基于51单片机的LED立方体显示器设计论文

• 绪论
  

发光二极管((Lighting Emitting Diode）)，是一种把电能变成光能的特种器件，主要由PN结芯片、电极和光学系统构成。当系统受到外界激发后，会从稳定的低能态跃迁到不稳定的高能态，当系统由不稳定的高能态重新回到稳定的低能态时，能量差以光的形式辐射出来，就会产生发光现象。当在PN结上加以正向电压之后，P区的空穴注入至N区，N区的电子注入至P区，相互注入的电子与空穴相遇后即产生复合，这些多数载流子在结的注入和复合中产生辐射而发光。它是自发辐射发光，不需要较高的注入电流产生粒子数反转分布，也不需要光学谐振腔，发射的是非相干光。

LED显示屏发展经历了三个阶段：

（1）LED大约是在80年代中期开始在电子显示屏中使用的。进入90年代以后，由于半导体工业的迅猛发展，带动了LED制造材料和工艺的改进，在颜色与亮度方面都有了质的飞跃。早期的LED显示屏，由于受材料和工艺的限制，视角仅有200一300左右，从而制约了LED显示屏的发展。在分辨率方而，由于受当时数字技术、集成电路技术和控制技术等技术的限制，很难作出高密度的LED显示屏。今后随着半导体工业的不断发展，无论是材料，还是加工工艺，都会不断地提高，LED显示屏在颜色、视角、亮度、密度、寿命等方面也会逐步完善，价格也会进一步降低一方面，受LED材料器件的限制，LED显示屏的应用领域没有广泛展开，另一方面，显示屏控制技术基本上是通讯控制方式，客观上影响了显示效果。这一时期的LED显示屏在国外应用较广，国内很少，产品以红、绿双基色为主。

（2）1990-1995年，这一阶段是LED显示屏迅速发展的时期。进入九十年代，全球信息产业高速增长，信息技术各个领域不断突破，LED显示屏在LED材料和控制技术方面也不断出现新的成果。蓝色LED晶片研制成功，全彩色LED显示屏进入市场；电子计算机及微电子领域的技术发展，在显示屏控制技术领域出现了视频控制技术，显示屏灰度等级实现16级灰度和64级灰度调灰，显示屏的动态显示效果大大提高。

（3）1995年以来，LED显示屏的发展进入一个总体稳步提高产业格局调整完善的时期。1995年以来，LED显示屏产业内部竞争加剧，形成了许多中小企业，产品价格大幅回落，应用领域更为广阔，产品在质量、标准化等方面出现了一系列新的问题，有关部门对LED显示屏的发展予以重视并进行了适当的规范和引导，目前这面的工作正在逐步深化。

近年来，随着高亮度发光二极管技术的发展，LED显示屏从室内走到室外，其显示内容也从没有层次的计算文字动画发展到能显示有层次的电视图像。国家信息产业部委托蓝通电子科技有限责任公司制定的《LED显示屏技术条件》也于1998年正式颁布实施。

进入新世纪，光电子产业得到广泛的重视，中国加入WTO、北京奥运成功举办等，成为LED显示屏产业发展的契机，我国LED显示屏及相关的技术必将得到飞跃发展。

1.2LED显示技术的发展规模

2008年、2009年度的产业增长中，北京奥运会、国庆60周年庆典活动、上海世博会等重大活动的拉动因素不容忽视。对此，一方面要有理性认识，另一方面要以此为契机，认真总结经验，积极推广技术创新成果，拓展新市场，方能保持行业的持续发展。直至2011年中国LED户外电子显示屏广告市场规模达到12.15亿元，较上年增长了35.5%。数据统计，这个广告市场的规模可望达到15.5亿元人民币，同比增长27.6%。近年来，在国家的政策支持下游应用需求的带动下，国内LED行业发展迅速，形成了较为完整的LED产业链体系，业内掀起一股建设热潮。产品行业应用领域逐渐扩大，在交通安全领域，显示屏应用日渐普及越来越得到大家认可，正全力充当智能交通得力助手。

1.3LED显示技术的发展趋势

   二十一世纪的显示技术将是平板显示的时代，LED显示屏作为平板显示的主导产品之一将有更大的发展，并有可能成为二十一世纪平板显示的代表性主流产品。

白光LED是LED产业中最被看好的新兴产品，在全球能源短缺的忧虑再度升高的背景下，白光LED在照明市场的前景备受瞩目。欧、美及日本等先进技术国家也投注许多人力，成立专门的机构推动白光LED研发工作。可见国外LED显示屏技术主要集中在新材料的开发上，以新发光材料来提高显示屏的视觉效果、能耗等各种性能。

随着能源紧缺问题越来越突出，LED的重要性和市场空间更加显著。鉴于我国LED产业的现状，不论技术还是产能短期内达到世界先进水平都有相当大的难度。要在国内发展高亮LED产业，可以充分利用国内现有的研发和生产力量，走合作发展的道路。

半导体产业的全球化发展，是每个企业都要面对和无法回避的。国内企业通过规范股权架构、加大研发，采取并购和合作的方式将海外先进技术引入国内，可争取与国际大厂基本在同一技术水平进行产业竞争。继上海、厦门、大连、南昌和深圳成为首批五个国家半导体产业化基地，国内封装和应用企业形成快速的市场适应能力和价格优势，我国大陆已经成为世界上重要的LED封装生产基地。封装及应用，尤其是国际应用产品加工有向我国转移的趋势。在封装和应用领域中国已经完全有可能、有能力在高端市场占据一席之地，但必须加大产品的创新、加强品牌的培育。目前全世界都在寻求解决经济发展和能源短缺的矛盾，给整个绿色照明生产行业带来广阔的市场前景与新的机遇。

   随着社会科技的进步和户外广告的发展，人们对户外广告媒体的要求也越来越高，传统的路牌、灯箱、单立柱、霓虹灯等表现形式单一的户外广告媒体已经无法满足受众的需求。户外广告市场上的竞争将是品牌价值、客户管理和专业品质的较量，于是，LED开始浮出水面。LED大型显示屏是科技与媒体的完美结合，能把该理念充分发挥，当仁不让地成为未来户外广告媒体发展趋势。

LED显示屏不仅画面亮度高、对比度大，色彩鲜艳，而且可显示动态画面和文字，它主动光发，远距离分辨率高，即使在百米以外，视觉效果跟在家里看电视一样，已广泛用于人流量多的公共场所、交通要道承担着信息发布实时更新的重任。

3D一词，现在在显示业可谓大行其道，显示器巨头们也是争相推出了自家的当家花旦—3D电视。现在商家们都会把3D技术作为一项亮点来推销，而消费者在购买时也都接受这一技术，甚至愿意为之买单，享受其提供的视觉享受。3D显示技术显然受到了消费者的追逐。3D技术也有缺点，观看时需佩戴3D眼镜。这就制约了它在生机磅礴的户外广告业的发展，试想如果让3D显示技术出现在户外广告中，人们对观看广告兴趣会提高，对于广告投放者来说就是莫大的福音，因为广告效果将会事半功倍。但是平面的LED显示屏是难以突破这种技术的，解决的方法就是立方体的LED显示器，让它实现裸眼3D。

第二章 LED显示技术的理论基础

2.1LED器件的应用基础

LED器件种类繁多。早期LED产品是单个的发光灯，随着数字化设备的出现，LED数码管和字符管得到了广泛的应用。
LED发光灯可以分为单色发光灯、双色发光灯、三色发光灯、面发光灯、闪烁发光灯、电压型发光灯等多种类型。按照发光灯强度又可以分为普通亮度发光灯、高亮度发光灯等。
LED发光灯的外形由PN结、阳极引脚、阴极引脚和环氧树脂封装外壳组成。其核心部分是具有注入复合发光功能的PN结。环氧树脂封装外壳除具有保护芯片的作用外，还具有透光聚光的能力，以增强显示效果。
LED器件通常用砷化镓（GaAs）、磷化镓（GaP）等半导体材料制成。当向LED器件施加正向电压时，器件内部的电子与空穴直接复合而产生能量，以光的形式释放出来，产生半导体发光。因此LED的驱动就是如何使它的PN结处于正偏状态，而且为了控制它的发光强度，还要解决正向电流的调节问题。具体的驱动方法可以分为直流驱动、恒流驱动、脉冲驱动和扫描驱动等。

2.1.1LED屏的工作原理

LED显示屏通常由若干LED点阵显示模块组成，用于显示的8x8单色LED显示点阵模块，每块有64个LED。为了减少引脚且便于封装，LED显示点阵模块采用阵列形式排布，即在行列线的交点处接有显示LED 。 8X8 LED点阵的外观及引脚如图3-1，等效电路图如图3-2所示。

图2-3-1 8*8LED点阵的外观及引脚

图2-3-2 8*8LED点阵等效电路图

LED显示屏的基本工作原理是动态扫描。动态扫描又分为行扫描和列扫描两种方式，常用的方式是行扫描。行扫描方式又分为8行扫描和16行扫描两种。　　在行扫描工作方式下，每一片LED点阵片都有一组列驱动电路，列驱动电路中一定有一片锁存器或移位寄存器，用来锁存待显示内容的字模数据。在行扫描工作方式下，同一排LED点阵片的同名行控制引脚是并接在一条线上的，共8条线，最后连接在一个行驱动电路上；行驱动电路中也一定有一片锁存器或移位寄存器，用来锁存行扫描信号。
　　LED显示屏的列驱动电路和行驱动电路一般都采用单片机进行控制，常用的单片机是MCS51系列。LED显示屏显示的内容一般按字模的形式存放在单片机的外部数据存储器中，字模是8位二进制数。
　　单片机对LED显示屏的控制过程是先读后写。按LED点阵片在屏幕上的排列顺序，单片机先对第1排的第1片LED点阵片的列驱动锁存器，写入从外部数据存储器读得的字模数据，接着对第2片、第3片……直到这一排的最后一片都写完字模数据后，单片机再对这一排的行驱动锁存器写行扫描信号，于是第1排第1行与字模数据相关的发光二极管点亮。接着第2排第1行、第3排第1行……直到最后一排第1行的点亮。各排第1行都点亮后，延时一段时间，然后黑屏，这样就算完成了单片机对LED显示屏的一行扫描控制。
　　单片机对LED显示屏第2行的扫描控制、第3行的扫描控制……直到第8行的扫描控制，其过程与第1行的扫描控制过程相同。对全部8行的控制过程都完成后，LED显示屏也就完成了1帧图像的完整显示。
　　虽然按这种工作方式，LED显示屏是一行一行点亮的，每次都只有一行亮，但只要保证每行每秒钟能点亮50次以上，即刷新频率高于50 Hz，那么由于人的视觉惰性，所看到的LED显示屏显示的图像还是全屏稳定的图像。

2.2LED屏的衍生LED立方体

LED屏日益受到青睐的今天，凭借自身色彩鲜艳、环境适应能力强、高节能、利于环保、可显示动态画面和文字、广告模式更趋近于电视、可承担信息发布等特点大有取代传统广告的趋势。现今3D一词俨然成为了显示器的一项不可或缺的功能，在未来3D技术将会显得非常重要。然而要把3D技术融入到户外领域那就很有难度了，3D实现是需要借助3D眼镜来实现的。如果把LED显示器制作成立方体的那就能实现裸眼3D的效果，显示以后你会发现LED立方体所显示的东西效果逼真的呈现在人们面前，而且它是个立方体不论从各各方向来看都不会影响效果显得非常通透，不会像LED普通显示屏那样受到可视角的限制。

• 硬件
  

3.1.1 单片机STC89C52

STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能COMOS8的微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL搞密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。表3-3-1给出了其主要功能。

表3-3-1  STC89C52主要功能：

图3-3-1  STC89C52管脚图

STC89C52管脚介绍：

(1)主电源引脚

VCC(40)：电源输入，接＋5V电源

GND(20)：接地线

(2)外接晶振引脚

XTAL0(18)：片内振荡电路的输入端

XTAL1(19)：片内振荡电路的输出端

(3)控制引脚

RST/VPP(9)：复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。

ALE/PROG(30)：地址锁存允许信号

PSEN(29)：外部存储器读选通信号

EA/VPP(31)：程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从内部程序存储器读指令。

(4)可编程输入/输出引脚

STC89C52单片机有4组8位的可编程I/O口，分别位P0、P1、P2、P3口，每个口有8位，共32根。

PO口(39～32)：名称为P0.0～P0.7。P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平（晶体管-晶体管逻辑电平）。

P1口(1～8)：名称为P1.0～P1.7。P1 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p1 输出缓冲器能驱动4 个 TTL 逻辑电平。对P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。

P2口(21～28)：名称为P2.0～P2.7。P2 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动4 个 TTL 逻辑电平。对P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

P3口(10～17)：8位准双向I/O口线，名称为P3.0～P3.7。P3 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p2 输出缓冲器能驱动4 个 TTL 逻辑电平。对P3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。

RST——复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。

ALE/PROG——当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。

PSEN——程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当STC89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。

EA/VPP——外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。

3.1.2 锁存芯片74HC573

74HC573的八个锁存器都是透明的D 型锁存器，当使能（G）为高时，Q 输出将随数据（D）输入而变。当使能为低时，输出将锁存在已建立的数据电平上。输出控制不影响锁存器的内部工作，即老数据可以保持，甚至当输出被关闭时，新的数据也可以置入。这种电路可以驱动大电容或低阻抗负载，可以直接与系统总线接口并驱动总线，而不需要外接口。特别适用于缓冲寄存器，I/O 通道，双向总线驱动器和工作寄存器。引脚如图3-3-1-1

3.1.3 放大三极管S8550

参数：
耗散功率0.625W（贴片：0.3W）
集电极电流0.5A
集电极--基极电压40V
集电极--发射极击穿电压25V
集电极-发射极饱和电压 0.6V
特征频率fT 最小150MHZ 典型值产家的目录没给出
引脚排列为EBC或ECB 838电子

按三极管后缀号分为 B C D档
放大倍数B85-160  C120-200  D160-300   L100-200  H200-350

      三极管74HC573

3.2硬件构成

3.2.1 单片机最小系统

晶振电路：

    最小系统晶振电路如图3-3-2-1所示。

（二）复位电路

最小系统复位电路如图3-3-2-2所示

驱动模块由8块74HC573和单片机的最小系统组成，STC89C52的P1口用于控制锁存器的开启和关闭；P2口提供锁存器控制512个LED的指令；P3用于控制从上到下每层的开关，可以单独开启每一层的开关，相互独立不受影响。8块74HC573是控制512个LED的关键所在，通过这些芯片可以独立的控制每一个LED，让光立方能显示心中所想成为可能。

由于STC89C52的驱动能力有限难以同时驱动512个LED，如果LED全部亮起来的话单片机的输出会很大有可能把单片机烧坏，而且全部亮起来也不是LED的最佳工作状态。所以加上8个S8550的三极管用于信号的放大，这样就能让512个LED都达到最佳的工作状态达到设计的初衷。8只三极管的E极都接入单片机的P3.0~P3.7口作为输入信号，B极接电源的正极用作信号的放大，C极则接入光立方由上到下的8层LED。

显示模块由512只LED焊接而成，每只LED都需要进行引脚的弯折，然后精确的完成焊接工作。最先由8个LED组成一条，然后把8条LED组合成一个LED点阵，最后把8个点阵组合为一个立方体，实现每一层共阳极接入到P3口。64个阴极的管脚接入到8块74HC573实现对每一束LED的控制。

第四章 软件设计

4.1 检测程序

//8*8*8光立方程序

• 系统调试
  

在LED的焊接中很容易受到损坏，LED会因电烙铁产生的静电而被击穿，焊接时需要除静电，最大程度的降低因焊接产生的LED损坏，要知道组装好的LED难以跟换。检测时需要把LED全部点亮，使坏点暴露出来，把坏的LED更换。

LED有最大承受电压和最佳工作电流，在设计时就已经把这些因素考虑到了里面，进行了大概的计算得出大概的工作电流和电压，但实际电路中会存在各种误差和不确定因素，所以要得到准确的数值还需要在实际电路中测量，进行调节让其达到最佳的工作状态。电流过大会使LED烧毁，先降低电压测试然后再升慢慢调高电压。

最小系统承担着显示器的控制，程序错乱时需要进行复位，作用很重要因此需要进行测试。通过向芯片中写入让每个引脚持续规律地在1和0电位转换的程序，将引脚接到发光二极管之后，发光二极管可以规律地亮或者灭，这说明实现了最小系统的测试。

5.3 实物图

图5-3-1 实物图

参考文献

[1]《EDA技术基础与应用》              郭勇、卓树峰              机械工程出版社 2011.3

[2]《单片机的C语言应用程序设计》  马忠梅  北京航空航天大学出版社  1999年

[3]《程序设计基础—逻辑编程及C++实现》 陆虹  高等教育出版社  2004.5

[4]《单片机原理及应用》   孙波、施伟   江苏教育出版社   2011.10

[5]《Protel DXP 电路原理图与PCB设计》   郝文化   机械工业出版社  2004.3

[6]《简明电子元器件手册》   于安红   上海交通大学出版社   2005.12

[7].单片机原理及接口技术. 余锡存等 西安电子科技大学出版社，2007年

致谢

通过完成这次的毕业论文（设计），我有了很大的收获。这两个月的时间，我过的既忙碌又充实，为了完成一个目标而努力，分析问题，研究问题，再到解决问题，对自己的思维和知识量是个巨大的考验。通过完成毕业论文（设计），还很好的温习了过去学习过的知识，如《模拟电子技术》、《单片机技术》、《数字电子技术》、《C语言》等课程。

论文的完成标志着大学生活即将结束，对此我们都有些留恋。在大学的这段时间里，无论学习、生活、等各方面，各位老师都给予了我极大的帮助、关心和指导。特别是老师们一丝不苟的治学态度和严谨求实的科研作风，时刻影响和教育着我，使我受益匪浅、终生难忘，衷心感谢所有任课老师。特别是我的毕业论文指导老师寸彦萍，大一以来就是我们的任课老师，现在还是我的指导老师。在教学中一丝不苟，认真的帮我们答疑解惑，在讲台上的身影让我们记忆深刻。在毕业设计的这些时间里，同学们给我提出很多宝贵的意见，给了我不少帮助还有工作上的支持，在此也真诚的谢谢你们。

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