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3D立方体LED显示屏的设计和制作

范文

李瑞博尤国强樊清江

摘要：针对现在市场上二维LED显示器显示方式单调且立体感差的现象，提出了基于STC15单片机，以ULN2803芯片和74HC573芯片为辅助，用512 个LED灯来实现3D显示的显示器方案设计。基于对3D显示屏的原理分析，并结合相应的硬件电路设计与软件编程，给出了3D显示屏的制作方法，实现了文字画面的立体显示效果。本设计立体视觉效果极佳，可以在任意角度观看具有3D效果的显示内容，对新型广告屏的设计方案具有一定的参考价值。

关键词：STC15单片机;3D显示;LED显示器;广告屏

中图分类号：TP311? ? 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）27-0236-02

1 引言

当前饭店、银行、商铺使用的LED广告屏多为由红色LED组成的二维平面屏幕，这种二维LED屏的显示效果不仅单调、立体感差，且只能在显示屏的前方观看，其缺乏创新性，难以进一步拓展商业价值。因此我们需要在目前传统二维显示屏的基础上，开发三维LED广告屏，以增强人们的视觉体验，进一步丰富LED显示屏类型、开拓广告用显示屏市场。

3D立方体LED显示屏仍是由LED发光二极管为基本单元组成的显示器，该显示屏克服了二维显示屏的显示效果单调、立体感差等缺点，具有可全方位观看的立体显示效果。

本文研究的3D立方体LED显示屏以STC15系列单片机为主控单元，并使用ULN2803芯片和74HC573芯片来为数百个LED发光二极管提供驱动和锁存数据的功能，从而实现LED屏的3D显示效果。本设计与传统2D LED显示屏相比，具有多种优点：（1）具有立体美观的外观造型;（2）可以实现图形的动态静态效果显示，稳定性极好，具有较强的抗干扰性;（3）程序容易修改，可自定义画面效果，可将图形随意变换为动静态字母、数字、三维立体等。

2 整体设计方案

本文研究的3D立方体LED显示屏由512个LED灯组成的立方体显示屏及相应单片机控制系统构成[1-2]。系统通过立方体中最下面水平层面包含的8×8个LED灯作为XY基面，并依次沿竖直（Z轴）方向进行逐层扫描，实现动态控制LED显示效果（如图1所示）。显示屏LED点阵用X、Y、Z三轴立体建模，其中，X轴和Y轴的电平值由锁存器赋予，使得每一层具有指定的显示效果，再通过逐层扫描，在很短时间（20ms）内对各层的X、Y轴给予不同控制电平值，就可以利用人眼的视觉暂留特点实现立体形式的动静态显示效果。

本设计以 STC15单片机作为主控单元，该单片机不仅运行速度快、功率消耗低、具有很强的抗干扰能力，且可以完全兼并传统51单片机的内部功能，并内部集成有MAX810复位电路和晶振电路，不需单独设计复位电路和晶振电路，大大简化了系统的电路设计规模。其还具有8通道高速10位ADC可实现电压采集，以及3路具有PWM输出、软件定时、捕获和高速输出等功能的PCA模块。八重达林顿管芯片ULN2803可以实现8个NPN复合管功能，为所有LED等实现灌电流驱动，保证了LED内具有足够大电流值。另外，系统为扩展单片机的引脚资源，采用了8片74HC573数据锁存器，它们将单片机输出的控制数据保存并赋给各层LED的陰、阳极端口，从而实现了大范围赋值、快速更新数据等功能，保证了显示器图案的稳定显示。该系统的总体设计框图如下图所示。

3 硬件设计

3.1 单片机主控电路

本设计采用STC15单片机进行数据传输和显示控制，该芯片内部集成有8～62KB的Flash存储器和2048B的SRAM储存器，并具有最多42个I/O口线。其中，单片机的P2口与74HC573的8根输入数据端口连接，用于阳极控制数据的发送，对应显示器模型的Y轴;单片机的P3口与ULN2803的基极端口连接，用于控制LED立方体竖直方向8个层面阴极串口的使能;单片机P1口与74HC573的8个数据输入端口和使能端口连接，用于片选、使能和控制数据的发送，从而控制3D显示器的层平面显示内容。因为STC15单片机内部集成了复位和晶振电路，故本设计中没有复位电路和晶振电路部分，在较大程度上简化了电路的规模。单片机主控电路的仿真图如图3所示（图中只绘制了一片74HC573芯片表示单片机与该芯片的连接关系，实际电路中应包含8个74HC573芯片）。

3.2 驱动电路设计

3.2.1 74HC573锁存器电路设计

系统采用74HC573锁存器芯片对3D立方体LED显示器每一列的LED共阳极进行赋值控制。使用74HC573锁存器进行数据输入控制具有以下三个优点：（1）该芯片具备高阻功能，此时端口电平既非高电平，也不是低电平，而是呈现高阻状态，此时可通过8个输出引脚并联输出数据，实现多个芯片的同时控制;（2）该芯片能够对数据存储和锁定，即便单片机结束对74HC573的赋值操作，74HC573的输出端仍能锁定数据，保持稳定输出。

所设计的锁存器电路由8片74HC573锁存器组成，每片74HC573的使能端OE口都接地，8片74HC573的LE锁存端口分别连接单片机的P1.0～P1.7端口，来控制锁存器的读入数据顺序，所有74HC573的8位数据输入端口D0～D7均连接单片机的P2.0～P2.7端口，8位数据输出端口Q0～Q7则分别与对应的64列LED模块共阳极连接。

3.2.2 ULN2803驱动电路设计

由于所设计的3D显示器为立方体，其包含LED数量较多，考虑到单片机提供的拉电流较小，驱动LED灯的能力不足，无法驱动大规模LED模块，故采用ULN2803八重达林顿管模块来以灌电流的方式辅助单片机驱动LED模块。ULN2803驱动电路中将ULN2803的集电极输出端1C～8C与LED模块的层平面共阴极相连，基极输入端1B～8B则分别连接单片机的P3.0～P3.7这8个端口。

4 软件设计

本文设计的3DLED显示屏通过单片机控制端口输出的状态量0或1来控制显示屏中任意LED的亮灭，从而实现三维LED显示屏所需要播放的文字或图案点亮效果。编写相应单片机控制程序的软件流程图如图4所示。

5 结论

本文介绍了一款3D立方体LED显示屏的软、硬件设计原理和方法。所设计的3D显示装置硬件电路和结构设计合理，显示的3D图形稳定无闪烁感，灯光亮度强，可为一般广告用3D显示屏的设计提供一定的理论和的实践经验。从所设计的3D显示屏的实际效果可知，其呈现的3D文字或图形显示效果与传统的2D显示效果相比，立体感更强、更新奇有趣，且观众可以从显示屏的任意方位观看显示内容，预计该设计将成为未来3D效果文字图形显示装置发展的主流趋势。

参考文献：

[1] 刘妍秀. 3D显示技术的原理及应用[J]. 长春大学学报，2011，21（12）： 52-54.

[2] 江山，陈晓西，刘晨曦，等. 基于多层屏的3D显示算法的研究与实现[J]. 实验科学与技术，2017（6）：61-64.

【通联编辑：梁书】

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