摘要：為解決二維LED顯示單調(diào)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(qū)動來實現(xiàn)3D顯示的設(shè)計方案。通過對3D顯示屏原理分析，結(jié)合硬件電路設(shè)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(tài)效果。

　　1、總體方案設(shè)計

　　3D顯示屏由512個LED燈構(gòu)建的三維LED點陣模塊及相應(yīng)的控制系統(tǒng)構(gòu)成［3-4］。其外觀規(guī)格為18cm×18cm×18cm，各相鄰兩燈間距約為25.6mm。系統(tǒng)通過二維8×8的LED驅(qū)動電路控制XY基面，依次沿Z軸方向?qū)崿F(xiàn)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(shù)據(jù)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(yīng)，分時段刷新每一層面數(shù)據(jù)就可達(dá)到立體顯示的動靜態(tài)效果。

　　本設(shè)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(yōu)點，而且內(nèi)部功能完全兼并8051；同時集成了MAX810專用的復(fù)位電路，簡化了傳統(tǒng)的電路設(shè)計；其內(nèi)部還具有8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換和2路PWM，能適應(yīng)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(qū)動芯片以增強驅(qū)動電流的能力。采用8片規(guī)格完全相同的鎖存器74HC573對LED陽極端口控制，可實現(xiàn)圖形穩(wěn)定顯示、動態(tài)快速變換、亮度逐級可調(diào)等功能。系統(tǒng)的總體框圖如圖2所示。

　　2、硬件設(shè)計

　　2.1MCU主控模塊

　　本系統(tǒng)采用STC12c5a60s2單片機為核心芯片，內(nèi)部自帶高達(dá)60KB的FlashROM和1280BRAM數(shù)據(jù)儲存器，4組8bit的I/O口。其中P0端口與74HC573數(shù)據(jù)輸入端口相連，發(fā)送陽極數(shù)據(jù)，對應(yīng)Y軸；P1口與ULN2803數(shù)據(jù)輸入端口相連，發(fā)送陰極數(shù)據(jù)，對應(yīng)Z軸；P2口與74HC573使能端口相連，發(fā)送片選信號數(shù)據(jù)，對應(yīng)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(fù)位電路，因此忽略了電路中復(fù)位電路環(huán)節(jié)，簡化了電路設(shè)計。主控電路如圖3所示。

　　2.2驅(qū)動模塊設(shè)計

　　2.2.1模塊ULN2803設(shè)計

　　由于本設(shè)計中LED較多，單片機本身的驅(qū)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(qū)動，其中com端口接地，1C~8C分別對應(yīng)主控器的P1.0~P1.7端口，輸出端口1B~8B分別對應(yīng)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(shè)計要求，因此增加了圖4所示的外部灌電流驅(qū)動電路，實驗效果明顯改善。

　　2.2.274HC573模塊設(shè)計

　　本設(shè)計采用74HC573模塊對陽極束（Y軸）進(jìn)行并行輸入并行輸出控制。其具有以下優(yōu)點：（1）具備高阻態(tài)功能，輸出既不是高電平，也不是低電平，而是高阻抗?fàn)顟B(tài)，在這種狀態(tài)下，可將多個芯片并聯(lián)輸出，同時控制；（2）具備數(shù)據(jù)鎖存功能，當(dāng)輸入的數(shù)據(jù)消失時，在芯片的輸出端數(shù)據(jù)仍然保持；（3）具備數(shù)據(jù)緩沖功能，可加強電路的驅(qū)動能力。

　　74HC573模塊驅(qū)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(tǒng)中P2對應(yīng)的第i位端口相連，8位數(shù)據(jù)輸入端口D0~D7分別與主控系統(tǒng)P0口并行連接，8位數(shù)據(jù)輸出端口Q0~Q7分別與對應(yīng)8列X軸即64位陽極束連接。

　　3、軟件設(shè)計

　　本實驗3D顯示屏LED點陣模塊是在二維的基礎(chǔ)上通過層疊加原理實現(xiàn)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(yīng)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(shè)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(yīng)了全部的512位即512個LED燈。每一位采用狀態(tài)0或1可對其進(jìn)行亮或滅控制，實現(xiàn)三維LED燈的發(fā)光或熄滅。

　　此設(shè)計采用X、Y、Z三軸三維模型模擬，其中任意LED燈的坐標(biāo)為LED（X，Y，Z），坐標(biāo)范圍均為0~7。當(dāng)要（3，4，5）點坐標(biāo)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(shù)據(jù)進(jìn)行鎖存即由高電平1變?yōu)榈碗娖?，這樣便可實現(xiàn)LED（3，4，5）坐標(biāo)燈保持高亮，其余燈熄滅。由此通過點可實現(xiàn)線、面、體以及兩兩結(jié)合組成的各種三維立體動靜態(tài)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(tài)效果，因此在動態(tài)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(xiàn)的，這里顯示一個簡單的動態(tài)沙漏程序，代碼如下：

　　voidshalou（）

　　{inti，j，d；

　　chushihua（）；//初始化函數(shù)

　　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(shù)

　　P0=SHALOU［i］；//Y軸掃描數(shù)據(jù)

　　P2=SHALOU［i］；//X軸存入高電平數(shù)據(jù)

　　P2=0x00；//X軸低電平鎖存數(shù)據(jù)

　　P1=0x80》》i；//Z軸發(fā)送層掃描函數(shù)

　　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(shù)據(jù)

　　P2=SHALOU［i］；//X軸存入高電平數(shù)據(jù)

　　P2=0x00；//X軸低電平鎖存數(shù)據(jù)

　　P1=0x01《《i；//Z軸發(fā)送層掃描函數(shù)

　　Delayms（5）；

　　}

　　}

　　}

　　實現(xiàn)該代碼的思路流程如圖6所示

　　4、仿真效果

　　本設(shè)計通過硬件電路設(shè)計與軟件編程實現(xiàn)了3D效果顯示，如圖7所示。其中，圖7（a）為動態(tài)沙漏的某一瞬間截取圖；圖7（b）為動態(tài)桃心的某一瞬間截取圖；圖7（c）為動態(tài)平面前后掃面的某一瞬間截取圖；圖7（d）為整體靜態(tài)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(jié)論

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