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作者：大庆师范学院 刘江浩 李若男
指导教师：董雷刚 崔晓微

作品简介

开发背景
　　鉴于现在LED小灯单一的显示方式，欣赏性不高，决定动手做一个有单片机作为主控芯片的、具有多种显示功能的立体LED显示系统，使其能完成多种显示图案和显示方式，增加作品的欣赏性和装饰性。

结构说明
　　1、 单片机开发板
　　使用大赛提供的STC15单片机芯片(图1)最为主控芯片控制外围设备。　　

　　2、 PCF8563时钟芯片
　　使用单片机开发板上固有的PCF8563芯片进行开发。通过STC15芯片对时钟，进行读写操作，实现能断电走时、获得时间等操作。
　　3、8*8*8立体LED显示模块
　　由手工焊制512个蓝色发光二级管组成的8*8*8显示模块(图2),每一列共阳，每一层共阴。所有的现象均由该模块进行显示。　　

　　4、74HC573N锁存器电路
　　该电路由9个八位三态锁存器(74HC573N)组成(图3)。其中八个控制LED整列的64个列选，第九个控制LED阵列的层选。从而实现能单一的点亮每一个小灯。　　

　　5、红外遥控
　　通过一个红外接收头接收遥控器传来的信息。通过单片机芯片对信息进行解码实现相应的控制操作，改变LED显示系统的工作模式。

功能
　　1.在8*8*8的立体LED系统上显示当前时间。
　　2.能在8*8*8立体LED中显示10种动态图案，如：呼吸灯、字符、流星雨、动态菱形等。
　　3.通过红外遥控器远距离控制LED显示系统的显示模式。
　　4.通过红外遥控器可将LED显示系统切换到休眠模式。

使用说明
　　1.插上电源适配器，打开板上的电源开关，立体LED系统开始交换显示小时和分钟。
　　2.第一次按下遥控器上的MODE键，使立体LED系统切换至秒钟的显示。
　　3.第二次按下MODE键进入呼吸灯显示模式。
　　4.第三次按下MODE键，开始10个动态图案的变换。
　　5.按下红外遥控器电源键，进入休眠模式，节约电源。

平台选型说明

　　选用大赛提供的STC15单片机开发板，加上74HC573锁存器，和红外接收模块、PCF8563时钟芯片，控制手工焊制的8*8*8立体LED显示模块 。

设计说明

原理图

设计原理
　　单片机：STC15是最新的单片机产品(图4)，具有高速、稳定、大容量、低功耗、抗干扰等特性。通过写程序生成16进制文件，烧录到芯片中，实现对每个引脚的高低电平的控制，从而间接地控制外围的红外接收头、锁存器、时钟芯片等IO设备。
　　74HC573N锁存器：是八位三态锁存器(图5)。具有三态(0、1、高阻态)。它有两个使能端，输出使能(OE)和锁存使能(LE)。输出使能低电平有效，锁存使能高电平有效。当输出使能有效时，输出端才能正常输出。我们的电路让输出端接地，当锁存使能有效时，输出端数据保持不变，真值表如图6。　　

　　时钟芯片：PCF8563 (图7)是PHILIPS 公司推出的一款工业级内含I2C 总线接口功能的具有极低功耗的多功能时钟/日历芯片。通过单片机，按照I2C总线通信协议对时钟芯片进行读写。　　

　　红外接收：使用单片机开发板上的红外接收头接受来自红外遥控器的红外信号(图8)。红外遥控器中有红外编码芯片，当按下不同的按键的时候，会产生不同代码的红外信号，通过脉宽调制发射出去。红外接收头收到信号后，单片机产生外部中断，对编码进行解码。得到其中的键码，并判断，作出相应的操作。　　

　　立体LED：由512个蓝色方形LED小灯手工焊接而成8*8*8的立体LED(图9)。其中每一列(共8*8列)共阳，每一层(共8层)共阴。从而能实现对每一个单独的小灯的控制。　　

设计方案
　　该系统的主要部分为时钟部分和立体LED显示部分。将9个74HC573N锁存器并排连接在一起。所有输入端接在单片机的P0口，所有输出使能接地，使输出一直有效。然后通过控制每个锁存器的锁存使能端实现每个锁存器输出不同的数据。八个控制列选(共64个列选)的锁存器的使能端连接在单片机的P2口。控制层选的锁存器的使能端连接在P4^5口上。然后就能实现用单片机对不同口的高低电平的改变实现不同数据的输出。使用动态扫描从而实现对每个小灯的控制。
　　动态图案显示部分：LED是通过动态扫描的方法控制每一个灯的亮灭。扫描时一排一排的去扫描的。所以每一次完整的扫描共需要扫描64排。我们将送到锁存器的数值用三维数组表示,每一个数组都是[][8][ ]的。然后再显示函数中调用这些数组，就能实现不同图案的显示，此外用PWM(脉冲宽度调制)实现的呼吸灯，通过定时器中断改变不同时刻的占空比，实现动态调节占空比的比例，然后按照占空比点亮LED，就能实现呼吸灯的功能。
　　时钟部分：使用单片机的P1^6和P1^7口分别连接在时钟芯片的时钟信号线和数据线端口上，然后单片机按照I2C总线的通信协议的时序，对两个端口进行控制，从而控制时钟芯片读写和发送指令。从而得到需要的时间数据。然后通过对锁存器电路的控制程序，将时间显示在立体LED上。

作品特色

先进性
　　拥有独特的显示方式和特有的时间显示风格，以及变化多端的显示图案让作品变的赏心悦目。
实用性
　　通过利用远红外、PWM、等技术，让LED变得不仅美观，新颖，而且更加方便实用。
　　通过时钟与立体LED系统的有机结合，让原本单调的时钟显得更有乐趣。更符合现在的生活和消费需求。
创新性
　　该作品的创新点在于将普通的LED焊接起来，构成一个8*8*8立方体LED系统，通过LED的排布的得到一个立方体屏幕，支架上排列的LED受单片机的控制在特定的位置亮或灭，并且可以显示出不同的图案，从视觉效果上会产生一种柱状的LED显示屏的状态。

系统演示视频：http://v.eepw.com.cn/video/play/id/2416