论文总字数：51036字

目 录

1. 引言 1

1.1 设计背景与目的 1

1.2 论文基本框架 1

2. 系统总体方案设计 2

2.1 系统硬件方案的选择 2

2.1.1 主控模块 2

2.1.2 驱动模块 2

2.1.3 LED显示模块 2

2.1.4 蓝牙模块 2

2.2 系统软件方案选择 2

2.2.1 单片机程序方案 2

3. 系统硬件电路的设计与实现 3

3.1 系统电路整体概述 3

3.2 单片机控制电路 3

3.2.1 电源 5

3.2.2 时钟电路 5

3.2.3 复位电路 5

3.3 驱动电路 6

3.3.1 层驱动电路 6

3.3.2 列驱动电路 7

3.4 LED显示电路 7

3.4.1 LED电路的设计与原理 7

3.4.2 LED的焊接 8

3.4.3 LED的测试 10

3.5 蓝牙模块 10

3.5.1 蓝牙模块的介绍 10

3.5.2 蓝牙模块的配置 11

4. 系统软件方面的设计 13

4.1 单片机软件设计 13

4.1.1 显示程序方案 13

4.1.2 显示程序设计 13

4.2 电脑程序设计 15

4.2.1 开发平台介绍 15

4.2.2 程序设计 15

5. 系统调试与结果分析 17

5.1 硬件系统测试 17

5.2 软件系统测试 17

5.3结果分析 17

6.结论 17

参考文献： 19

致谢 20

基于单片机的三维LED点阵设计

周鸿宇

，China

Abstract：This design produced a three-dimensional LED Lattice Based on Microcontrollers.It use a single color LED and it can display  static images likes other common LED lattice, it can also display capable of producing three-dimensional dynamic providing users with a good visual experience.In this design MCU STC12C5A60S2 is selected as the master chip.74HC573 and ULN2803 is selected to add I/O port, and play the role of column driver and layer driver,it scan each layer than choose the layer to form a complete image.The system use Bluetooth to connect with the computer,and users can use software in computer to choose which image the 3D LED Lattice will show.

Key words：STC12C5A60S2；Bluetooth；LED;74HC573;ULN2803

引言

1.1 设计背景与目的

随着科技不停的发展，社会的信息化程度也不断提高，在平时的日常生活中LED显示屏也体现出了越来越多的作用。作为一种显示设备，LED显示屏因其显示色彩多样、耗能低、性能稳定、使用寿命长等优点，在医院、学校、银行、邮局、车站、码头及各种广窗告口等场所有着优秀的表现。但由于人们的生活水平日渐提高，随之而来人们的视觉审美水平也跟着水涨船高，现今广泛使用的二维LED显示屏由于显示单调和立体性差的缺点，已经满足不了人们的需求，正如现在电影业与显示屏的发展，对与3D效果的追求，已经成为了人们的普遍^[1]。显示器等方面的发展也是努力将3D带入人们的日常生活中去。

随之而来的也就产生了一种以立体点阵作为显示器的新型器件，俗称“光立方”，如今已经成为了一种既有娱乐性质又带有学习性的电子工艺制作。首先这个光立方的娱乐性体现于在其制作过程中可以根据自己的喜好自由的进行程序的改造和动画的设计，可以根据自己的想象或者通过取模程序来对与所需要的动画程序进行编写，其次它的学习性表现于实现显示需要能够熟练的控制单片机熟悉对它的操作，以及能够熟练控制数量众多LED点阵和各个模块之间协调配合。随着近年来电子行业的飞速发展，很多人注意到了光立方的制作设计有着优良的前景，首先光立方其独特的三维视角可以给人一种独特的氛围和新颖的画面，有些人将之用于情侣之前的赠送，用这种独特新颖的显示方式将自己的心意表达出来，这使它在作为生日礼物或者情人间的示爱工具上有着一定的优势；也有些人把光立方的研究开发作为自己的工作，这使得光立方的技术也变得更加的成熟，其商业价值也更加凸显出来，因为光立方具有很好的画面渲染效果，并且在广告的宣传上也有着独特的效果，其本身的经济价值和娱乐价值也更加的体现了出来，随之吸引了更多人对其技术的研究、创新即其使用方式的挖掘。

本次毕业课题的设计不似传统的二维显示LED，就采用了这种点阵的三维立体显示，显示的立体图像有其独特的效果，在视觉体验上有着一种新奇的效果。本次设计使用了STC12C5A60S2型号的单片机，其优秀的性能令整个系统有着强大的功能与优秀的驱动能力，相比于传统51单片机能够更加的流畅的显示动画。此外系统还添加了蓝牙模块，通过电脑经过蓝牙对单片机进行控制，能够自行选择需要显示的图案，对其使用的便利程度上有着一定的改善。

1.2 论文基本框架

第二章主要阐述对系统的主控模块、驱动模块、LED显示模块，蓝牙模块等，方案的选择选择与验证。 

第三章主要介绍了各个部分器件、模块的用法和特点，说明了电路的设计思路和搭建方法。 

第四章主要介绍单片机及电脑的软件的设计、框架与编写，以及程序的调试。  

第五章主要是对整个系统的测试和处理制作过程中所遇到问题，以及对显示图形进行逐步的调整。 

系统总体方案设计

2.1 系统硬件方案的选择

本次毕业设计主体由以下的几个模块构成：主控模块，驱动模块，LED显示部分，以及蓝牙模块。

2.1.1 主控模块

本次设计以51系列的STC12C5A60S2型号单片机作为系统的控制芯片，其运算速度快，功耗低，抗干扰能力强，并且无法解密，而处理速度相比前代51单片机提高至了8到12倍，但是指令代码还是向下兼容的。并且该型号芯片自带60K的程序存储空间，由于本次设计中每一幅静态图中，512个LED都需要编程来进行控制，若是动态图则需要更加复杂的编程，所以普通的51单片机中8k的存储空间并不够用，而这款芯片其内存空间正好能够满足系统的需求。

2.1.2 驱动模块

方案一：以多个三极管作为各层的驱动，并在器件和LED之间串联上足够大的电阻起到限流的作用，然后与单片机的P1口相连接，而发射极则连入显示点阵每一层共阴极上。

方案二：使用ULN2803芯片作为层驱动，该芯片总共8个输入以及8个输出，数量上正好满足需求，并且其输出最高500MA/50V。因为需要驱动每层64个LED灯，所以所需要的电流也会相对较大，而ULN2803的输出能达到500MA足够满足LED灯的需求，而且一个芯片就能相当于8个三极管，在电路的设计上也能够更加的简便，更容易安排其他元件的位置。

2.1.3 LED显示模块

本次设计所采用的LED灯是2*5*7MM雾状白发蓝色方形LED二极管。首先由于本次设计需要制作一个立方体，LED之间需要支撑，且需要互相之间的连线使其能够工作，所以选择了长脚的发光二极管，同过引脚之间的互相连接、支撑，让整个LED点阵组更加的美观。为了焊接时更加容易控制，使焊接过程更加简单以及完成后的整齐美观，所以选择了合适大小的方形，并由于其亮度高显示效果区分明显，所以选则了蓝色作为本次设计的显示色彩。

2.1.4 蓝牙模块

因为本次设计需要通过电脑端控制整个LED点阵组所显示的图案，所以需要一种无线通讯手段，考虑到蓝牙模块小巧，轻便，功耗低，成本低，抗干扰强，并且控制编程方面相对简单，虽然蓝牙传输距离较短，但在本次设计中已经完全足够了，因为以上几点所以最后选择了HC-05这一款蓝牙模块。

2.2 系统软件方案选择

2.2.1 单片机程序方案

本次设计采用的编程语言为C语言，开发系统为Keil。相比于汇编语言，C语言在实现的功能和其实现目标后程序的结构上都有着明显的优势，并且在后期程序的维护上也更加方便，并且更加容易学习。因此相比汇编语言，我就选择了更加熟悉的C语言。而开发系统Keil具有丰富的功能，在之前的学习中也常常使用到，所以选了了Keil这个软件。

2.2.2 PC端控制程序方案

本次设计因为需要在PC端控制单片机，所以需要编写端口程序，因此需要一个开发软件进行编写。

方案一：使用VB作为本次设计电脑端程序的编写平台，首先VB拥有功能丰富图形用户界面开发系统，在控件的丰富性上强于MATLAB，使用VB丰富的控件与方便的操控，可以快速的完成一个GUI的设计与实现^[2]。

方案二：MATLAB作为一个数学软件有着丰富的数学功能，拥有着大量的工具箱、丰富的函数，可以进行多语言的混合编程，在数值计算上有着很大的优势，并且其在数据处理，二维与三维的绘图上有这优秀的表现，这会使MATLAB在图形界面可视化能力上更加强大，并且使用上也是非常简单^[3]。

相比之下VB与MATLAB虽然都简单易用，但是MATLAB在课堂上经过一段时间系统的学习，在图形用户界面的制作这方面也有不输于VB的功能，符合本次设计的要求，所以选择了MATLAB。

系统硬件电路的设计与实现

3.1 系统电路整体概述

整个LED显示系统如同上文所说，以51单片机为控制芯片其型号为STC12C5A60S2，主体分为控制电路，驱动电路，LED显示驱动电路及通信蓝牙通这几个部分^[4]。这个系统通过蓝牙模块向单片机传送信息，而单片机根据预先设计好的程序，将控制信息输入列驱动芯片74HC573，和层驱动芯片ULN2803，而显示部分为由总共512个LED组成的总共八层，每层八列八个的立方体点阵，每同层列共用一个芯片的输入输出端，当工作时单片机从第一列开始依次扫描每一列通过74HC573控制每一整列的LED，同时单片机控制层驱动ULN2803来选择哪一层的工作，这样通过单片机控制列与层之间的配合，就能完全控制全部512个发光二极管的显示。其大体的结构框图如图3.1所示。

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