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本文說明書將以看圖說話的方式詳細介紹光立方的搭建過程,以及闡述光立方的設計原理和架構方法。這些內容如圖一所示大致分為如下三個部分。 圖一 光立方的設計思路示意圖 圖二 (a)霧狀方形LED燈；(b)層示意圖；(c)立方體點陣實物圖 如圖二所示，LED點陣由512個2*5*7mm的霧狀方形藍色發光管采用層共陰、豎共陽的方式焊接而成，采用LED霧燈可以很好的收聚光線，使要顯示的燈的光亮不會影響周圍燈的亮度，暗滅很明顯，利于效果呈現。這里層共陰豎共陽的意思說光立方的每一層的負極都接在一起，一共8層，最后引出8根跳線與底座電路連接（與8個100Ω電阻串聯后接在STC單片機P0口），陽極則層與層之間對應連接在一起，一共有64個口，分別接在底座電路圖的8個74HC595的IO口中。這種層共陰、豎共陽的方式焊接，可以使所有LED燈并聯連接，不相互影響，通過程序控制，可以點亮任意LED。 圖三 焊接現場 焊接的方式是將每個LED燈的正負極彎折成90度，固定在事先制作好的間距為20mm的陣列模板中，將所有正極用工具將其盤出一個圓環，所有LED的負極則相互搭在一起，然后焊牢，一層則制作完成。正極的圓環是用來最后在每層都焊好的時候，將所有層上下連接在一起而準備的。 如這樣，最后完成了光立方立方體點陣的焊接，如圖二(c)所示。 圖四 電路原理圖 底座硬件電路以STC單片機為控制中心，主要包含復位電路，時鐘信號電路，以及595控制電路，如圖四原理圖所示。 圖四所示595電路設計，按照前部分立方體點陣搭建思路，可知最少需要用到的單片機IO口就需要64+8個，對于40PIN的STC12C5A60S2顯然IO口不足，所以我們使用8個74HC595芯片來節約單片機的IO口資源, 分別用來控制每一層中每一列的LED燈。在圖中，數據通過串行的方式，分別傳送到每一個74HC595芯片中，再內部控制器儲存這些數據，從而實現一層64個燈同時的點亮。 圖四所示時鐘信號電路設計，我們在XTAL1（單片機內部振蕩電路的輸入端口）、XTAL2（單片機內部振蕩電路的輸出端口）上接一個石英晶體并在兩端接兩個電容，這樣就可以產生一個內部激蕩電路，這里需要注意的是此實驗用的晶振是12MHZ的，和晶振相連的電容一般選用33PF的陶瓷電容。 圖四對應的PCB原理圖如圖五所示，由于光立方線路復雜，我們在布線過程中17根跳線（PCB圖中紅色和粉色線所示） 圖五 底座PCB圖 本光立方的組成有兩各個部分一個是硬件一個則是軟件，軟件的伸縮性很大，編寫的好的程序實現起來簡單不易出錯，編的不好的數據會出現很多問題，本系統采用的是模塊化的設計方案，減少軟件出錯的概率，在軟件的設計過程中需要用到了KEIL4軟件編輯器。 另外，我們寫程序時的設計思路是這樣的：描述一個固定畫面的顯示，需要硬件執行8次掃描的過程。 - 將第一層64個點的數據傳入8個74hc595中，控制uln2803層控制芯片打開第一層開關，使第一層點亮，這個時候，其他層是滅的。
- 等待時間t。
- 熄滅第一層，開始向74hc595中傳輸第二層的數據，鎖存，開啟第二層總控制開關，點亮第二層。
- 等待時間t。
....... - 熄滅第七層，將第八層的的數據傳入所有74hc595中，鎖存，開啟第八層總開關，
- 點亮第八層。
- 再回到第一步，循環下去....
這樣，便實現了一個偵畫面的顯示，由于人眼的視覺暫留的特性，只要刷新的夠快，我們看到的就是光立方整體一起點亮的。便實現了我們想要的效果。為了畫面的穩定，上面間隔點亮t要保持一致，否則會出現亮度不均的情況。 光立方最大的特點就是點陣顯示，每個LED都是采用并聯方式焊接，所以通過編寫程序可以隨意設計點陣顯示方式，在本課題的光立方中，我們設計了倒計時數字顯示，波浪，左右推進等顯示方式。 下面是部分源程序展示。
完成了硬件和軟件設計，我們的光立方最后成功制作成功，展示結果如圖七所示。 圖七 光立方效果顯示實物圖
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電路原理圖如下：
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元件清單：
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