基于单片机的光立方控制系统 （参赛学校：青海民族大学 指导老师：张凌飞 班马东周 学生：万友志 周燕 杨启顺） 【摘要】 光立方是一个长、宽、高由 8×8×8 个 LED 灯组成的真实 3D 立方体显示器。其 最大的特点，就是带给观赏者立体的超酷的 3D 视觉体验，本设计的硬件主要分为三个模块： 主控模块、驱动模块和显示模块，主控模块采用 STC89C52 芯片，驱动模块采用八个 74HC595 移位寄存器芯片，显示电路是利用 74HC595 控制每一面灯，最后用 8 个 74HC595 控制整个光 立方。本设计采用 C 语言编程，通过对单片机编程来控制 LED 灯的亮灭，采用延时来控制 LED 灯亮灭的时间长短，最终使得整个立体展现不同的造型和图案，使其变得美轮美奂、绚 丽多彩。 【关键词】 光立方 移位寄存器 74HC595 单片机 STC89C52 一、 概述 随着人们生活水平的不断提高，3D 效果的欣赏已经成了人们的追求，美轮美奂的观赏 让人醉心不已，给人带来无比宽松舒适的美感。3D 技术的将来必有广泛应用。仅 3D 打印技 术这一还处在萌芽阶段的技术就已经在世界掀起了巨大波澜。就现有来看 3D 技术已经应用 于军工、航空航天、水下作业、模拟分析等高端领域。随着科技发展 3D 技术的成本也会越 来越低，相信 3D 电视将来也会像液晶电视一样走入普通家庭。3D 技术在未来还可以应用于 教学，医学，地下采矿，空中导航等领域。但就目前的发展，3D 还不能够普及到人们的生 活中，这也就萌发了人们对于 3D 的设计。因此，本课题以发光二极管的搭建的 8×8×8 立 体点阵，是一个长、宽、高由 8×8×8 个 LED 灯组成的真实 3D 立方体显示器。采用单片机 STC89C52 为核心编程技术，对发光二极管进行控制，使其显示出不同的花样，带给人未来 3D 技术的科技体验。 光立方是由四千多棵光艺高科技“发光树”组成的，在 2009 年 10 月 1 日天安门广场举 行的国庆联欢晚会上面世，这是新中国成立六十周年国庆晚会最具创意的三大法宝之首自从 国庆 60 周年联欢晚会开始演练后，一个全新的名词“光立方”，吸引了全国人民的关注。国 庆联欢晚会三样法宝，光立方为最耀眼，“光立方”在气势和整体感觉上,融合了北京奥运会 开幕式“击缶而歌”和“活字印刷”的风格，而各种图案则与贯穿奥运会开幕式的“画卷” 有异曲同工之妙“光立方”可以根据爱国歌曲的不同内容,展示不同的造型和图案，具有丰 富的视觉效果。本光立方设计是一个集实际型经济型性价比高便宜而且能够帮助你更好的学 习 C 语言等多功能于一身的一个艺术、装饰品。 二、硬件设计与分析 1、 总体设计方案 该光立方设计方案，其核心模块有四个：主控模块、驱动模块、显示模块、电源模块。 总体设计框图如图 2-1 所示： 本光立方设计由直流 5V 直流稳压电源给整个系统供电，采用 STC89C52 单片机作为主控 制芯片。整个光立方系统的工作流程是：通过对单片机 STC89C52 进行编程，然后输出信号 送到驱动电路上，最后由它们输入到显示电路控制 LED 光立方体上每个 LED 灯的亮灭，利用 人眼的暂留效应，得以呈现出不同的图案和动画。 本设计具有以下几个特点： a、8×8×8 LED 阵列 3D 光立方体显示器，设计方案精简，电路简洁，采用的材料是高亮雾 状蓝色 LED 灯，可以达到光立方最佳视觉效果。 b、连贯图形显示效果，浑然一体，一气呵成。能给用户带来立体的可视的震撼视觉效果。 c、程序内置坏点检测部分，以及多种图形显示模块。 1 

2、 时钟电路设计 单片机的时钟信号用来供给单片机内各种微操作的时间基准，时钟电路用于产生时钟信 号用，通常用两种电路形式得到：内部振荡和外部振荡。本系统设计采用内部振荡方式，如 图 2-3 的时钟信号比较稳定，实际使用中常采用这种方式。 3、复位电路设计 复位是使单片机或系统中的其他部件处于某种确定的初始状态。单片机的工作就是从复 位开始的，当在单片机的 RST 引脚引入高电平并保持 2 个机器周期时，单片机内部就执复位 操作（若该引脚持续保持高电平，单片机就处于循环复位状态）。实际应用中，复位操作有 两种本的形式：一种是上电复位，另一种是按键复位。由于本次设计采用的是按键复位，所 以这里只介绍按键复位，如图 2-4 所示 4、驱动模块 为节约成本，本光立方设计没有选择硬件电路集成设计，把驱动电路与控制电路合为一 体。而是选择用常用的芯片做为光立方的驱动。由于 LED 灯比较多，需要的电流相对比较大， 所以采用 74HC595 来驱动电路。采用 74HC595 移位暂存的方法，来分别把 8 个灯的亮灭信息 储存，74HC595 的 64 个输出引脚控制前面所述每一个面的 8 个灯。 74HC595 是硅结构的 CMOS 器件，是具有 8 位移位寄存器和一个存储器，三态输出功能。 2 

移 位 寄 存 器 和 存 储 器 是 分 别 的 时 钟 。 芯 片 引 脚 图 如 图 2-8 所 示 在本光立方系统中使用 74HC595，因为它具有一个 8 位串入并出的移位寄存器和一个 8 位输出锁存器的结构，而且移位寄存器和输出锁存器的控制是各自独立的，可以实现在显示 本行各列数据的同时，传送下一行的列数据，即达到重叠处理的目的。 三、 程序设计与分析 1、程序流程图： 2、程序调试： 本次光立方控制系统设计采用 C 语言编写，按照模块化的设计思路设计程序，首先分 析程序要实现的功能，然后编写不同的程序显示。 本次程序设计完成的功能是：9 次心星闪烁和 0-9 数字顺序显示，本设计采用 keil 软 3 

件来编写程序和调试程序，在使用 keil 时，一定要先输出.hex 文件，因为 STC-ISP.exe 只 有.hex 文件才能下进单片机里去。 四、 硬件焊接与调试 硬件的焊接与调试是整个光立方设计必不可少的一个环节，它将验证整个系统设计是否 实现了所要完成的功能。这里主要介绍 PCB 主板的焊接、LED 灯的焊接与光立方的搭建方法。 1、PCB 板的制作 PCB 板的制作和主板的焊接一般包括印制底图图样描绘、底图掩膜层制作和蚀刻加工等 三个环节。 首先根据整机设计，采用电子设计自动化软件中的 Protel 99 SE 进行印制电路板底图 图样的设计。在软件环境下绘制好底图后，可用喷墨式或激光打印机将 PCB 板的设计图样打 印出来，然后进行制作。PCB 板的制作一般分制作印制电路板、清洗与打孔和检修三个环节。 a、制作印制电路板 利用所打印的 PCB 板图样、热转印纸和恒温电熨斗完成制作。而热转印法制板的不足之 处是：由于热转印纸局部缺陷等原因，会出现墨粉在热转印纸上局部附着不均匀等现象，对 附着层太薄的地方，使抗腐蚀能力下降，影响 PCB 板的质量。PCB 板如下图所示： b、清除防护层 对于腐蚀好的印制电路板，选用细砂纸将防护层打磨掉，并进行清洗。 c、打孔 对清洗好的印制电路板，需要在焊盘和固定位置钻孔后，才能进行安装。 d、检修 对制作好的 PCB 板，要进行严格检查，判断印制线间是否有短路、断裂、脱落和起层问 题，及时发现问题后，可采用相应的修理或补救措施，若有严重质量问题时，需要重新制作 在焊接元件前，要做好准备各项工作，清理与检测好元件，再按电子工艺要求进行元件焊接、 剪引脚、清洗和检查等。且安装元件要遵循先小后大，先轻后重，先内后外的原则采用手工 烙铁锡焊。 4 

2、单片机最小系统的焊接 最小系统是单片机得以正常工作的前提，包括时钟电路和复位电路，在焊接时需注意电 解电容的正负极，晶振要尽可能的靠近单片机的 18、19 引脚，而且对晶振的焊接要迅速， 不能长时间加热，以免烧坏晶振。 3、LED 灯的搭建与焊接 为了保持光立方整体的通透性、立体感，本光立方设计没有设计额外的 LED 支架，所有 搭接直接使用 LED 自身的管脚来完成。本光立方的搭建构思是：由点到面、面到体的搭建方 法。在 LED 光立方的搭建之前要把需要用到的相关工具与元件准备好，比如钳子、烙铁、木 板、电钻等。在搭建前要对 LED 灯进行折角和好坏的检测。把 LED 的阴极水平折弯，阳极垂 直折弯，可借助尖嘴钳来折角，这样做的目的是便于把阴极焊接在一个水平上，让阳极摆出 发光体一部，使其可以与其上下的 LED 进行搭接。 首先制作一块搭建用的木板如下图所示，木板上孔与孔直接的距离为 2cm，必须与 PCB 电路板上的两孔距离一致。将 LED 灯逐个安在板上，并对 LED 的脚进行修正使阳极引脚与阴 极的夹角为直角。最后将 8 个 LED 的阴极焊接在一起,阳极焊接在一起，构成一面。这里需 要注意的是：弯折阴极脚时弯曲处尽量靠近灯体不要留太长，这样焊接阳极时才不容易造成 短路。 进行八次上述焊接后接下来就是将 8 面的 LED 插到 PCB 上并与 8 个 74hc595 焊接起来, 从而构成一个光立方体。注意：由于焊接过程中将产生静电容易将 LED 烧坏，因此本项工作 完成后请认真检查每个灯的好坏，可以用万用笔等工具检测；同时检测灯与灯之间有无虚焊。 结论 本次设计，我们选择了实做的题目：基于单片机的光立方控制系统设计。本次设计达设 计的预期要求：LED 显示屏各点亮度均匀、充足，可显示图形和简单的文字，而且显示图形 和文字显示稳定、清晰无串扰。 本文首先对整个系统的工作原理和实现方法进行了简单的介绍，给出了系统工作的整体 框图。在此基础上，介绍了系统设计用到的各个模块的功能特性，并进性了方案比较，选择 出了最优越的方案。 总体来说这次的设计比较成功，达到了预期的设计要求。不仅学到了许多课本上 学不到的知识，提高了自己动手动脑的能力，丰富了创新和创造的思维。由于我闷在理论 和实践方面存在一定的不足，所以在设计思路和实现功能上难免有不足之处，请各位评委老 师多多批评指正。 5