• 緒論
  

發光二極管((Lighting Emitting Diode）)，是一種把電能變成光能的特種器件，主要由PN結芯片、電極和光學系統構成。當系統受到外界激發后，會從穩定的低能態躍遷到不穩定的高能態，當系統由不穩定的高能態重新回到穩定的低能態時，能量差以光的形式輻射出來，就會產生發光現象。當在PN結上加以正向電壓之后，P區的空穴注入至N區，N區的電子注入至P區，相互注入的電子與空穴相遇后即產生復合，這些多數載流子在結的注入和復合中產生輻射而發光。它是自發輻射發光，不需要較高的注入電流產生粒子數反轉分布，也不需要光學諧振腔，發射的是非相干光。

LED顯示屏發展經歷了三個階段：

（1）LED大約是在80年代中期開始在電子顯示屏中使用的。進入90年代以后，由于半導體工業的迅猛發展，帶動了LED制造材料和工藝的改進，在顏色與亮度方面都有了質的飛躍。早期的LED顯示屏，由于受材料和工藝的限制，視角僅有200一300左右，從而制約了LED顯示屏的發展。在分辨率方而，由于受當時數字技術、集成電路技術和控制技術等技術的限制，很難作出高密度的LED顯示屏。今后隨著半導體工業的不斷發展，無論是材料，還是加工工藝，都會不斷地提高，LED顯示屏在顏色、視角、亮度、密度、壽命等方面也會逐步完善，價格也會進一步降低一方面，受LED材料器件的限制，LED顯示屏的應用領域沒有廣泛展開，另一方面，顯示屏控制技術基本上是通訊控制方式，客觀上影響了顯示效果。這一時期的LED顯示屏在國外應用較廣，國內很少，產品以紅、綠雙基色為主。

（2）1990-1995年，這一階段是LED顯示屏迅速發展的時期。進入九十年代，全球信息產業高速增長，信息技術各個領域不斷突破，LED顯示屏在LED材料和控制技術方面也不斷出現新的成果。藍色LED晶片研制成功，全彩色LED顯示屏進入市場；電子計算機及微電子領域的技術發展，在顯示屏控制技術領域出現了視頻控制技術，顯示屏灰度等級實現16級灰度和64級灰度調灰，顯示屏的動態顯示效果大大提高。

（3）1995年以來，LED顯示屏的發展進入一個總體穩步提高產業格局調整完善的時期。1995年以來，LED顯示屏產業內部競爭加劇，形成了許多中小企業，產品價格大幅回落，應用領域更為廣闊，產品在質量、標準化等方面出現了一系列新的問題，有關部門對LED顯示屏的發展予以重視并進行了適當的規范和引導，目前這面的工作正在逐步深化。

近年來，隨著高亮度發光二極管技術的發展，LED顯示屏從室內走到室外，其顯示內容也從沒有層次的計算文字動畫發展到能顯示有層次的電視圖像。國家信息產業部委托藍通電子科技有限責任公司制定的《LED顯示屏技術條件》也于1998年正式頒布實施。

進入新世紀，光電子產業得到廣泛的重視，中國加入WTO、北京奧運成功舉辦等，成為LED顯示屏產業發展的契機，我國LED顯示屏及相關的技術必將得到飛躍發展。

1.2LED顯示技術的發展規模

2008年、2009年度的產業增長中，北京奧運會、國慶60周年慶典活動、上海世博會等重大活動的拉動因素不容忽視。對此，一方面要有理性認識，另一方面要以此為契機，認真總結經驗，積極推廣技術創新成果，拓展新市場，方能保持行業的持續發展。直至2011年中國LED戶外電子顯示屏廣告市場規模達到12.15億元，較上年增長了35.5%。數據統計，這個廣告市場的規模可望達到15.5億元人民幣，同比增長27.6%。近年來，在國家的政策支持下游應用需求的帶動下，國內LED行業發展迅速，形成了較為完整的LED產業鏈體系，業內掀起一股建設熱潮。產品行業應用領域逐漸擴大，在交通安全領域，顯示屏應用日漸普及越來越得到大家認可，正全力充當智能交通得力助手。

1.3LED顯示技術的發展趨勢

   二十一世紀的顯示技術將是平板顯示的時代，LED顯示屏作為平板顯示的主導產品之一將有更大的發展，并有可能成為二十一世紀平板顯示的代表性主流產品。

白光LED是LED產業中最被看好的新興產品，在全球能源短缺的憂慮再度升高的背景下，白光LED在照明市場的前景備受矚目。歐、美及日本等先進技術國家也投注許多人力，成立專門的機構推動白光LED研發工作。可見國外LED顯示屏技術主要集中在新材料的開發上，以新發光材料來提高顯示屏的視覺效果、能耗等各種性能。

隨著能源緊缺問題越來越突出，LED的重要性和市場空間更加顯著。鑒于我國LED產業的現狀，不論技術還是產能短期內達到世界先進水平都有相當大的難度。要在國內發展高亮LED產業，可以充分利用國內現有的研發和生產力量，走合作發展的道路。

半導體產業的全球化發展，是每個企業都要面對和無法回避的。國內企業通過規范股權架構、加大研發，采取并購和合作的方式將海外先進技術引入國內，可爭取與國際大廠基本在同一技術水平進行產業競爭。繼上海、廈門、大連、南昌和深圳成為首批五個國家半導體產業化基地，國內封裝和應用企業形成快速的市場適應能力和價格優勢，我國大陸已經成為世界上重要的LED封裝生產基地。封裝及應用，尤其是國際應用產品加工有向我國轉移的趨勢。在封裝和應用領域中國已經完全有可能、有能力在高端市場占據一席之地，但必須加大產品的創新、加強品牌的培育。目前全世界都在尋求解決經濟發展和能源短缺的矛盾，給整個綠色照明生產行業帶來廣闊的市場前景與新的機遇。

   隨著社會科技的進步和戶外廣告的發展，人們對戶外廣告媒體的要求也越來越高，傳統的路牌、燈箱、單立柱、霓虹燈等表現形式單一的戶外廣告媒體已經無法滿足受眾的需求。戶外廣告市場上的競爭將是品牌價值、客戶管理和專業品質的較量，于是，LED開始浮出水面。LED大型顯示屏是科技與媒體的完美結合，能把該理念充分發揮，當仁不讓地成為未來戶外廣告媒體發展趨勢。

LED顯示屏不僅畫面亮度高、對比度大，色彩鮮艷，而且可顯示動態畫面和文字，它主動光發，遠距離分辨率高，即使在百米以外，視覺效果跟在家里看電視一樣，已廣泛用于人流量多的公共場所、交通要道承擔著信息發布實時更新的重任。

3D一詞，現在在顯示業可謂大行其道，顯示器巨頭們也是爭相推出了自家的當家花旦—3D電視。現在商家們都會把3D技術作為一項亮點來推銷，而消費者在購買時也都接受這一技術，甚至愿意為之買單，享受其提供的視覺享受。3D顯示技術顯然受到了消費者的追逐。3D技術也有缺點，觀看時需佩戴3D眼鏡。這就制約了它在生機磅礴的戶外廣告業的發展，試想如果讓3D顯示技術出現在戶外廣告中，人們對觀看廣告興趣會提高，對于廣告投放者來說就是莫大的福音，因為廣告效果將會事半功倍。但是平面的LED顯示屏是難以突破這種技術的，解決的方法就是立方體的LED顯示器，讓它實現裸眼3D。

第二章 LED顯示技術的理論基礎

2.1LED器件的應用基礎

LED器件種類繁多。早期LED產品是單個的發光燈，隨著數字化設備的出現，LED數碼管和字符管得到了廣泛的應用。
LED發光燈可以分為單色發光燈、雙色發光燈、三色發光燈、面發光燈、閃爍發光燈、電壓型發光燈等多種類型。按照發光燈強度又可以分為普通亮度發光燈、高亮度發光燈等。
LED發光燈的外形由PN結、陽極引腳、陰極引腳和環氧樹脂封裝外殼組成。其核心部分是具有注入復合發光功能的PN結。環氧樹脂封裝外殼除具有保護芯片的作用外，還具有透光聚光的能力，以增強顯示效果。
LED器件通常用砷化鎵（GaAs）、磷化鎵（GaP）等半導體材料制成。當向LED器件施加正向電壓時，器件內部的電子與空穴直接復合而產生能量，以光的形式釋放出來，產生半導體發光。因此LED的驅動就是如何使它的PN結處于正偏狀態，而且為了控制它的發光強度，還要解決正向電流的調節問題。具體的驅動方法可以分為直流驅動、恒流驅動、脈沖驅動和掃描驅動等。

2.1.1LED屏的工作原理

LED顯示屏通常由若干LED點陣顯示模塊組成，用于顯示的8x8單色LED顯示點陣模塊，每塊有64個LED。為了減少引腳且便于封裝，LED顯示點陣模塊采用陣列形式排布，即在行列線的交點處接有顯示LED 。 8X8 LED點陣的外觀及引腳如圖3-1，等效電路圖如圖3-2所示。

圖2-3-1 8*8LED點陣的外觀及引腳

圖2-3-2 8*8LED點陣等效電路圖

LED顯示屏的基本工作原理是動態掃描。動態掃描又分為行掃描和列掃描兩種方式，常用的方式是行掃描。行掃描方式又分為8行掃描和16行掃描兩種。　　在行掃描工作方式下，每一片LED點陣片都有一組列驅動電路，列驅動電路中一定有一片鎖存器或移位寄存器，用來鎖存待顯示內容的字模數據。在行掃描工作方式下，同一排LED點陣片的同名行控制引腳是并接在一條線上的，共8條線，最后連接在一個行驅動電路上；行驅動電路中也一定有一片鎖存器或移位寄存器，用來鎖存行掃描信號。
　　LED顯示屏的列驅動電路和行驅動電路一般都采用單片機進行控制，常用的單片機是MCS51系列。LED顯示屏顯示的內容一般按字模的形式存放在單片機的外部數據存儲器中，字模是8位二進制數。
　　單片機對LED顯示屏的控制過程是先讀后寫。按LED點陣片在屏幕上的排列順序，單片機先對第1排的第1片LED點陣片的列驅動鎖存器，寫入從外部數據存儲器讀得的字模數據，接著對第2片、第3片……直到這一排的最后一片都寫完字模數據后，單片機再對這一排的行驅動鎖存器寫行掃描信號，于是第1排第1行與字模數據相關的發光二極管點亮。接著第2排第1行、第3排第1行……直到最后一排第1行的點亮。各排第1行都點亮后，延時一段時間，然后黑屏，這樣就算完成了單片機對LED顯示屏的一行掃描控制。
　　單片機對LED顯示屏第2行的掃描控制、第3行的掃描控制……直到第8行的掃描控制，其過程與第1行的掃描控制過程相同。對全部8行的控制過程都完成后，LED顯示屏也就完成了1幀圖像的完整顯示。
　　雖然按這種工作方式，LED顯示屏是一行一行點亮的，每次都只有一行亮，但只要保證每行每秒鐘能點亮50次以上，即刷新頻率高于50 Hz，那么由于人的視覺惰性，所看到的LED顯示屏顯示的圖像還是全屏穩定的圖像。

2.2LED屏的衍生LED立方體

LED屏日益受到青睞的今天，憑借自身色彩鮮艷、環境適應能力強、高節能、利于環保、可顯示動態畫面和文字、廣告模式更趨近于電視、可承擔信息發布等特點大有取代傳統廣告的趨勢。現今3D一詞儼然成為了顯示器的一項不可或缺的功能，在未來3D技術將會顯得非常重要。然而要把3D技術融入到戶外領域那就很有難度了，3D實現是需要借助3D眼鏡來實現的。如果把LED顯示器制作成立方體的那就能實現裸眼3D的效果，顯示以后你會發現LED立方體所顯示的東西效果逼真的呈現在人們面前，而且它是個立方體不論從各各方向來看都不會影響效果顯得非常通透，不會像LED普通顯示屏那樣受到可視角的限制。

• 硬件
  

3.1.1 單片機STC89C52

STC89C52是一種帶8K字節閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓，高性能COMOS8的微處理器，俗稱單片機。該器件采用ATMEL搞密度非易失存儲器制造技術制造，與工業標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。表3-3-1給出了其主要功能。

表3-3-1  STC89C52主要功能：

圖3-3-1  STC89C52管腳圖

STC89C52管腳介紹：

(1)主電源引腳

VCC(40)：電源輸入，接＋5V電源

GND(20)：接地線

(2)外接晶振引腳

XTAL0(18)：片內振蕩電路的輸入端

XTAL1(19)：片內振蕩電路的輸出端

(3)控制引腳

RST/VPP(9)：復位引腳，引腳上出現2個機器周期的高電平將使單片機復位。

ALE/PROG(30)：地址鎖存允許信號

PSEN(29)：外部存儲器讀選通信號

EA/VPP(31)：程序存儲器的內外部選通，接低電平從外部程序存儲器讀指令，如果接高電平則從內部程序存儲器讀指令。

(4)可編程輸入/輸出引腳

STC89C52單片機有4組8位的可編程I/O口，分別位P0、P1、P2、P3口，每個口有8位，共32根。

PO口(39～32)：名稱為P0.0～P0.7。P0口是一個8位漏極開路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅動8個TTL邏輯電平（晶體管-晶體管邏輯電平）。

P1口(1～8)：名稱為P1.0～P1.7。P1 口是一個具有內部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，p1 輸出緩沖器能驅動4 個 TTL 邏輯電平。對P1 端口寫“1”時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內部電阻的原因，將輸出電流。

P2口(21～28)：名稱為P2.0～P2.7。P2 口是一個具有內部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，P2 輸出緩沖器能驅動4 個 TTL 邏輯電平。對P2 端口寫“1”時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。

P3口(10～17)：8位準雙向I/O口線，名稱為P3.0～P3.7。P3 口是一個具有內部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，p2 輸出緩沖器能驅動4 個 TTL 邏輯電平。對P3 端口寫“1”時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內部電阻的原因，將輸出電流。

RST——復位輸入。當振蕩器工作時，RST引腳出現兩個機器周期以上高電平將是單片機復位。

ALE/PROG——當訪問外部程序存儲器或數據存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節。一般情況下，ALE仍以時鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當訪問外部數據存儲器時將跳過一個ALE脈沖。

PSEN——程序儲存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當STC89C52由外部程序存儲器取指令（或數據）時，每個機器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個脈沖，在此期間，當訪問外部數據存儲器，將跳過兩次PSEN信號。

EA/VPP——外部訪問允許，欲使CPU僅訪問外部程序存儲器（地址為0000H-FFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被編程，復位時內部會鎖存EA端狀態。

3.1.2 鎖存芯片74HC573

74HC573的八個鎖存器都是透明的D 型鎖存器，當使能（G）為高時，Q 輸出將隨數據（D）輸入而變。當使能為低時，輸出將鎖存在已建立的數據電平上。輸出控制不影響鎖存器的內部工作，即老數據可以保持，甚至當輸出被關閉時，新的數據也可以置入。這種電路可以驅動大電容或低阻抗負載，可以直接與系統總線接口并驅動總線，而不需要外接口。特別適用于緩沖寄存器，I/O 通道，雙向總線驅動器和工作寄存器。引腳如圖3-3-1-1

3.1.3 放大三極管S8550

參數：
耗散功率0.625W（貼片：0.3W）
集電極電流0.5A
集電極--基極電壓40V
集電極--發射極擊穿電壓25V
集電極-發射極飽和電壓 0.6V
特征頻率fT 最小150MHZ 典型值產家的目錄沒給出
引腳排列為EBC或ECB 838電子

按三極管后綴號分為 B C D檔
放大倍數B85-160  C120-200  D160-300   L100-200  H200-350

      三極管74HC573

3.2硬件構成

3.2.1 單片機最小系統

晶振電路：

    最小系統晶振電路如圖3-3-2-1所示。

（二）復位電路

最小系統復位電路如圖3-3-2-2所示

驅動模塊由8塊74HC573和單片機的最小系統組成，STC89C52的P1口用于控制鎖存器的開啟和關閉；P2口提供鎖存器控制512個LED的指令；P3用于控制從上到下每層的開關，可以單獨開啟每一層的開關，相互獨立不受影響。8塊74HC573是控制512個LED的關鍵所在，通過這些芯片可以獨立的控制每一個LED，讓光立方能顯示心中所想成為可能。

由于STC89C52的驅動能力有限難以同時驅動512個LED，如果LED全部亮起來的話單片機的輸出會很大有可能把單片機燒壞，而且全部亮起來也不是LED的最佳工作狀態。所以加上8個S8550的三極管用于信號的放大，這樣就能讓512個LED都達到最佳的工作狀態達到設計的初衷。8只三極管的E極都接入單片機的P3.0~P3.7口作為輸入信號，B極接電源的正極用作信號的放大，C極則接入光立方由上到下的8層LED。

顯示模塊由512只LED焊接而成，每只LED都需要進行引腳的彎折，然后精確的完成焊接工作。最先由8個LED組成一條，然后把8條LED組合成一個LED點陣，最后把8個點陣組合為一個立方體，實現每一層共陽極接入到P3口。64個陰極的管腳接入到8塊74HC573實現對每一束LED的控制。

第四章 軟件設計

4.1 檢測程序

//8*8*8光立方程序

• 系統調試
  

在LED的焊接中很容易受到損壞，LED會因電烙鐵產生的靜電而被擊穿，焊接時需要除靜電，最大程度的降低因焊接產生的LED損壞，要知道組裝好的LED難以跟換。檢測時需要把LED全部點亮，使壞點暴露出來，把壞的LED更換。

LED有最大承受電壓和最佳工作電流，在設計時就已經把這些因素考慮到了里面，進行了大概的計算得出大概的工作電流和電壓，但實際電路中會存在各種誤差和不確定因素，所以要得到準確的數值還需要在實際電路中測量，進行調節讓其達到最佳的工作狀態。電流過大會使LED燒毀，先降低電壓測試然后再升慢慢調高電壓。

最小系統承擔著顯示器的控制，程序錯亂時需要進行復位，作用很重要因此需要進行測試。通過向芯片中寫入讓每個引腳持續規律地在1和0電位轉換的程序，將引腳接到發光二極管之后，發光二極管可以規律地亮或者滅，這說明實現了最小系統的測試。

5.3 實物圖

圖5-3-1 實物圖

參考文獻

[1]《EDA技術基礎與應用》              郭勇、卓樹峰              機械工程出版社 2011.3

[2]《單片機的C語言應用程序設計》  馬忠梅  北京航空航天大學出版社  1999年

[3]《程序設計基礎—邏輯編程及C++實現》 陸虹  高等教育出版社  2004.5

[4]《單片機原理及應用》   孫波、施偉   江蘇教育出版社   2011.10

[5]《Protel DXP 電路原理圖與PCB設計》   郝文化   機械工業出版社  2004.3

[6]《簡明電子元器件手冊》   于安紅   上海交通大學出版社   2005.12

[7].單片機原理及接口技術. 余錫存等 西安電子科技大學出版社，2007年

致謝

通過完成這次的畢業論文（設計），我有了很大的收獲。這兩個月的時間，我過的既忙碌又充實，為了完成一個目標而努力，分析問題，研究問題，再到解決問題，對自己的思維和知識量是個巨大的考驗。通過完成畢業論文（設計），還很好的溫習了過去學習過的知識，如《模擬電子技術》、《單片機技術》、《數字電子技術》、《C語言》等課程。

論文的完成標志著大學生活即將結束，對此我們都有些留戀。在大學的這段時間里，無論學習、生活、等各方面，各位老師都給予了我極大的幫助、關心和指導。特別是老師們一絲不茍的治學態度和嚴謹求實的科研作風，時刻影響和教育著我，使我受益匪淺、終生難忘，衷心感謝所有任課老師。特別是我的畢業論文指導老師寸彥萍，大一以來就是我們的任課老師，現在還是我的指導老師。在教學中一絲不茍，認真的幫我們答疑解惑，在講臺上的身影讓我們記憶深刻。在畢業設計的這些時間里，同學們給我提出很多寶貴的意見，給了我不少幫助還有工作上的支持，在此也真誠的謝謝你們。

完整的Word格式文檔51黑下載地址（內含程序）：

基于51單片機的LED立方體顯示器.doc (1.11 MB, 下載次數: 15)