51单片机控制的红外遥控光立方的设计与制作

时间：2024-06-03

一、引言

现代信息化社会高速发展，大屏幕向消费类多媒体应用渗透。数字化的多媒体内容将在信息世界中占据主流，大屏幕显示设备将代替传统的显示设备成为中心。伴着电子行业的飞速发展，越来越多的电子爱好者，对于光立方产生了很浓厚的兴趣。有绝大部分的人把光立方研究作为一种职业，光立方的技术也在不断的成熟，不仅具有了学习价值同时也具备了商业价值。

光立方最早在2009年10月1日天安门广场举行的国庆联欢晚会上面世，是一种基于LED发展基础上所衍生的产物。目前国内成功案例有很多效果也各有千秋，例如有显示图形图案的，有显示动态图案的，还有的具有音频AD效果等。一般都是主控采用STC12C5A60S2，驱动采用74HC573以及ULN2803达林顿管。光立方主要是引用了LED外发光技术，我国LED经过这几年的发展，主要在华东，华北，华南区域形成了一批具有一定规模的企业，LED在规模发展的同时，技术推陈出新，目前约20余家研究机构和企业在进行LED的研究和开发，但与国外的差距还是比较大的。主要原因是目前在投入资金、设备和人才均无法和国外相比，而且研究机构也相对的分散。但一些科研所如中国科学院物理所和长春光机与物理所、北京大学、石家庄十三所等单位也相继展开了这方面的研究，并取得了可喜的进步，不断缩减与国外的差距。

1.设计的总体要求和方案选择

本次设计制作一个8*8*8的光立方，能通过编写程序来实现对每个发光二极管的亮灭控制，从而可以显示多种多样的图案。同时在这个基础上加以创新，添加了红外遥控模式。

借鉴单片机控制LED点阵显示的原理，通过系统分析，确定该系统具有哪些功能，哪些模块，各个模块之间是怎样连接的，以及怎样组合电路是最合理的，即硬件方案设计。编写硬件电路的相应软件程序部分，利用仿真软件对程序进行测试修改。电路系统焊接完毕后，测试整个系统模块的功能，看各个功能是否能正常运行，并依据测试结果找出错误加以调整至测试成功达到毕业设计要求。

2. 光立方设计的主要内容

（1）初步整体方案的选择和论证搜索和光立方关的相关资料，参照目前通用的设计思想和设计方法拟定2套设计方案进行比较：第一套是以STC12C5A60S2为核心控制器件，以74HC595为驱动芯片，LED选用512。第二是以C51为核心控制器件，以74HC573为驱动芯片，LED同样选用512。基于对C51的理解和节省成本的前提下，最终选定了第二套方案。

（2）方案的实现。根据第二套设计方案通过protel99se设计相应的原理图。同时进行512LED的灯架焊接和最小系统的搭建。

（3）软件的编写。根据硬件特点和设计要求，再通过对“邵士媛，徐维祥.C语言程序设计”和“郭天祥.新概念51单片机C语言教程”的查阅.软件选用C语言编程。程序按功能分静态，红外遥控等多个相对独立的模块，然后按照所划分的模块一一编程，最后整合起来。

（4）验证与测试。测试分为硬件测试，软件测试和系统联合测试。硬件测试：测试LED塔架的焊接，有无漏焊，虚焊，阳极阴极有无焊错，74HC573芯片的测试等。软件测试：检验程序的对错。统联合测试：检测作品有无达到设计的要求。

（5）总结。设计作品完成后对设计过程中所遇到的困难，经验教训进行总结分析。

二、系统总体方案设计

1.系统总体硬件选择

3D显示屏核心控制器采用51单片机，单片机是集成了CPU、ROM、RAM和I/0口的微型计算机具有很强的接口性能，非常适合于工业控制，且品种齐全，型号多样CPU从8、16、32到64位，多采用RISC技术，片上I/O口丰富集成有A/D，PWM，显示驱动，函数发生器，键盘控制等。除此之外还具有低电压和低功耗的特点。电路电源直接采用5V电源、LED发光二极管选取单色蓝光LED作为本次设计显示色彩、I/O口扩展芯片选取带有有数据锁存功能的74HC573芯片。

二、系统总体软件方案的选择

编辑语言采用简洁灵活，兼容性高，编译简单，执行效率高，对于循环使用方便的C语言

三、光立方的制作

1. 3DLED光立方工作原理

利用单片机控制LED点阵显示的原理和控制技术，来控制光立方显示。通过编写程序控制不同的LED显示，显示所要显示的内容。

2.3DLED光立方的搭建

（1）由点到线。准备一块洞洞板，一些排针做一个简易的磨具所示，将折弯好的LED分别插入一排插入以后，其阳极正好可以搭接在一起，进行焊接，实现共阳极的操做。

（2）由线到面。将焊好的一条一条LED放在磨具上，实现共阴极的焊接。

（3）由面到体。将垂直各面依次插到洞洞板上面，将露出的阳极引脚横向折90°，使其可以前后同一高度，最后稍微调整一下各个垂直面之间的间距，再通过漆包线实现各层的阴极相连。

四、系统硬件的设计

单片机最小系统，包括时钟电路和复位电路。红外遥控模块由红外发射和红外接收两部分组成，发射电路部分主要实现红外信号的编码产生以及发射，接收电路部分主要实现红外信号的接收、解码等。液晶显示屏采用串口HMI，直接调用模块。74HC573驱动模块和74LS573的管脚一样。器件的输入是和标准CMOS输出兼容的；加上拉电阻，它们能和LS/ALSSTTL输出兼容。

五、系统软件的设计

系统软件采用 C语言编写，按照模块化的思路设计程序。首先分析程序所要实现的功能，程序要实现静态显示，动态显示等。通过按键控制程序选择不同的显示程序进行显示。主程序的工作流程图如图 1所示：

图1主程序工作流程图

六、系统检测及结果分析

硬件测试对照电路图和实际线路检查是否正确，包括错接、少接、多接等；用万用表检查焊接和接插是否良好：元器件之间是否存在短、二极管正负极有无弄反、电源地有无接错。

将电源接入电路，用万用表电压档检测电源电压，观察有无异常现象。如冒烟、异常气味、元器件发烫等。

软件测试在程序的编写中用keil编写，keil软件可以生成.HEX文件我们用到的下载软件是PROGISP这个软件，这个软件可以识别.HEX文件，只有.HEX文件可以写入单片机。在程序的编写过程中全是采用C语言编程。

联合测试将所有焊接好的模块用杜邦线连接起来，载入程序观察是否可以达到预计的效果。

七、结论

本次设计预期要求：LED显示屏各点亮度均匀，可显示图形或文字，而且显示图形或文字显示稳定、清晰无干扰。

通过对单片机最小系统模块、红外遥控模块、液晶显示屏模块（HMI），74HC573驱动模块的添加，硬件件和软件的运行还算比较稳定，所呈现的动画与程序中预期的效果吻合，符合设计的要求

然而本次设计还存在许多不足的地方和可以改进的部分例如：还可以在本设计的基础上增加音频等功能，还可以在串口HIM的页面设计上做的更好一点做到控制光立方每一个led的的亮灭，当然，要增加这些功能51单片机的IO口是不足的，所以要用到其它开发板如89S52。