炫色3D光立方設(shè)計

Beijing University of Civil Engineering and Architecture畢 業(yè) 設(shè) 計(論文)姓 名： 學(xué) 號： 學(xué) 院： 專業(yè)(方向)： 班 級： 指導(dǎo)教師： 二一七 年 六 月北京建筑大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）北京建筑大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(論文)炫色3D光立方設(shè)計姓 名：學(xué) 號：學(xué) 院：專業(yè)(方向)： 班 級： 指導(dǎo)教師：2017 年 6 月創(chuàng)見性聲明本人聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文）是本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的工作和取得的成果，符合學(xué)校及學(xué)院的畢業(yè)設(shè)計（論文）管理規(guī)定，論文中所引用的他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，均加以特別標(biāo)注并在此表示致謝。與我一同工作的同志對本論文所做的任何貢獻(xiàn)也已在論文中作了明確的說明并表示謝意。 畢業(yè)論文作者簽名： 簽字日期： 年 月 日本科畢業(yè)設(shè)計（論文）版權(quán)使用授權(quán)書本畢業(yè)設(shè)計（論文）作者完全了解北京建筑大學(xué)有關(guān)保留、使用畢業(yè)設(shè)計（論文）的規(guī)定。特授權(quán)北京建筑大學(xué)可以將畢業(yè)設(shè)計（論文）的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，并采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學(xué)校向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交畢業(yè)設(shè)計（論文）的復(fù)印件和磁盤。（保密的畢業(yè)論文在解密后適用本授權(quán)說明）畢業(yè)論文作者簽名： 指導(dǎo)教師簽名：簽字日期： 年 月 日 簽字日期： 年 月 日室內(nèi)空氣自清潔新風(fēng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計摘 要此次畢業(yè)設(shè)計是制作出一個可以顯示三維立體圖案的LED光立方。這種產(chǎn)品不僅可以有被顯示在屏幕的LED網(wǎng)格的靜態(tài)或動態(tài)圖像,也能打破現(xiàn)有的平面顯示方法,可以表現(xiàn)出三維靜態(tài)或動態(tài)圖像。立體的led光立方在視覺效果方面比光二極管點陣更為卓越，并且led光立方所呈現(xiàn)的立體圖案更加豐富。同時增加了顯示模式和三維顯示模式,從廣義上來說它可以應(yīng)用于各種不同的裝飾中,它引領(lǐng)著為未來的進(jìn)步和顯示技術(shù)的發(fā)展方向,光立方體顯示的視覺效果是比LED點陣的效果更為明顯。本次畢業(yè)設(shè)計完成了8*8*8光立方硬件及軟件（含程序）,完成了硬件部分的設(shè)計，包括光立方體的焊接，電路的分析設(shè)計，最后擬定方案采用STC12C5A60S2芯片作為主控芯片,以八D邊沿觸發(fā)器(三態(tài))74hc595芯片來達(dá)到擴(kuò)展I/O口的目的,。為了完成此次光立方設(shè)計,在軟件部分編譯了一些程序并且通過控制程序,然后將程序下載到單片機(jī)的軟件編程的方式來顯示預(yù)想的顯示圖案。關(guān)鍵詞：光立方 STC12C5A60S2芯片 74hc595芯片The 3D Light Cube DesignABSTRACTThe graduation design is to produce a product ，it can display various three-dimensional patterns of LED light cube. This product can not only be displayed on the screen of the LED grid static or dynamic images, but also can break the present flat display methods. It can also show three-dimensional static or dynamic images. The visual effects of three-dimensional led light cube is more excellent than the dot matrix of light diodes, and the three-dimensional pattern presented by led light cube is more abundant. At the same time the display mode and three-dimensional display mode of Led light cube is increasing. Broadly speaking, light cube can be applied to a variety of decorative projects. And visual effect of light cube display is more obvious than the effect of LED dot matrix. The light cube design will use the STC12C5A60S2 chip as the master chip and eight D edge trigger (three-state) 74hc595 chip to achieve the purpose of expanding I / O port, complete the design of the hardware circuit part. To complete this light cube design by controlling the data, it is a good choice to download the data in the software programming the microcontroller to display a manner expected pattern. Keywords: Light cube; STC12C5A60S2 chip; 74hc595 chip目錄摘 要4第一章緒論81.1光立方的現(xiàn)景81.2光立方的功能和特點81.3 光立體的優(yōu)越性以及主要應(yīng)用91.4光立方控制方法9第二章總體設(shè)計112. 1系統(tǒng)的工作原理112. 2光立方系統(tǒng)的各個模塊12第三章系統(tǒng)的硬件設(shè)計143.1光立方硬件設(shè)計143.1.1光立方的制作原理143.1.2 光立方的焊接方案選擇143.1.3 LED燈的選用163.2 光立方體制作173.2.1主板焊接173.2.2單片機(jī)的焊接183.4.2排插與晶振的焊接19第四章軟件實現(xiàn)204.1 軟件設(shè)計總體思路204.1.1驅(qū)動原理圖:204.1.2 外部驅(qū)動電路214.2主控芯片214.2.1主控芯片的選擇214.2.2主控芯片的特點224.2.3主控芯片的各接口224.3最小系統(tǒng)模塊介紹234.4層控制234.4.1層控制的過程244.2.2層控制芯片244.2.3層控制芯片的數(shù)據(jù)端264.5串口通訊芯片的選擇264.6程序設(shè)計總體思路274.4.1 keil系統(tǒng)274.4.2編寫程序274.4.3 在Keil里生成hex文件和相關(guān)設(shè)置31第五章結(jié)論32致 謝34參考文獻(xiàn)35附錄1 軟件系統(tǒng)的操作介紹36附錄2 Fritzing軟件介紹39第一章 緒論1.1 光立方的現(xiàn)景LED點陣顯示屏已經(jīng)滲透到我們生活的各個方面,技術(shù)發(fā)展的步伐向前邁進(jìn),因為3D電影產(chǎn)生了震撼的視覺體驗,因此我想設(shè)計一個3D顯示器。通過學(xué)習(xí)研究了單片機(jī)原理與應(yīng)用,了解了led點陣不僅能進(jìn)行靜態(tài)顯示,還可以控制LED顯示屏的靜態(tài)展示。 LED點陣的顯示功能、實用性、高亮度、成本低、控制能力好等優(yōu)點,都顯示出這樣設(shè)計制作的LED顯示器十分耐用且性能優(yōu)良。高亮度,低電壓,低功耗,體積小,壽命長,耐沖擊,性能穩(wěn)定等優(yōu)點也讓 LED顯示器展現(xiàn)了非常廣闊的前景,作為一個LED點陣顯示表面,不僅擁有動態(tài)和靜態(tài)兩種顯示模式模式,傳統(tǒng)的平板顯示方式也被成功突破,可以查看三維動態(tài)圖案或靜態(tài)圖案。21世紀(jì)是一個屬于個平板顯示的時代,因為基礎(chǔ)材料行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈的完整度提高,產(chǎn)生了更加完善的LED燈的生產(chǎn)工藝,也大大降低了led產(chǎn)品的生產(chǎn)成本,應(yīng)用得到了快速發(fā)展。彩色顯示屏幕的白平衡,亮度,色彩這些參數(shù)隨著led產(chǎn)品得以發(fā)展之后也已經(jīng)達(dá)到一個了相對良好的效果。除此之外,彩色顯示屏幕就算處在相對復(fù)雜的條件下,其亮度等各種參數(shù)也完全滿足各種完全惡劣環(huán)境的需要。未來幾年,全彩顯示屏模式,LED3D顯示器將成為常見應(yīng)用產(chǎn)品,占據(jù)市場的絕大份額,例如應(yīng)用在體育場,舞臺等場地。3D全彩LED顯示屏的大規(guī)模使用將為LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來一個新的增長點,3D產(chǎn)業(yè)將顯示出其強(qiáng)大活力。在接下來的時間里,LED3D顯示屏的發(fā)展方向?qū)⑾蛑鴺?biāo)準(zhǔn)化以及產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)多樣化方向移動。目前,中國的主要的大型LED廣告屏廠家主要集中在北方,它幾乎涵蓋了中國的東部,南部地區(qū),大廠商的市場范圍更是幾乎涵蓋了整個中國市場。中國LED顯示產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展使得LED顯示屏行業(yè)的規(guī)模和雛形正在逐漸形成,也成為中國電子信息產(chǎn)業(yè)的重要組成部分。另外,一些具有一定規(guī)模組織和產(chǎn)品創(chuàng)新能力的骨干企業(yè)在面板顯示的領(lǐng)域已經(jīng)形成我國這個領(lǐng)域的重要基石,成為國家高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的不可或缺的重要組成部分。1.2 光立方的功能和特點1. 8 * 8 * 8立體LED陣列顯示。 2.,圖形顯示具有連續(xù)性,一致性,給觀眾一個震撼沖擊的立體的 視覺效果 3.顯示效果良好,能在立體led列陣顯示中呈現(xiàn)數(shù)字倒計時塊顯示,心臟的跳動效果,雨滴效果,等一系列各種三維動態(tài)的靚麗三維顯示樣式。 4.在音頻頻譜顯示模式時,顯示效果可以給予觀看者視覺和聽覺的多重感官愉悅享受 5.可以根據(jù)自己的喜好在整個開放用戶自定義操作中您可以編寫相應(yīng)的程序以達(dá)到預(yù)設(shè)效果。 6呼吸燈模式的光立方體：在光立方未輸入程序時，光立方呈現(xiàn)led整體有節(jié)奏的亮滅效果。這種光立方的設(shè)計方案是一種能廣泛應(yīng)用的具有良好經(jīng)濟(jì)效的方案,不僅能保證我們在此過程中熟悉c語言以及單片機(jī)原理,還能收獲一個集藝術(shù)審美與功能性于一體的作品。1.3 光立體的優(yōu)越性以及主要應(yīng)用1.其亮度高,功耗低,視角大,壽命長,觀看距離較遠(yuǎn)使得3D光立方具有十分廣闊的發(fā)展前景。隨著人們生活水平的提高,3D LED在各種行業(yè)的使用頻率和范圍也將逐漸增加?？蛻魧τ谠诙S平面的應(yīng)用不再新奇和滿意,而且在二維平面的需求也逐漸降低,那么它往一個三維立體方向發(fā)展更是一個必然的趨勢。3D 的LED的問世正是在這種時機(jī)和需求中產(chǎn)生的。 2.由于3D光立方能夠顯示出不同的立體效果,而且對于用戶的高裝飾性要求,設(shè)計者可以根據(jù)不同的設(shè)計方案變換3D光立方的三維屬性。從設(shè)計方案的多樣性來說它的確是不斷變化的。當(dāng)接收的信息更加豐富,信息產(chǎn)生的印象也能給觀賞者留下更為深刻的印象,它所攜帶的數(shù)據(jù)和信息則具有更有效地傳輸性和更良好的接受性。 3.相比于其他的顯示屏幕來說,3DLED顯示屏幕具有相當(dāng)高的亮度,更鮮艷的色彩,更高的對比度,和超薄的其他特征,而且具有寬視角的自然感和舒適感,它可能會在一些特定地點和場所中具有廣闊的發(fā)展前景。尤其是在我們的生活工作之中,例如電影院的顯示屏幕,大型會議之中,舞臺設(shè)計等等。今日這個快速發(fā)展的信息化程度極高的科技社會的洪流之中,大屏幕的顯示器已經(jīng)從以顯示器向公眾傳播商業(yè)信息,轉(zhuǎn)向以面向消費(fèi)者的多媒體對消費(fèi)者進(jìn)行滲透。得益于寬帶網(wǎng)絡(luò)的快速推進(jìn),數(shù)字多媒體內(nèi)容所攜帶的信息將嶄露頭角。新的大屏幕顯示設(shè)備這一信息中心將取代傳統(tǒng)的電視機(jī),提供豐富的多媒體內(nèi)容以便供你享受。為了生成高清晰度的三維顯示圖案,提高LED的顯示舒適度,追求3D圖像的明亮。這種設(shè)計將打破常規(guī)視頻顯示表面的方法,適用地點囊括各式各樣的廣告牌,火車站,購物中心,醫(yī)院等場所,其超強(qiáng)的立體感,鮮艷的設(shè)計色彩使得無論是靜態(tài)顯示還是動態(tài)顯示都獨樹一幟,效果完善。1.4光立方控制方法本次畢業(yè)設(shè)計的核心部分就是光立方的控制，控制部分在光立方系統(tǒng)中起到一個橋梁作用，它將用戶的指令通過一定的程序下達(dá)，從而使光立方達(dá)到各種顯示效果。方案一：單片機(jī) 單片機(jī)是集成了CPU，ROM，RAM和I/ O口的微型計算機(jī)。它有很強(qiáng)的接口性能，非常適合于工業(yè)控制，因此又叫微控制器(MCU)。單片機(jī)品種齊全，型號多樣 CPU 從816，32到64位，多采用RISC 技術(shù)，片上I/O非常豐富，有的單片機(jī)集成有A/ D，“ 看門狗”，PWM，顯示驅(qū)動，函數(shù)發(fā)生器，鍵盤控制等。它們的價格也高低不等，這樣極大地滿足了開發(fā)者的選擇自由。除此之外單片機(jī)還具有低電壓和低功耗的特點。隨著超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，單片機(jī)在便攜式產(chǎn)品中大有用武之地。 方案二：DSP 芯片 DSP 又叫數(shù)字信號處理器。顧名思義，DSP主要用于數(shù)字信號處理領(lǐng)域，非常適合高密度，重復(fù)運(yùn)算及大數(shù)據(jù)容量的信號處理?，F(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于通信、便攜式計算機(jī)和便攜式儀表、雷達(dá)、圖像、航空、家用電器、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域。 DSP區(qū)別于一般微處理器的另一重要標(biāo)志是硬件乘法器以及特殊指令，一般微處理器用軟件實現(xiàn)乘法，逐條執(zhí)行指令，速度慢。DSP 依靠硬件乘法器單周期完成乘法運(yùn)算，而且還具有專門的信號處理指令。它的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力和高運(yùn)行速度，是最值得稱道的兩大特色。芯片內(nèi)置544字的高速SRAM。外部可尋址64K字程序/數(shù)據(jù)及I/O，令周期在25ns50ns之間，實時性處理比16位單片機(jī)快2倍以上，可取代一般的單片機(jī)。方案三：EDAEDA(即Electronic Design Automation) 即電子設(shè)計自動化，它是以計算機(jī)為工具，在EDA 軟件平臺上，對用硬件描述語言HDL完成的設(shè)計文件自動地邏輯編譯、邏輯化簡、邏輯分割、邏輯綜合及優(yōu)化、邏輯布局布線、邏輯仿真，直至對于特定目標(biāo)芯片進(jìn)行適配編譯、邏輯影射和編程下載等。而且MCU和DSP都是通過串行執(zhí)行指令來實現(xiàn)特定功能，不可避免低速，而FPGA/CPLD則可實現(xiàn)硬件上的并行工作，在實時測控和高速應(yīng)用領(lǐng)域前景廣闊；另一方面，F(xiàn)PGA/CPLP器件在功能開發(fā)上是軟件實現(xiàn)的，但物理機(jī)制卻和純硬件電路一樣，十分可靠?；谝陨戏治?，三種設(shè)計方式相比較各有優(yōu)點且都能夠?qū)崿F(xiàn)控制功能，但單片機(jī)的技術(shù)門檻較低開發(fā)成本也較低非常適合初學(xué)者進(jìn)行學(xué)習(xí)和鍛煉使用?，F(xiàn)在市場上常用的單片機(jī)主要有MCS-51、AVR、ARM、PIC等。其中應(yīng)用最廣泛的單片機(jī)首推Intel的51系列，由于產(chǎn)品硬件結(jié)構(gòu)合理，指令系統(tǒng)規(guī)范，加之生產(chǎn)歷史“悠久”，有先入為主的優(yōu)勢常作為單片機(jī)學(xué)習(xí)的教材。所以決定選取51系列單片機(jī)作為控制部分的核心器件。第二章 總體設(shè)計2. 1系統(tǒng)的工作原理本次光立方的設(shè)計目的是能根據(jù)使用者需求和想法來控制每一個燈珠,這樣我們所預(yù)想的一些效果就能得以實現(xiàn)了,那么就讓我們從光立方的原理開始入手,首先從點陣的點亮原理開始。能實現(xiàn)預(yù)先控制效果的前提就是能點亮任意需要位置的led燈珠。為達(dá)此目的,需要將這個LED所在位置的列線接地,行線接上電源即可。在這里,一共有八層,縱向一層束的負(fù)極性引腳要連在一起。而橫向一層的正極引腳要接在一起。因為掃描每次只能掃描一層,所以每次都只能點亮一層。888光立方的每一層都有64個燈,雖然燈的數(shù)量眾多,但是我們有64根線分別接在64個燈上,在實際制作過程中就是將64個led燈珠接在了鍍錫電子線上,因而可以實現(xiàn)同時對64個燈的控制。我們將光立方從下往上分為8層,每次掃描一層這樣一幅畫面就完成了。單片機(jī)引腳往往小于所需控制的led燈珠的個數(shù)較少,采用的方案是用74hc595芯片進(jìn)行拓展。數(shù)據(jù)通過串行的方式,分別傳送到用于擴(kuò)展接口和控制的74hc595芯片當(dāng)中,再由芯片的內(nèi)部控制器儲存這些數(shù)據(jù)。 圖2.1 光立方點陣 圖2.2 光立方層圖2.3光立方列掃描電路通過上述分析的LED點陣控制原理,我們不妨將一個光立方體由體到面的拆開,可以看作是8個8*8點陣屏的led面疊放在一起的。這8個led點陣屏的顯示效果疊加起來就構(gòu)成了我們所看到的一個光立方的顯示效果。所以控制一個光立方體,只要通過程序分別在此控制8個光立方層就可以實現(xiàn)光立方的顯示。人體具有一些特殊性,比如人眼有視覺暫留性,這個特殊的能力能使所攝到的畫面停留在我們的眼前,這便讓我們感覺到看到的東西是具有連貫一致性的,所以也就能感覺到這八層光立方屏陣是在一起亮的,這一原理的應(yīng)用讓一個完整圖像,本次設(shè)計便是基于此原理。弄懂設(shè)計原理之后是進(jìn)行3D 圖形的構(gòu)想,這個過程中需要開放的新思維,從整體設(shè)想出發(fā),分析這個立體圖形,將其拆解成面,在找尋面中需要點亮的點,可以將這個過程化解為三維空間點線面的組成關(guān)系。3Dled光立方具有極強(qiáng)的表象能力,給各位觀賞者帶來感官上的震撼。3d光立方最核心炫目的部分就是它的顯示模塊,完成光立方的制作工作的重要部分是LED燈珠立體矩陣的構(gòu)建。888光立方體一共有512粒小led燈珠,因此這個搭建過程也是比較繁瑣漫長的。將光立方體分為8層,每層在分為8列,每列包含8個LED燈珠,為使光立方外形的美觀,這樣在整體完成之后才會形成一個立體的形態(tài),在后續(xù)編程完成后顯示效果才能得以展現(xiàn),因此要求每一片的LED陣列都要求排列整齊,互相看齊,這對設(shè)計者的焊接能力有不小的要求。2. 2光立方系統(tǒng)的各個模塊整個光立方體系統(tǒng)可以大致分為兩大重要部分,硬件部分和軟件部分。3dled光立方體設(shè)計的硬件部分是整個設(shè)計的骨架部分,在此基礎(chǔ)上在進(jìn)行連線等其他硬件部分的工作,完備的硬件部分為后續(xù)軟件部分的工作提供了良好的基礎(chǔ)。軟件部分是整個led光立方體的骨肉和靈魂,整個系統(tǒng)得以鮮活控制,硬件部分依靠軟件部分才能發(fā)揮作用。因此,硬件部分和軟件部分需要相互配合互相支撐才能達(dá)到預(yù)期效果。通過以上分析,本次光立方系統(tǒng)的設(shè)計方案如下:這樣,光立方的總體設(shè)計方案就可以由以上五個模塊兩個部分來進(jìn)行簡單的確定,在后面的設(shè)計過程中,按照本章確定的大致方向進(jìn)行設(shè)計,并在其后的工作中進(jìn)行補(bǔ)充和完整。圖2.4光立方系統(tǒng)框圖此次光立方體系統(tǒng)的主要控制部分為STC12C5A60S2單片機(jī),顯示部分采用了512只led燈珠,這512只LED燈的控制我們選用的方案是直接控制,選擇將其與單片機(jī)的I/O口和7hc573芯片接口相連接。啟動過程是:當(dāng)啟動整個系統(tǒng)時,單片機(jī)系統(tǒng)首先對7hc573芯片進(jìn)行選通,向7hc573芯片傳送數(shù)據(jù),某一組LED燈將被選中,再由傳遞的數(shù)據(jù)完成LED燈的負(fù)邏輯點亮,按照2.1所述的人體特有的視覺暫留原理,雖然顯示區(qū)域并非同時點亮,但是依照輸出數(shù)據(jù)而點亮的每組LED燈產(chǎn)生的效果也不會立刻消失,而是隨著立體區(qū)域中逐漸點亮的LED燈在視覺系統(tǒng)中產(chǎn)生連續(xù)流暢的立體圖像。制作流程大致從lED顯示部分底板焊接組裝調(diào)試四個步驟進(jìn)行實施,在接下來的硬件制作和軟件調(diào)試中,將著手解決這四個環(huán)節(jié)之間的連接問題與每一個環(huán)節(jié)的運(yùn)行方針,目標(biāo)較為明確。第三章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計光立方的硬件部分主要是包括LED顯示部分、電源模塊兩部分。3.1光立方硬件設(shè)計3.1.1光立方的制作原理借鑒LED點陣控制原理，將光立方可以看做是8個8*8點陣屏的層疊一起。光立方一層的顯示就是一個點陣屏的顯示，若是能通過程序下達(dá)指令來控制8個光立方層，這樣就可以實現(xiàn)光立方的顯示，人眼的視覺暫留效應(yīng)讓我們感覺到看到的東西是同時被點亮，在這種情況下一個完整圖像就被展現(xiàn)出來。設(shè)計3D 圖形，需要有新的思維方式，發(fā)現(xiàn)三維空間中點、線、面、體的算法規(guī)律。展示3D效果的超炫表現(xiàn)力，讓人享受各種視覺上的沖擊，迎合3D顯示時代的到來。光立方分解為8個8*8LED點陣疊成8層，再用8個引腳來充當(dāng)8個點陣的開關(guān)。3.1.2 光立方的焊接方案選擇選擇一:光立方的led燈焊接方法選擇,開始選擇的是折疊引腳再進(jìn)行焊接, 需要連接在一起的是每一層相同位置的LED的正極(長管腳,一般長管腳是正極)。引腳的折法有好幾種,但折疊引腳的目的都是使得led燈珠產(chǎn)生一個三維小空間,能夠進(jìn)行搭接,進(jìn)而搭建出整個大的立方體結(jié)構(gòu)。依照這種方案試著焊接了一排燈網(wǎng)，用的是圓燈。圖3.1折疊引腳焊接的燈網(wǎng)按照這樣的焊接方式下試著焊接了一個444的光立方體，如下，可以看出光立方體的外觀不太好看，層高沒有控制好，導(dǎo)致同一層從前到后看是一個斜面，最后的效果就變成了一個傾斜的立方體。圖3.2 折疊引腳焊接的444光立方圖3.3 折疊引腳焊接的444光立方選擇二:將led燈珠的燈腳剪短焊在鍍錫電子線上,先焊接成燈條,再焊接成燈網(wǎng),再組裝成光立方。第二種方案采用鍍錫電子線輔助焊接光立方,先將鍍錫電子線裁剪出一段來,結(jié)合LED燈的行距和個數(shù),大約需要16cm,然后把鉗子夾住電子線兩端用力拉即可,用拉直后的鍍錫電子線把LED正極焊接起來剪短,保留1mm左右即可。再此過程中為保證每一排8個led燈珠的行距以及每個燈引腳的長度我采用了一些輔助性的工具,幫助控制顯示部分完成后的外觀效果。將正極焊接在鍍錫電子線上之后將負(fù)極向上彎折(垂直于正極90度)余留出1mm左右長度的引腳的,剪短。(可以用一個固定的物品比較,每次焊接燈條時都重復(fù)此操作,這里我用鋼尺)這樣一個燈條就制作完成了。由8個led燈珠焊接成的燈條需要8條,才能制作一片燈網(wǎng),一個光立方體需要64個這樣的燈條進(jìn)行搭接成8個燈網(wǎng)。在焊接的時候我們需要注意兩點,一是要注意焊接的時間二是注意焊錫的用量。LED燈在較長的焊接時間里非常容易被燙壞造成光立方列陣中有缺失的部分。注意焊錫的用量是為了控制焊接的美觀和牢固度,用焊錫的時候注意用量上要均勻,太多的話容易造成焊瘤等外觀缺陷,太少會使得光立方硬件系統(tǒng)連接不平穩(wěn)。通過比較上面兩種方案,按照第二種方案焊出來的單個led燈的行距更能得到控制,最終焊接效果更好,立方體更美觀。3.1.3 LED燈的選用led燈能夠發(fā)光的條件是,發(fā)光二極管LED顯示器的兩端加上了正電壓,LED光源是一種固體性質(zhì)的光源。若是使用不同的材料制造,可以制造出不同顏色的發(fā)光二極管。led燈作為一種新光源就能在短時間內(nèi)為大眾所熟知并且受到歡迎正是因為各種各樣的媒體信息宣傳使其有長足快速的發(fā)展。簡述其分類方法如下。1)按顏色分類單色顯示類型:單色(紅,綠,黃,藍(lán)等)。雙色顯示屏類型:紅和綠雙基色,256級灰度層次,能夠顯示65536種顏色。全彩色顯示屏:紅,綠,藍(lán)顏色,256級灰度的全彩色顯示屏能夠顯示超過16萬種顏色。2)按使用場合分類室內(nèi)顯示型: 覆蓋面積比較小,從零點幾至十幾平方米;發(fā)光點的光點較小,通常是3mm-8mm戶外顯示屏型:覆蓋面積大,從幾十平方米至幾百平方米亮度更高,可以在陽光下正常顯示功能更強(qiáng),能抵御外界環(huán)境變化,防風(fēng),防雨,防水。3)按發(fā)光點直徑分類室內(nèi)屏型:3mm型號,3.75mm型號,5mm型號。戶外屏型:10mm型號,12mm型號,16mm型號,19mm型號,21mm型號,26mm型號。根據(jù)上述結(jié)果,因為成本和易于控制的原因,決定選擇單色LED3mm的這種設(shè)計的彩色屏幕,亮度高,且顯示效果不錯。這樣的方案選擇是為了設(shè)計的光立方顯示圖案效果豐富,顏色絢爛。燈珠額定電壓范圍在3.03.2V范圍內(nèi),電流為1518毫安,長度為27-29mm。為了便于焊接,采用了自制的簡單輔助工具,預(yù)先量出孔間距量。在這里,我發(fā)現(xiàn)一個很值得注意的問題,因為LED燈珠是比較脆弱的,這完全是因為焊接過程中產(chǎn)生的高溫特別容易燒毀LED燈珠,考慮到這一點之后,我們應(yīng)該盡量縮短焊接接觸時間。與此同時,為保證每個LED燈珠是沒有問題的,我們在搭建工作進(jìn)行到一段落時都要進(jìn)行檢查工作。圖3.3 焊接的輔助工具3.2 光立方體制作3.2.1主板焊接主板焊接的時候要求確保板面清潔,外觀檢查是否存在裂縫等明顯損壞,每個部件的符號能否被清新識別理解,所需元器件組件準(zhǔn)備妥當(dāng),焊接工具檢查無異常。準(zhǔn)備材料妥當(dāng)步驟清晰明了之后,就開始在原理圖所標(biāo)識的位置上焊接部件,若是采用了太多的焊料,那將是非常難看,并有可能成為周圍部件短路的原因,要求焊接時間不能過長,許多電氣元件在經(jīng)受烙鐵的高溫之后容易損壞,也要注意避免靜電干擾,均勻的焊接,且注意焊點形態(tài),焊點大小適宜且光滑明亮是最好的。 圖3.4焊好的主板3.2.2單片機(jī)的焊接焊接微控制器也就是單片機(jī)部分是一個棘手的工作,因為使用的單片機(jī)芯片的焊接引腳比較小,很容易混合在同一個較大的焊料球中,焊接微控制器和其他部件不同。首先,我們要是焊接上四個固定引腳,這四個引腳焊接好后作為一個固定定位的作用。緊接著焊接其他引腳,在一側(cè)引腳上放置較多的焊料,將電烙鐵從一個邊緣擦過這一條連續(xù)的多個引腳,在該焊膏的影響下達(dá)到的效果就是焊料被均勻分布到各個引腳,將各個引腳都焊接上了,然后在另一側(cè)也完成焊接,這樣的焊接方式使單片機(jī)芯片既美觀又簡單,如果焊接時采用傳統(tǒng)方式,很容易就造成兩個引腳不夠漂亮或者甚至引起短路。根據(jù)焊接經(jīng)驗來看平口焊烙鐵用來焊接單片機(jī)引腳更為方便。圖3.5焊接單片機(jī)部分3.4.2排插與晶振的焊接主板和針腳需要在焊接排插的時候緊密貼合,沒有留下任何空隙,并且把排插的短條狀的另一端部連接到主板上,焊接排插時要注意安全,會產(chǎn)生非常高的溫度,不要用手直接接觸排插。焊接順序是先焊接排插兩端,這樣固定了排插端部,剩余焊腳全部焊接上,然后剩下的就是快速焊接晶振,晶體是相對脆弱的元器件,焊接時動作要迅速。圖3.6焊接好的晶振第四章 軟件實現(xiàn)光立方體系統(tǒng)是由硬件和軟件兩個部分組成的,是一個具有較大的靈活應(yīng)用性,編制好的程序在運(yùn)行時不復(fù)雜不易出錯。然后最大的問題是數(shù)據(jù)的可靠性,欠好的數(shù)據(jù)是一個很大的問題,光立方體系統(tǒng)采用的是模塊化設(shè)計方案,這樣的方案可以降低軟件出錯的可能性。在軟件設(shè)計過程中用到了軟件編輯,軟件允許電初始化單片機(jī),單片機(jī)也可以實現(xiàn)特定的功能作用。4.1 軟件設(shè)計總體思路4.1.1驅(qū)動原理圖:圖4.1驅(qū)動原理圖4.1.2 外部驅(qū)動電路本次光立方制作并沒有按照網(wǎng)絡(luò)上盛傳的由單片機(jī)連接uln2803芯片再連接74hc595芯片的方式,而是去除了uln2803芯片,直接由單片機(jī)連接74hc595芯片,實現(xiàn)8個74hc595對每一列8個LED燈陽極的供電,1個IO口連接8塊74hc595的使能端口,進(jìn)行對74hc595不同時間的選通,1個I0口連接一層LED燈的負(fù)極,一共有8層LED燈。圖4.2驅(qū)動框圖4.2主控芯片4.2.1主控芯片的選擇在大規(guī)模集成電路出現(xiàn)之后單片機(jī)得到了長足且快速的發(fā)展, CPU,RAM,ROM,定時器/計數(shù)器等計算機(jī)模塊,以及各種I / O接口被集成在一個芯片上,可以將其看成一個芯片級的計算機(jī),也是一種微控制器。單片機(jī)的優(yōu)點在于它的高性價比，高集成度，小體積，高可靠性的性價比,而且單片機(jī)易于控制，且其低能耗低電壓低功耗都是它的優(yōu)勢所在。在智能儀表,工業(yè)測量和控制,機(jī)電一體化方面有許多的應(yīng)用,在這些方面的成果也是非常顯著的。光立方體系統(tǒng)的核心部分就是控制部分。由于微控制器具有豐富的指令類型,強(qiáng)大的接口性能,極快的運(yùn)行速度,因此它被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)控制,通訊設(shè)備,家用電器,智能儀表之中。同時,低功耗和低電壓這兩大特性也是單片機(jī)的優(yōu)點。由于本次光立方體設(shè)計方案種要求能實現(xiàn)經(jīng)?？焖僮儎痈牡牧Ⅲw圖案,因此需要單片機(jī)能支持經(jīng)由串行接口直接下載,基于此我們選擇在本結(jié)構(gòu)中選擇型號為 STC12C5A60S2的單片機(jī)作為本立方體設(shè)計的主控芯片。在市場上和工業(yè)生產(chǎn)中最常見最易得到的單片機(jī)應(yīng)該是Intel的51系列。而且考慮到888的光立方體有相當(dāng)大數(shù)量的led燈珠,所以本次設(shè)計方案種選擇增強(qiáng)型的51系列單片機(jī)型號為STC12C5A60S2的芯片作為該系統(tǒng)的核心控制部分。本次設(shè)計方案選擇STC12C5A60S2芯片為主控片,4.2.2主控芯片的特點STC12C5A60S2單片機(jī)有如下一些特點:(1)該單片機(jī)能實現(xiàn)8051指令且引腳兼容。(2)單片機(jī)內(nèi)的程序存儲器具有較大容量,并且是FLASH工藝。 (3)采用節(jié)能設(shè)計,超過10萬次的續(xù)航擦寫能力。(4)上至60K字節(jié)的FlashROM,存儲器中采用這種工業(yè)可以使它的用戶可以實現(xiàn)立即地電擦除,重寫與編程串行編程。 (5)I / O端口驅(qū)動器可達(dá)到電流20mA,整個芯片電流不允許超過100mA。此外,在使用相同的晶振的情況下,該單片機(jī)的速度是普通的微控制器的812倍,如普通51系列單片機(jī),該ADC具有8路10位,高達(dá)25萬次采樣/秒的速率,和超強(qiáng)的抗干擾性。 4.2.3主控芯片的各接口P0.0p0.7 p0口既可作為輸入輸出口,也可作為地址數(shù)據(jù)復(fù)用總線使用。當(dāng)P0口作為輸入輸出口時,無需外接上位電阻。當(dāng)P0作為地址數(shù)據(jù)復(fù)用總線使用時,是低8位地址線A0-A7,數(shù)據(jù)線的D0-D7。P1.0ADC0CLKOUT2P1.0 標(biāo)準(zhǔn)IO口 PORT10ADC0 ADC 輸入通道-0CLKOUT2 獨立波特率發(fā)生器的時鐘輸出,可通過設(shè)置WAKE_CLKO2位BRT-CLKO將該管腳配置為CLKOUT2PL1ADC1P1.1 標(biāo)準(zhǔn)IO口 PORT11ADC1 ADC 輸入通道-1PL2ADC2EC1RxD2P1.2 標(biāo)準(zhǔn)IO口 PORT12ADC2 ADC 輸入通道-2EC1 PCA的外部脈沖輸入腳RxD2 第二串口數(shù)據(jù)計數(shù)器端PL3ADC3CCP0TxD2P1.3 標(biāo)準(zhǔn)IO口 PORT13ADC2 ADC 輸入通道-3CCP0 外部信號捕獲(頻率測量或當(dāng)外部中斷使用)、高速脈沖輸出及脈寬調(diào)制輸出TxD2第二串口數(shù)據(jù)發(fā)送端PL4ADC4CCP1SSP1.4 標(biāo)準(zhǔn)IO口 PORT14ADC2 ADC 輸入通道-4CCP1 外部信號捕獲(頻率測量或當(dāng)外部中斷使用)、高速脈沖輸出及脈寬調(diào)制輸出SPI同步串行接口的從機(jī)選擇信號4.3最小系統(tǒng)模塊介紹 光立方體系統(tǒng)的最小系統(tǒng)包括時鐘電路和復(fù)位電路兩個部分。時鐘電路的作用是在單片機(jī)工作的時候產(chǎn)生必須的控制信號，正是在時鐘信號的控制下，單片機(jī)的內(nèi)部電路才可以嚴(yán)格按照時鐘時序指令進(jìn)行工作。復(fù)位電路是為了單片機(jī)初始化操作而設(shè)置的，與此同時復(fù)位電路也能保障在程序運(yùn)行時程序跑飛出錯后后快速啟動。 圖4.3單片機(jī)最小系統(tǒng)復(fù)位電路單片機(jī)輸入輸出設(shè)備時鐘電路電源 圖4.4單片機(jī)最小系統(tǒng)框圖4.4層控制按照2.1中所描述,我們選用74HC595芯片來控制光立方體中的8層,3Dled光立方體各層包含64個燈,但是我們有64根線分別接在64個燈上,因而可以實現(xiàn)同時對64個燈的控制。單片機(jī)引腳往往小于所需控制的led燈珠的個數(shù)較少,采用的方案是用74hc系列芯片進(jìn)行拓展,例如74hc595,74hc573。選用8個74hc595芯片分別控制光立方的八層。4.4.1層控制的過程1.當(dāng)74HC595芯片被單片機(jī)選中時,第一層會打開,這一層會被點亮,此時其它層處于關(guān)閉狀態(tài)。2.緊接著等待時間t。3.當(dāng)?shù)谝粚颖魂P(guān)閉時,數(shù)據(jù)開始傳輸?shù)降诙又械?4HC595鎖存器中,總開口控制開關(guān)的第二層,第二層被點亮。4.等待時間t。.從第一層開始,在所有數(shù)據(jù)都傳輸?shù)娇刂频诎藢拥?4HC595鎖存器內(nèi),鎖定第八層,打開第八層照明的主開關(guān)。 然后回到第一步,繼續(xù)循環(huán).我們由前文分析知道人眼具有特殊的視覺暫留效應(yīng),若是刷新速度足夠快,頻率足夠高,在一個畫面周期中觀賞者可以感受到一個完整的畫面,盡管8層光立方屏是不同時間點亮的,但是在肉眼看來甚至就是一個靜態(tài)的畫面。若是想要達(dá)到更好的效果,顯示圖案更好的穩(wěn)定性,亮度的均勻性和點亮響應(yīng)的一致性我們需要更加完善。本設(shè)計使用74HC595鎖存光立方作為驅(qū)動器電路將數(shù)據(jù)傳送到顯示數(shù)據(jù)和光立方體層,其控制光立方9門的鎖,其中上圖所示U1-U8的顯示驅(qū)動電路。光立方體,用于輸出選擇數(shù)據(jù)層B1-B64,一個數(shù)據(jù)層顯示數(shù)據(jù)輸出和顯示數(shù)據(jù)是從所述控制模塊的輸入端口I00-I07,八個端口是常見的。鎖閂9端子LE,分別由控制單元9 I O端口控制,其中I08-I015控制由鎖存控制層數(shù)據(jù)鎖存的顯示數(shù)據(jù),I016。提出修改建議當(dāng)顯示圖像時,第一控制U1-U8示出數(shù)據(jù)鎖存器輸出的LED,該數(shù)據(jù)之后的LED顯示電平準(zhǔn)備好時,控制層U9數(shù)據(jù)鎖存器的鎖數(shù)據(jù)用于選擇的輸出電平,在LED光立方顯示的信息的出現(xiàn)使總顯示可以是動態(tài)的掃描,這允許以這種方式每一層在依次顯示一定的時間間隔,利用人的視覺特性的持久性,而感覺燈點亮,所以我們就得到了一個完整的效果。 4.2.2層控制芯片74HC595芯片是在單片機(jī)系統(tǒng)中常用的一種芯片。在各種數(shù)字控制和點陣屏使用的驅(qū)動芯片中我們采用74HC595芯片來達(dá)到節(jié)約接口資源IO口的效果。這樣我們使用3個接口能控制8個引腳,并且它的作用是將串行信號轉(zhuǎn)換成并行信號且有一定的牽引力,也可以不用晶體管等放大器電路來工作,由于以上分析,這塊芯片被廣泛使用。我們來看一個74HC595的地圖引腳圖。SCK(11腳):上升沿時數(shù)據(jù)寄存器的數(shù)據(jù)移位。QA-QB-QC-.-QH;下降沿移位寄存器數(shù)據(jù)不變。下圖是74HC595脈沖圖。圖4.5 74HC595脈沖圖74hc595芯片的優(yōu)點有:1.可以被驅(qū)動發(fā)光并且是以低電壓,低電流的情況,也可以用TTL兼容CMOS電路;2.若想達(dá)到發(fā)光效果只需要很短的響應(yīng)時間(約為0.1s),具備良好的頻率特性,良好的單色性,亮度高。 3,體積小,重量輕,耐沖擊性好;4,壽命長,使用壽命長達(dá)100000小時,甚至長達(dá)百萬小時之久。數(shù)字LED通常用作數(shù)字儀器儀表,數(shù)字控制部件,計算機(jī)數(shù)顯元器件。輸入 輸出OE LE D QL H H HL H L LL L X Q0H X X Z74hc595真值表, 表4.1 74hc595真值表意思如下: 第一行/第二行:當(dāng)OE=0、LE=1時,輸出端數(shù)據(jù)等于輸入端數(shù)據(jù); 第三行:當(dāng)OE=0、LE=0時,輸出端保持不變; 第四行:當(dāng)OE =1時DN,LE為任意值,輸出都為為高阻抗;4.2.3層控制芯片的數(shù)據(jù)端74HC595的數(shù)據(jù)端:QA-QH(或者稱為Q0-Q7): 八位并行輸出端,可以直接控制數(shù)碼管的8個段,也可以直接控制8個LED燈珠。 QH: 級聯(lián)輸出端。一般情況下我們將這個端口接到一個595的SI端口上,實現(xiàn)多個芯片之間的級聯(lián)。SI: 串行數(shù)據(jù)輸入端。74hc595的各個控制端:/SCLR(10腳): 低電平時移位寄存器的數(shù)據(jù)將被清零。通常我們將它接Vcc電源處。4.5串口通訊芯片的選擇串口通信指串口按位(bit)發(fā)送和接收字節(jié)。雖然比按字節(jié)(byte)的并行通訊慢,然而串口能夠在利用一根線發(fā)送數(shù)據(jù)的同時用另一根線接管數(shù)據(jù)。在串口通信中,常用的協(xié)議包括RS-232、RS-422和RS-485。AT89S52串行口采用的是TTL電平,與上位機(jī)通信時,必須要有電平轉(zhuǎn)換電路,可以選擇1488,1499,MAX232。4.6程序設(shè)計總體思路此次光立方程序中所使用的設(shè)計方案是通過動態(tài)掃描顯示,選通裝置上的一列。根據(jù)由低到高的順序程序中的數(shù)據(jù)依次微控制器的輸出端口輸出模式I /驅(qū)動器到移位寄存器從寄存器74HC595輸出到LED燈的陽極和燈的暗控制。這樣一個不斷循環(huán)的周期時間可以產(chǎn)生動態(tài)圖象。靜態(tài)模式是最簡單的顯示模式,與之對應(yīng)的存在就是動態(tài)顯示模式。這兩種顯示模型都是能夠改變的。根據(jù)圖形運(yùn)動的形狀和特性不同,需要建立各種動畫代碼陣列。但是為了實現(xiàn)各種動畫的顯示效果,并不意味著每個程序都必須重寫,可以直接運(yùn)用某些算法將原始數(shù)據(jù)生成出來顯示數(shù)據(jù),如此編程工作就不會太無聊和繁瑣重復(fù)。4.4.1 keil系統(tǒng)KEIL C51軟件庫中包含有功能豐富而強(qiáng)大的綜合開發(fā)和調(diào)試工具,并且提供完整的Windows界面。 C51的總體結(jié)構(gòu),套件,組件在整個開發(fā)過程中可以完成編輯,連接,調(diào)試和仿真等工作,為Windows和DOSvisio和ISHELL C51(IDE)集成開發(fā)環(huán)境。開發(fā)商編輯C或匯編源文件可以通過自身或其他IDE的編輯器中使用。 C51和C51編譯器編譯生成目標(biāo)文件。 LIB51目標(biāo)文件可由庫文件創(chuàng)建出來,通過標(biāo)準(zhǔn)的十六進(jìn)制文件轉(zhuǎn)換OH51 ABS文件,使用調(diào)試器或tscope51 dscope51程序調(diào)試,源級,仿真器也EPROM可以被直接用作直接在程序存儲器中調(diào)試的可寫目標(biāo)。Keil系統(tǒng)的優(yōu)點:KeilC51生成的目標(biāo)代碼效率是非常高的,大部分的語句生成的匯編代碼是非常緊湊的,易于理解。在大型軟件的開發(fā)過程中能更好地體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。相比一些匯編語言,C語言的功能性好,在結(jié)構(gòu)性,可讀性,可維護(hù)性上具有明顯的優(yōu)勢,并且因此易于使用。使用匯編語言之后再來使用c語言,以上理解更為深刻。4.4.2編寫程序若想實現(xiàn)光立方體顯示的各種三維立體圖案效果或者動態(tài)效果，則實現(xiàn)的立體圖案的程序教為復(fù)雜，因此需要的儲存空間也比51單片機(jī)所需要的更大，因此對于刷新頻率的要求也十分高，要求的性能也很高，編寫軟件的難度也會增大。因此對于編寫者的空間思維能力要求高，想象力需要很豐富。#include /包含頭文件 STC12C5A60S2.H #define uchar unsigned char /宏定義uchar數(shù)據(jù)類型#define uint unsigned int /宏定義uint數(shù)據(jù)類型uchar data buffer8; /光立方顯示一層的數(shù)據(jù)暫存數(shù)組/*定義管腳定義單片機(jī)用于發(fā)送數(shù)據(jù)給74HC595引腳和數(shù)據(jù)移位控制*/sbit SH_CP = P34; /SCKsbit ST_CP = P33;/RCKsbit DS = P35;/SERsbit CH340 = P03;/SEsbit SH_CP2 = P26; /SCK2sbit ST_CP2 = P25;/RCK2sbit DS2 = P23;/SER2sbit RR=P36;/紅uchar code display88=/用于顯示光立方體的顯示圖形數(shù)據(jù)（二維數(shù)組8行8列）一行8個16進(jìn)制數(shù)，64位控制一層64個LED0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,/第1層0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,/第2層0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,/第3層0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,/第4層0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,/第5層0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,/第6層0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,/第7層0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,/第8層;/*- 初始化 -*/void initial595() /列驅(qū)