描述

摘要：為解決二維LED顯示單調與立體感差的問題，提出了以STC12c5a60s2為核心芯片，輔以ULN2803芯片和74HC573芯片對大功率的512個LED燈驅動來實現3D顯示的設計方案。通過對3D顯示屏原理分析，結合硬件電路設計與軟件編程，完成了8×8×8的顯示屏光立方制作，并給出了最終的交替變換動態效果。

1、總體方案設計

3D顯示屏由512個LED燈構建的三維LED點陣模塊及相應的控制系統構成［3-4］。其外觀規格為18cm×18cm×18cm，各相鄰兩燈間距約為25.6mm。系統通過二維8×8的LED驅動電路控制XY基面，依次沿Z軸方向實現8次掃描，恰好完成一次整體的8×8×8LED從底面到最高面的掃描。整體模型用X、Y、Z三軸模擬，其X軸控制鎖存器使能端，Y軸控制鎖存器數據端，X、Y軸控制XY基面，Z軸控制層面，如圖1所示。利用人眼的視覺暫留效應，分時段刷新每一層面數據就可達到立體顯示的動靜態效果。

本設計采用STC12c5a60s2單片機為核心芯片，該芯片不僅具有運算速度快、功率損耗低、抗干擾能力強等優點，而且內部功能完全兼并8051；同時集成了MAX810專用的復位電路，簡化了傳統的電路設計；其內部還具有8路高速10位A/D轉換和2路PWM，能適應電機控制以及干擾性較強的場合。ULN2803作為整體LED的8位共陰極驅動芯片以增強驅動電流的能力。采用8片規格完全相同的鎖存器74HC573對LED陽極端口控制，可實現圖形穩定顯示、動態快速變換、亮度逐級可調等功能。系統的總體框圖如圖2所示。

2、硬件設計

2.1MCU主控模塊

本系統采用STC12c5a60s2單片機為核心芯片，內部自帶高達60KB的FlashROM和1280BRAM數據儲存器，4組8bit的I/O口。其中P0端口與74HC573數據輸入端口相連，發送陽極數據，對應Y軸；P1口與ULN2803數據輸入端口相連，發送陰極數據，對應Z軸；P2口與74HC573使能端口相連，發送片選信號數據，對應X軸。XTAL1和XTAL2分別連接12MHz晶振兩端，串連30pF電容C1、C2后接地，其晶振可滿足運行速度的要求。由于STC12c5a60s2芯片自帶復位電路，因此忽略了電路中復位電路環節，簡化了電路設計。主控電路如圖3所示。

2.2驅動模塊設計

2.2.1模塊ULN2803設計

由于本設計中LED較多，單片機本身的驅動能力顯得不足，考慮到ULN2803模塊具有較強的灌電流能力，因此作為共陰極(Z軸)驅動，其中com端口接地，1C~8C分別對應主控器的P1.0~P1.7端口，輸出端口1B~8B分別對應LED點陣的8個共陰極端口［5］。最初實驗中采用ULN2803模塊，電流還是未能滿足設計要求，因此增加了圖4所示的外部灌電流驅動電路，實驗效果明顯改善。

2.2.274HC573模塊設計

本設計采用74HC573模塊對陽極束(Y軸)進行并行輸入并行輸出控制。其具有以下優點：(1)具備高阻態功能，輸出既不是高電平，也不是低電平，而是高阻抗狀態，在這種狀態下，可將多個芯片并聯輸出，同時控制；(2)具備數據鎖存功能，當輸入的數據消失時，在芯片的輸出端數據仍然保持；(3)具備數據緩沖功能，可加強電路的驅動能力。

74HC573模塊驅動電路如圖5所示。8片鎖存器使能端OE口均接地，LE鎖存端口P2.i分別與主控系統中P2對應的第i位端口相連，8位數據輸入端口D0~D7分別與主控系統P0口并行連接，8位數據輸出端口Q0~Q7分別與對應8列X軸即64位陽極束連接。

3、軟件設計

本實驗3D顯示屏LED點陣模塊是在二維的基礎上通過層疊加原理實現的［6］，因此可將三維8×8×8模型看作是64×8的平面模型，即對應的XY面與Z面的相互作用模型。其中64看作陽極束，一片74HC573芯片輸出端為8位，恰好設計8片74HC573芯片控制64位陽極束。8看作陰極束，用一片ULN2803芯片控制。因此64×8對應了全部的512位即512個LED燈。每一位采用狀態0或1可對其進行亮或滅控制，實現三維LED燈的發光或熄滅。

此設計采用X、Y、Z三軸三維模型模擬，其中任意LED燈的坐標為LED(X，Y，Z)，坐標范圍均為0~7。當要(3，4，5)點坐標燈亮，控制其Z=4處平面燈全亮即輸入端口為高電平1，其余為低電平0；Y=3處平面燈全亮即輸入端口為高電平1，其余為低電平0；X=2處平面輸入端口對Y=3處平面數據進行鎖存即由高電平1變為低電平0，這樣便可實現LED(3，4，5)坐標燈保持高亮，其余燈熄滅。由此通過點可實現線、面、體以及兩兩結合組成的各種三維立體動靜態圖形顯示。由于動畫顯示只有大于15幀時人眼才可看到流暢的動態效果，因此在動態圖形中掃描周期必須小于(1/15)s，即每層停留的時間t最多為(1/15)×(1/8)［7］。此效果的顯示都是通過軟件來實現的，這里顯示一個簡單的動態沙漏程序，代碼如下：

voidshalou()

{inti，j，d；

chushihua()；//初始化函數

for(j=0；j《8；j++)

{

For(d=0；d《5*(8-j)；d++)

{

For(i=0；i《=j；i++)

{

CLEAR()；//清屏函數

P0=SHALOU［i］；//Y軸掃描數據

P2=SHALOU［i］；//X軸存入高電平數據

P2=0x00；//X軸低電平鎖存數據

P1=0x80》》i；//Z軸發送層掃描函數

Delayms(5)；

}

}

}

For(j=7；j》=0；j--)

{

For(d=0；d《5*(8-j)；d++)

{

For(i=0；i《=j；i++)

{

CLEAR()；

P0=SHALOU［i］；//Y軸掃描數據

P2=SHALOU［i］；//X軸存入高電平數據

P2=0x00；//X軸低電平鎖存數據

P1=0x01《《i；//Z軸發送層掃描函數

Delayms(5)；

}

}

}

實現該代碼的思路流程如圖6所示

4、仿真效果

本設計通過硬件電路設計與軟件編程實現了3D效果顯示，如圖7所示。其中，圖7(a)為動態沙漏的某一瞬間截取圖；圖7(b)為動態桃心的某一瞬間截取圖；圖7(c)為動態平面前后掃面的某一瞬間截取圖；圖7(d)為整體靜態顯示圖。從圖7(a)、(b)可明顯看出圖形的立體層次感；從圖7(c)、(d)可看出，與平面二維效果相比，三維立體方位感更強、更真實。

5、結論

本文實現了從開始的硬件設計到最終的軟件仿真，達到了以下目的：(1)該電路設計合理，不僅圖形的穩定性好，而且觀賞性強，為其他三維效果設計提供了一定的實踐基礎；(2)從仿真結果可看出三維效果比二維效果立體感更強、更真實，該設計方案是以后各立體效果圖形設計采納的主流趨勢。然而，由于條件限制，通過A/D轉換音頻控制LED未能進一步設計，將在以后的工作中利用離散傅里葉光學變換展開研究。

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總結

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