010，同時(shí)使第二片 74HC573 控制這一束的引腳置為高，假設(shè)為第一束那么 P0 送入 0x00000001，這時(shí)因?yàn)槠渌?4HC573 是不工作的所以與這個(gè)小燈同一行的燈是不會亮的，這就實(shí)現(xiàn)了只點(diǎn)亮這個(gè)小燈。那么如何選擇合適的單片機(jī)將會是決定整個(gè)系統(tǒng)顯示效果的關(guān)鍵問題。 單片微型計(jì)算機(jī)（ Single Chip Microputer）簡稱單片機(jī) [2]。經(jīng)過長期快速的發(fā)展單片機(jī)已經(jīng)擁有一個(gè)龐大的家族，從通信到交通 存在我們生活的方方面面，為我們的生活質(zhì)量的ULN2803 芯片 驅(qū) 動 芯片 電源 STC12C5A60S2 單片機(jī) 顯示電路 11 11 提高帶來了巨大的貢獻(xiàn)。 高速、低功耗的 STC12C5A60S2 單片機(jī)與普通 51 單片機(jī)的程序代碼完全兼容，速度是 8051 的 812 倍，并且可以進(jìn)行串口編寫燒錄功能；關(guān)于時(shí)鐘電路，使用了12MHZ 的石英晶振。 單片機(jī)最小系統(tǒng) 單片機(jī)最小系統(tǒng)組成部分 有： （ 1）晶振 （ 2）復(fù)位電路 （ 3）電源 （ 4）輸入 /輸出設(shè)備 四個(gè)部分組成，最小系統(tǒng)是單片機(jī)用來實(shí)現(xiàn)控制的基礎(chǔ)，如果把單片機(jī)比作大腦那么最小系統(tǒng)就是整個(gè)身體，整個(gè)光立方就是這個(gè)身體控制的機(jī)器，通過各個(gè)部分的協(xié)調(diào)合作來調(diào)度整個(gè)大系統(tǒng)的工作實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能。時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生必要的控制型號。 13 13 圖 內(nèi)部時(shí)鐘電路 外部時(shí)鐘：即在單片機(jī)外部外設(shè)一個(gè)外部振蕩器接入 XTAL2，同時(shí)讓 XTAL1 接地，可以 檢測 XTAL2 是否有波形， XATL1 與 XATL2 之間是否有足夠的電壓來驗(yàn)證是否起振。 XTAL2. XTAL1 C1 C2 晶振 GND 外部時(shí)鐘 XTAL2 XTAL1 VCC 14 14 （ 3）輸入輸出口： STC12C5A60S2 的 P0 到 P3 都是雙向輸入輸出口，但是 P0 為開漏輸出口輸出一直為低電平，在使用 P0 口時(shí)要想獲得正常的輸出必須在 P0 口加上上拉電阻。 選擇使用 STC12C5A60S2 單片機(jī)的原因 在選擇單片機(jī)（也就是控制模塊）的時(shí)候主要參考了兩個(gè)方案： 方案一 采用接觸比較多的 AT89C51 作為 整個(gè)系 統(tǒng)的核心，但是 FLASH 只有 4K,為了光立方有更好的表現(xiàn)采用的程序也很大，而且要求也相對比較高，所以排除使用AT89C51 作為控制模塊的內(nèi)核。 .1 ULN2803 的介紹 ULN2803（八重達(dá)林頓）使用時(shí) 10 腳接正極 9 腳接地 1 進(jìn) 18 出 2 進(jìn) 17 出 3進(jìn) 16 出 以此類推 共 8 路。ULN2803 與標(biāo)準(zhǔn)的 TTL 系列電兼容，即能識別 TTL 電路輸出的信號當(dāng) = 時(shí)為低電平 0，當(dāng) =2V 時(shí)為高電平 1。 圖 管腳連接圖 圖 ULN2803 的外形 圖 ULN2803 的內(nèi)部電路圖 ULN2803 內(nèi)部為 8 重達(dá)林頓管，所謂達(dá)林頓管就是一對共基的復(fù)合管，兩個(gè) NPN三極管串聯(lián)，他的放大倍數(shù)是兩個(gè) NPN 放大倍數(shù)之積，放大倍數(shù)是非?？捎^的，所以它一般 是用來放大非常微小信號。 圖 晶體管的輸出特性曲線 截止表 示三極管不工作輸出高電平，飽和表示三極管導(dǎo)通輸出低電平 圖 NPN 三極管 b 為基極， c 為集電極， e 為發(fā)射極。舉個(gè)例子： Ib=2mA，這時(shí) 集電極的電流為 200mA，如果 Ib 繼續(xù)增大那么集電極的電流都不再增大了，因?yàn)橄蘖麟娮柙试S的最大電流為 10247。 （ 1） （ 2） 三極管的兩種連接方式 上圖為三極管的兩種連接方式，第一種很顯然只有當(dāng)單片機(jī)輸出為高電平 1 時(shí)發(fā)光二極管才開始工作這時(shí)就需要 NPN 截止，但是當(dāng) NPN 截止時(shí)流過二極管的電流很小即使發(fā)光也是非常微弱的， LED 的特性會在后面詳細(xì)介紹。 對于第一種情況可以加上一上拉電阻，一般情況下三極管最 高電流為 15mA,一般上拉電阻上的電壓為 5V R 上拉 =5247。 330=（毫安 ） （ ） 其中 為發(fā)光二極管的壓降，但是這樣的方式缺點(diǎn)就是即時(shí)發(fā)光二極管不亮也會有很大的電流消耗。 15=（ KΩ） （ ） 這時(shí)二極管的電流比較大也就比較亮，當(dāng)三極管截止工作那么電流截止發(fā)光二極管就不會亮也不會產(chǎn)生電流消耗。 因?yàn)閱纹瑱C(jī)的驅(qū)動能力 是有限的，單靠單片機(jī)驅(qū)動 512 個(gè) LED 燈必然會對單片機(jī)的驅(qū)動能力造成極大的挑戰(zhàn)，所以需要緩沖器來增強(qiáng)擴(kuò)展能力，本方案采用了74HC573 作為緩沖器，下面將詳細(xì)介紹。 19 19 圖 74HC573 管腳排列圖示 表 1 74HC573 的功能表 輸入狀態(tài) 輸出狀態(tài) OUTPUT ENABLE LATCH ENABLE D Q 0 1 1 1 0 1 0 0 0 0 X 鎖存 1 X X 高阻態(tài) X 表示無論輸入什么都沒有影響 （ 3）可以與 TTL,CMOS 電路兼容 （ 4）對于控制端具有緩沖的功能 （ 5）能使有滯后現(xiàn)象的干擾得到有效的改善 像 74HC573 這種芯片的電路的優(yōu)點(diǎn)在于當(dāng)作為驅(qū)動與系統(tǒng) 的總線接口相接時(shí)用不到其他的外接接口，因此本方案在選擇驅(qū)動時(shí)選擇了 74HC573 這種可以緩沖又能適用雙向總線驅(qū)動的 8D 鎖存器。（ 50+500） = () 電壓 = 500= () 根據(jù) TTL 電路高低電平的依據(jù)輸出為高電平說明是可以這樣接的 。 原因二：由于光立 方由 512 個(gè) LED 組成電流要求比較大， ULN2803 可以承受較大的灌電流，因此由于 ULN2803 具有高耐壓大電流的特性特別適合用于驅(qū)動光立方，并且一個(gè)集成芯片具有 8 個(gè)三極管的功能減少了整個(gè)電路設(shè)計(jì)的時(shí)間。 采用 74HC573 的原因 21 21 在選擇陽極驅(qū)動芯片時(shí)有 74HC373 和 74HC573 兩種選擇，這兩個(gè)芯片功能相同，但是 74HC573 的引腳比較容易布線，并且相對來說 74HC573 的工作電壓范圍更加的寬，因此對于本設(shè)計(jì)來說 74HC573 更加適合 顯示模塊 顯示模塊為由 512 個(gè) LED 燈焊接成的光立方，本章主要介紹 LED 燈的特性。U 擊穿 () IR 為反向電流， IR 受周圍環(huán)境的影響它與溫度成正比，它和二極管的單向?qū)щ娦允浅煞幢鹊模?fM 是二極管允許的最大頻率，工作頻率是不能超過這個(gè)頻率的不然會因?yàn)榻Y(jié)電容的影響導(dǎo)致二極管不能正常工作。 圖（ b）中 UOn 為導(dǎo)通電壓，他可以看做是二極管與一個(gè)電源相串聯(lián)。 了解了二極管的主要參數(shù)和等效電路才能更精準(zhǔn)的對發(fā)光二極管進(jìn)行控制。 此外還有穩(wěn)壓二極管和發(fā)電二極管等二極管。 23 23 4 各模塊的組建 光立方的組成搭建與注意事項(xiàng) 如附錄圖 1 所示，光立方每一面都有 64 個(gè)燈橫向 8 個(gè)燈縱向 8 個(gè)燈，一共有 8個(gè)橫向陰極 8 個(gè)縱向陽極，陰極是由 ULN2803 控制的，陽極是由 74HC573 控制的，立方體一共由 8 個(gè)面組成。為了整個(gè)光體的美感整個(gè)框架都是 LED 自身的引腳支撐。 圖 LED 的折彎方式 第三步就要焊接，先把 8 個(gè)小燈的陽極連接起來，然后再把 8 條每一條多余出來的陰極相連接焊成一面，見附錄圖 圖 2； 第四步就要把 8 面全部插在板上用鐵條固定，然后把每一層的 8 個(gè)陰極都連接起來，見附錄圖 3； 在焊接過程中要注意的就是要防靜電，否則會導(dǎo)致小燈的損壞，經(jīng)過查詢后得知可以用防靜電焊臺，也可以用一根絕緣層的導(dǎo)線把焊頭接地，另外還有用余溫焊接的方式但是太慢，采用的是接地的方式。此外每一次焊接完畢都要測試是不是每個(gè)小燈都會亮以此來及時(shí)更換壞掉的小燈。 單片機(jī)和驅(qū)動芯片選擇的都是直插式，便于芯片的更換，也便于單片機(jī)程序的燒錄。 512 個(gè) LED 燈一個(gè)一個(gè)檢測是非常繁瑣的，所以采用了用一根導(dǎo)線將每一層的陰極連接，用一根導(dǎo)線將同一層陽極連接，然后用 5V 電源接上一個(gè) 1K 電阻檢測每一層是否有小燈壞掉，如果外面有小燈壞掉更換比較容易，里面有小燈壞掉采用的附錄圖 4 的更換方式。 單片機(jī)正常工作后 LED 燈有一面亮度很暗，分析原因有： （ 1）這一面的陽極沒有連接好 （ 2）送達(dá)這一面的電流太小 檢測電流只有 2 毫安左右，經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)控制這一面的 74HC573VCC 端電壓只有,直接將 VCC 端接至 5V 電源端再運(yùn)行可正常亮度顯示。 在運(yùn)行后發(fā)現(xiàn)光立方的亮度太低，分析原因如下： 剛開始以為是限流電阻的電阻值太高可是經(jīng)過換小電 阻后有著非常小的改善，用 26 26 萬用表檢測發(fā)現(xiàn)電流才 ，然后在串口處連接了上拉電阻提高電壓，效果有了明顯改善。 程序的調(diào)試 一開始程序發(fā)現(xiàn)并不能進(jìn)行編譯，號召同學(xué)們通力合作怎么也發(fā)現(xiàn)不了錯(cuò)誤，最后才發(fā)現(xiàn)原來頭文件寫成了 include，應(yīng)該寫為 include，并且保存了這個(gè)頭文件后能夠成功編譯。