3D8光立方設(shè)計報告

PAGEPAGE1電子設(shè)計大賽訓(xùn)練項目設(shè)計報告題目3D8光立方姓名學(xué)院化學(xué)與化工學(xué)院專業(yè)化學(xué)類2013年題目二8*8*8光立方目錄摘要………………3說明書結(jié)構(gòu)設(shè)置………………3設(shè)計任務(wù)與要求………41．1設(shè)計任務(wù)…………………41.2設(shè)計目標(biāo)與要求…………4電路的設(shè)計、制作及工作原理介紹………………7電路設(shè)計…………………82.1.1主控電路…………………82.1.2驅(qū)動電路…………………82.1.3顯示電路…………………8電路設(shè)計、制作及工作原理介紹………8驗證與測試………………9硬件系統(tǒng)測試…………9系統(tǒng)總體測試…………10系統(tǒng)測試結(jié)果與結(jié)論…………………103.3.1測試結(jié)果分析…………103.3.2測試結(jié)論………………10總結(jié)………………………10參考文獻…………………118*8*8光立方摘要LED點陣顯示屏已經(jīng)應(yīng)用到了我們生活中的方方面面，科技發(fā)展的腳步一直向前，3D電影給人們帶來了更加震撼的視覺體驗。于是想設(shè)計出一種3D顯示屏。通過向指導(dǎo)員的學(xué)習(xí)了解，知道LED顯示分靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示，以及兩種顯示的控制方法，LED共陰和共陽接法不同的驅(qū)動方法。在網(wǎng)站上查找相關(guān)文獻時，我們了解到LED顯示技術(shù)的特色之處：一是節(jié)能（直接功耗，間接耗能）高空間利用率，二是基本無電離輻射。LED點陣顯示屏的特點還有比數(shù)碼管具有實用、便宜、亮度高等優(yōu)點，而且做出來的LED顯示很耐用。LED顯示屏還具有亮度高、工作電壓低、功耗小、小型化、壽命長、耐沖擊和性能穩(wěn)定等優(yōu)點。LED點陣顯示屏的發(fā)展前景極為廣闊，目前正朝著更高亮度，更高耐氣候性，更高的發(fā)光密度，形狀的多樣性，更高的發(fā)光均勻性、可靠性、多色化方向發(fā)展。另外在電子工程師之家看過網(wǎng)友發(fā)帖曬自己制做的3D光立方顯示，5*5*5的、有8*8*8的、甚至還有一個16*16*16的。在愛折騰網(wǎng)站也曾看過有用藍色LED和白色LDE制作的光立方。在運動會的開幕式上，物理與電子信息學(xué)院展示了光立方，經(jīng)過搜集資料看了視頻了解后，我們被光立方的立體感吸引了，我們向物理與電子信息學(xué)院的同學(xué)學(xué)習(xí)制作一個光立方，一方面滿足自己的興趣愛好之心，另一面也鍛煉我們的動手能力。于是我最終確定也制作一個藍色LED顯示8*8*8的光立方。光立方顧名思義就是一個立方體，我們采用的是8*8*8的模式，大概的距離是17cm*17cm*17cm（長.寬.高），主要分為三個模塊：主控模塊驅(qū)動模塊顯示模塊；我們所做的光立方驅(qū)動電路，主控電路等都是純手工焊接。采用的主控芯片12C5A60S2芯片，驅(qū)動電路是采用我們常用的74HC595數(shù)字芯片。本設(shè)計采用關(guān)鍵字：光立方8*8*8的模式12C5A60S274HC595說明書結(jié)構(gòu)設(shè)置：（1）設(shè)計任務(wù)與要求搜集題目的有關(guān)資料，并參照目前通用的設(shè)計方法擬定幾套設(shè)計方案進行分析比較，選擇制作8*8*8LED光立方，簡述其要求與目的及原理。（2）電路設(shè)計、制作及工作原理介紹以設(shè)計要求為指導(dǎo)思想選擇合適的器件來實現(xiàn)這一思想，選擇器件時要從功能和電氣特性兩方面來選擇和論證。經(jīng)過對比選擇AT89S52單片機為核心控制器件，由八D邊沿觸發(fā)器（三態(tài)）74LS574擴展I/O口輸出，三極管8550和5V繼電器為驅(qū)動電路器件。論文列出了詳細的參數(shù)和在系統(tǒng)中的連接使用方法。（3）驗證與測試測試分為硬件測試、系統(tǒng)測試兩步來進行，在硬件測試中發(fā)現(xiàn)有單片機端口驅(qū)動能力不足、驅(qū)動電路工作不穩(wěn)定、LED顯示不正常等問題。在軟件測試中出現(xiàn)程序整合工作不協(xié)調(diào)問題。通過分析，查找出問題的原因并設(shè)法解決。（4）結(jié)論設(shè)計作品完成后對設(shè)計中所遇到的問題、經(jīng)驗教訓(xùn)，以及自己的想法進行總結(jié)分析。以便于為將來的設(shè)計提供寶貴的借鑒經(jīng)驗。一．設(shè)計任務(wù)與要求1.1設(shè)計任務(wù)制作8*8*8光立方1.2設(shè)計目標(biāo)與要求目的：在當(dāng)今現(xiàn)代信息化社會的高速發(fā)展過程中，大屏幕顯示已經(jīng)從公共信息展示等商業(yè)應(yīng)用向消費類多媒體應(yīng)用滲透。隨著寬帶網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，數(shù)字化的多媒體內(nèi)容將在信息世界中占據(jù)主流，新型的大屏幕顯示設(shè)備將代替?zhèn)鹘y(tǒng)電視機成為人們享受信息和多媒體內(nèi)容的中心。為追求舒適、逼真、清晰的3D視頻顯示，為此制作出一個三維立體顯示圖案的LED光立方。該設(shè)計方案將打破了傳統(tǒng)的平面顯示視頻的方法，該方案設(shè)計的LED顯示屏顯示畫面色彩鮮艷，立體感強，靜如油畫，可以廣泛應(yīng)用于廣告公司、交通運輸、車站、商場、醫(yī)院、賓館、證券市場、工業(yè)企業(yè)管理等公共場所。要求：（1）.利用單片機控制8*8*8的LED光立方顯示一些3D的圖形。設(shè)計內(nèi)容包括了時鐘電路、復(fù)位電路、三極管驅(qū)動電路、LED光立方電路等幾部分的設(shè)計。(2).進行實物的焊接，最后進行調(diào)試。我們以我們制作的8X8X8的光立方來說，我們可以把他拆成8個面。如右圖示：每個面有64個燈組成。或者說是64束led藍光燈組成。從光立方的上方看，這是一個具有64個燈的面，而8個面組合起來又是一個完整的立方體。不同的3D圖案就是靠著這一個個的點連接起來后形成的。我們先從一個面的控制來考慮起;控制著64個燈使其能自由的變換，，不同的燈的變換構(gòu)成不同的平面圖案，而我們要做的就是首先將每個圖片切割成8層，通過控制每層的圖案然后依次點亮每層即可，由于我們眼睛的視覺殘留效果，當(dāng)每一個燈的變換小于時間20ms時候，我們眼睛就會存在一個視覺殘留的概念，大腦也會將上次的圖案和這次的圖案自動的進行組合。從而，達到圖形結(jié)構(gòu)的效果。這樣，我們就能夠考到一個整體的個體圖案。這是一張點陣led的電路圖，如圖，如果我們想驅(qū)動任意位置的led，我們只需要在該位置led所使用的列線接地，行線接上+V即可。光立方的原理其實很簡單，就是控制這512個led的顯示效果，通過不同的顯示組合，來達到顯示不同立體圖案的效果。二．電路的設(shè)計、制作及工作原理介紹2．1電路設(shè)計：主要分為三個模塊分別是主控模塊、驅(qū)動模塊、顯示模塊圖1主控電路2．1．1主控電路其中P1為一個觸摸型的開關(guān)，C2為去耦電容防止高頻干擾。圖2驅(qū)動電路2．1.2驅(qū)動電路在驅(qū)動電路上，每個鎖存芯片的電源端都加了一個瓷片電容，主要的作用是防止高頻干擾2．1.3.顯示電路顯示電路所有的燈的負端都是接在一起的，下面的每一組都是控制光立方的一個面，控制的是光立方的豎起來的面，而橫著的面由圖3的U10控置。圖3顯示電路2．2電路設(shè)計、制作及工作原理介紹(1)LED元件選型3D8光立方才用高亮藍色草帽頭LED燈：1）額定驅(qū)動電壓3.3V（2.7V-3.8V）2）額定驅(qū)動電流為20mA3）陽極管腳長度為27±1mm，陰極管腳長度為25±1mm（2）LED亮度測試方法1）可使用兩節(jié)常見的1.5V的干電池判斷LED的陽極陰極。2）將萬能面包板接通電源，將LED插入面包板的一堆插孔內(nèi)，其中靠近邊緣的為陽極，另一個為陰極，觀察其是否能被正常點亮，并可以改變限電流電阻改變亮度，觀察該型LED的可測亮度范圍。建議從最低亮度開始，防止LED被燒毀。（3）LED光立方的搭接方法為了保持整體的通透性、立體感，3D8光立方?jīng)]有設(shè)計額外的LED支架，所有的搭建全部使用LED的自身的管腳。1）水平彎折：基本徒手就可以保證焊接的整齊性和保持角度的統(tǒng)一。2）垂直彎折：可借助尖嘴鉗，目的是讓陰極擺出發(fā)光體一部，使其可以與其上下的LED進行搭接。（4）由點到線準(zhǔn)備一塊水平板，在上面打上8*8的64個孔，分布均勻，其間距為22.86mm,孔徑以配合LED為準(zhǔn)。將彎折好的LED插入一排插孔后，其陽極正好可以搭接在一起，進行焊接，實現(xiàn)線行內(nèi)共陽的操作。（5）由線到面將焊接好的一條一條LED平躺在平面上，實現(xiàn)豎方向陰極的焊接，上方LED與下方LED陰極搭接的位置，可用LED自身根部的突起作為標(biāo)志，控制層與層間距，理想的值為22.86（2.54*9）mm。(6)由面到體將垂直各面依次插到面包板上面，以后，將露出的陽極引腳橫向折90度，是其可以與其前后同一高度（同一層）的陽極進行焊接，實現(xiàn)各8*8平面的層共陽，實現(xiàn)層共陽以后，我們就得到了共計8條對陽極引線，通過漆包銅線，實現(xiàn)各層的陽極線與主板的連接。其中最頂層的對應(yīng)最靠近DC電源插座的陽極座。(7)靜態(tài)測試進行LED的靜態(tài)測試，對內(nèi)部常亮點、常暗點進行更換。由于LED還是比較嬌貴的元件，焊接過程中，應(yīng)避免靜電造成LED的損傷。最好使用防靜電焊臺，并佩戴防靜電手環(huán)。有硬件制作基礎(chǔ)的朋友，可以制作一個簡單的單面測試的模塊，借助鱷魚夾，對面內(nèi)各點進行測試，從面避免在各層都實現(xiàn)共陽連接以后再從中拆出個別壞點。就原理圖來說，3D8的LED搭接結(jié)果相對簡單，512個LED，分別為64束，8層，束內(nèi)共陰，層內(nèi)共陽。三.驗證與測試控制電路板的安裝與測試在整個系統(tǒng)研制中占有重要位置，它是把理論付諸實踐的過程，也是吧紙面電路設(shè)計轉(zhuǎn)變?yōu)閷嶋H產(chǎn)品的必經(jīng)階段。系統(tǒng)測試可以分為硬件測試和軟件系統(tǒng)測試。3．1硬件系統(tǒng)測試對試驗階段的電路板的安裝一般有兩種方式即焊接方式和面包板插接方式。使用面包板焊接更加方便，更容易換線路和器件，而且可以多次使用。但在多次使用的面包板中彈簧片會變松，彈性變差，容易造成接觸不良，這是需要注意的。實驗和測試常用的儀器有：萬用表，穩(wěn)壓電源，示波器，邏輯分析儀等。（1）測試前不加電源的檢查對照電路圖和實際線路檢查連線是否正確，包括錯接，少接，多接等：用萬用電表電阻檔檢查焊接和接插是否良好；元器件引腳之間有無短路；連接處有無接觸不良；二極管、三極管、集成電路的電源正負極和電解電容的極性是否正確；電源供電包括極性、信號源連線是否正確；電源端對地是否存在短路（用萬用電表測量電阻）。若電路經(jīng)過上述檢查，確認無誤后，可轉(zhuǎn)入靜態(tài)檢測與測試。（2）靜態(tài)檢測與測試斷開輸入信號，把經(jīng)過準(zhǔn)確測量的電源接入電路，用萬用電表電壓檔測量電源電壓，觀察有無異?，F(xiàn)象。如冒煙、異常氣味、手摸元器件發(fā)燙，電源短路等。如發(fā)現(xiàn)異常情況，立即切斷電源，排除故障；如無異常情況，分別測量各關(guān)鍵點直流電壓，如靜態(tài)工作點，數(shù)字電路各輸入端和輸出端的高、低點平值及邏輯關(guān)系，放大電路輸入、輸出端直流電壓等是否在正常工作狀態(tài)下，如不符，則調(diào)整電路元件參數(shù)、更換元器件等，是電路最終工作在合適的工作狀態(tài)；對于放大電路還要用示波器觀察是否有自激發(fā)生。（3）動態(tài)檢測與測試動態(tài)測試是在靜態(tài)測試的基礎(chǔ)上進行的，測試的方法在電路輸入端加上所需的信號源，并循著信號的注射逐級檢測各有關(guān)點的波形、參數(shù)和性能指標(biāo)是否滿足設(shè)計要求，如有必要對電路參數(shù)作進一步調(diào)整。若發(fā)現(xiàn)問題，要設(shè)法找出原因，排除故障后，繼續(xù)檢測完電路至沒有錯誤。（4）測試注意事項1）正確使用測量儀器的接地端，儀器的接地端與電路的接地端要可靠連接。2）在信號較弱的輸入端，盡可能使用屏蔽線連線，屏蔽線的外屏蔽層要接到公共地線上，在頻率較高時要設(shè)法隔離連接線分布電容的影響，例如用示波器測量時應(yīng)該使用示波器探頭連接，以減少分布電容的影響。3）測量電壓所用儀器的輸入阻抗必須遠大于被測處的等效抗阻。4）測量儀器的帶寬必須大于被測量電路的帶寬。5）正確選擇測量點和測量。6）認真觀察記錄實驗過程，包括條件、現(xiàn)象、數(shù)據(jù)、波形、相位等。7）出現(xiàn)故障時要認真查找原因。3．2系統(tǒng)總體測試在軟件測試過程中采用模塊化的測試方法，使整個系統(tǒng)測試顯得更加有條理性。通過RS232和PC測試助手進行測試。測試過程中把單片機和PC機的波特率設(shè)置為相同值（如9600bit/s）。驗證上位機和下位機接收正常。我們把測好的軟件導(dǎo)入連接好的硬件中，在把所出現(xiàn)的問題都調(diào)整解決過來，因而整個系統(tǒng)就測試通過。3．3系統(tǒng)測試結(jié)果與結(jié)論3．3．1測試結(jié)果分析（1）在測試中遇到發(fā)光二極管不亮、亮度不高時，首先使用試測儀對電路進行測試，觀察是否存在漏焊，或者元件損壞。（2）LED顯示屏顯示不正常，還有亮度不夠，首先使用試測儀對電路進行測試，觀察電路是否存在短路現(xiàn)象。查看燒寫的程序是否正確無誤，對程序中易影響顯示的部分進行認真檢查和修改。3．3．2測試結(jié)論經(jīng)過多次的反復(fù)測試與分析，可以對電路的原理及功能更加熟悉，同時提高了動手設(shè)計能力以及對電路的分析能力。同時在軟件的編程的方面得到了提高，對所學(xué)的知識得到很到的鞏固。在測試過程中遇見的問題，也通過不斷的改正，最終得以實現(xiàn)設(shè)計要求的各項功能，然我們深刻地感受到，做任何事情一定要細心，尤其是在程序編程這里，一個小的失誤，會使你無法實現(xiàn)功能，也會釀成大錯，良好的編程習(xí)慣，會使程序更加簡潔，方便查找錯誤，提高效率。在設(shè)計過程中一些元器件的電路連接方法讓我們很費勁，原因是由于在這些元器件不是太常用而且在學(xué)習(xí)理論知識時沒做詳細的理解，在網(wǎng)站上找不到具體的用法，從而在實際運用中遇到很大麻煩。正是這種原因使我意識到：要想更完美的進行一次設(shè)計，與專業(yè)知識基礎(chǔ)扎實的同學(xué)交流溝通是很有必要的。在指導(dǎo)員的幫助下，經(jīng)過我們的努力終于完成了本次設(shè)計。四．結(jié)論本次實驗設(shè)計大賽即是為大學(xué)生學(xué)習(xí)生活增添樂趣，也是為理論與實際結(jié)合不緊密的我們創(chuàng)造了一個動手操作環(huán)境，為今后走向社會實際操作應(yīng)用鑄就了一個良好的開端。本次設(shè)計，我們選擇了題目：8*8*8的光立方設(shè)計。本次設(shè)計達到預(yù)期要求：LED顯示屏各點亮度均勻、充足