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光立方
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3.作品照片：

  

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第一章 引言

在當(dāng)今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。與傳統(tǒng)的顯示設(shè)備相比，這種未來的巨大需求讓LED大屏幕顯示技術(shù)成為眾人目光的焦點。LED顯示屏一般分為圖文顯示屏和視頻顯示屏，均由LED矩陣塊組成。動態(tài)圖文顯示屏可與計算機同步顯示漢字、英文文本和圖形；視頻顯示屏采用微型計算機進行控制，圖文、圖像并茂，以實時、同步、清晰的信息傳播方式播放各種信息，還可顯示二維、三維的動畫、錄像、電視、VCD節(jié)目以及現(xiàn)場實況轉(zhuǎn)播。不僅可以用于室內(nèi)環(huán)境裝飾還可以用于室外環(huán)境信息傳播，具有投影儀、電視墻、液晶顯示屏無法比擬的優(yōu)點。而且顯示畫面色彩鮮艷，立體感強，靜如油畫，動如電影，廣泛應(yīng)用于交通運輸、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。  隨著社會經(jīng)濟的不斷進步，人們對LED顯示器的認識不斷加深，其應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣。目前正朝著更高亮度、更高耐氣候性、更高的發(fā)光密度、更高的發(fā)光均勻性，可靠性、全色化方向發(fā)展。

1.1設(shè)計要求

本次設(shè)計制作一個8*8*8的三維的發(fā)光二極管立方顯示體，能夠通過編寫程序來實現(xiàn)對每一個發(fā)光二級管的亮滅控制，從而可以顯示多種多樣的圖案。按照圖文運動的特點又可以分為閃爍、平移、旋轉(zhuǎn)、縮放等多種顯示模式。產(chǎn)生不同顯示顯示模式的方法，并不意味著一定要重新編寫顯示數(shù)據(jù)，可以通過一定的算法從原來的顯示數(shù)據(jù)直接生成。這樣程序書寫就不會過于繁瑣和重復(fù)，而且對核心控制器的內(nèi)存空間要求不高。

借鑒單片機控制LED點陣顯示的原理，通過系統(tǒng)分析，確定該系統(tǒng)該具有哪些功能，有哪些模塊，各個模塊之間是怎樣連接，以及怎樣組合電路是最合理最簡單的，即硬件方案設(shè)計。編寫硬件電路的相對應(yīng)軟件程序部分，利用仿真軟件對程序進行測試修改。電路系統(tǒng)焊接完畢后，測試整個的系統(tǒng)模塊的功能，看各個功能是否能正常運行，并依據(jù)實驗結(jié)果找出程序中的錯誤，改正這些錯誤至測試成功完成課程設(shè)計要求。

第二章 設(shè)計方案分析與論證

2.1 總體電路分析

2.1.1總電路工作原理

本設(shè)計是用STC125A60S2單片機做控制芯片的，由單片機上的P2口來控制8個鎖存器的鎖存端，以此決定數(shù)據(jù)的輸入和鎖存。光立方有8層8x8點陣，用8個引腳來當(dāng)充當(dāng)各層8x8點陣的“開關(guān)”（每層共陰）。再將64個燈陽極連到74hc573的輸出引腳上，每個74hc573控制8列LED。驅(qū)動采用了74hc573暫存的方法，來分別把64個燈的亮滅信息存到上面，然后再一起輸出到燈上，74hc573的64個輸出引腳控制前面所述每一個面的64個燈；而每層燈的陰極全連接在一起接入uln2803，由uln2803控制的每一個層燈。通過單片機主控芯片STC12C5A60S2來控制所有燈的亮滅，這樣512個LED每一個都有單獨的位置編碼，燈的亮滅可以自由控制。總體電路原理框圖如（圖2.1）：

圖2.1

2.2方案論證

2.2.1電源電路的選擇

方案一：選擇采用5號電池作為3D光立方顯示系統(tǒng)的電源。

優(yōu)點：移動性強，方便隨時使用。

缺點：該系統(tǒng)耗電量較大，需要長時間不間斷的工作。雖然采用電池供電能夠?qū)崿F(xiàn)，但是這種方法不斷更換電池，造成了各種使用不便與環(huán)保問題。

方案二：采用三端集成穩(wěn)壓器LM7805作為電源供電穩(wěn)壓核心。

優(yōu)點：選用LM7805穩(wěn)壓器在功率問題上不僅滿足了系統(tǒng)需求，而且安全、方便和可靠。

缺點：電源體積大，移動性不強。

基于以上分析，決定選取LM7805三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓電路作為系統(tǒng)供電電源。

2.2.2核心控制芯片的選擇

方案一：單片機  。

優(yōu)點：單片機擁有很強大的接口性能，集成了CPU、RAM和I/O口等電路，低成本、低電壓和低功耗是單片機的特點，使得單片機的市場非常之大，教學(xué)上使用的單片機更是非常多，為了適應(yīng)各種應(yīng)用，各種各樣的單片機出現(xiàn)，它們的性能可靠性，編程方便，開發(fā)成本低等各種優(yōu)點都使得在教學(xué)，生產(chǎn)、民用、商業(yè)化等擁有非常多的市場。

缺點：ROM內(nèi)存小，運行慢。

方案三：DSP 芯片。

優(yōu)點： DSP 是數(shù)字信號處理器。它主要用于數(shù)字信號處理，在擁有非常多數(shù)據(jù)需要處理的系統(tǒng)下，DSP的能力會被無窮顯現(xiàn)出來，當(dāng)遇見高密度，運算量非常之大等情況下，DSP非常好處理。相對于一般的單片機，DSP的處理速度會快上2倍以上，在信號處理領(lǐng)域上D SP能夠非常好的勝任工作，在光立方的大顯示數(shù)據(jù)量，DSP更是顯示它強大的功能。

缺點：需要模數(shù)轉(zhuǎn)換,受采樣頻率的限制，處理頻率范圍有限；數(shù)字系統(tǒng)由耗電的有源器件構(gòu)成，沒有無源設(shè)備可靠。                  

基于以上分析，以上三種核心控制處理芯片都能夠勝任3D光立方顯示器的數(shù)據(jù)處理與控制，但是基于單片機的成本與技術(shù)難度較低，因此在權(quán)衡利弊之后決定選用的控制部分核心器件為單片機，單片機型號為STC12C5A60S2。

2.2.3列驅(qū)動電路的選擇

方案一：選取串口輸入并口輸出芯片74HC595，

優(yōu)點：74HC595中擁有8位移位寄存器和一個存儲器，具有三態(tài)輸出功能、數(shù)據(jù)鎖存功能和數(shù)據(jù)輸出功能，最重要是它具有串行輸入并行輸出的特點。

缺點：但是在3D光立方顯示器，它依舊有不少的延遲時間。

方案二：采用鎖存器74HC573，

優(yōu)點：74HC573是一種硅門CMOS器件并且?guī)в墟i存數(shù)據(jù)和能夠同步輸出數(shù)據(jù)；通過控制使能端口，來控制鎖存器鎖存數(shù)據(jù)并且控制數(shù)據(jù)鎖存保持的時間；當(dāng)時鐘處于上升沿狀態(tài)下，8個74HC573同時正常工作，并且通過16個I/O口并行輸入數(shù)據(jù)到芯片里，并行傳輸數(shù)據(jù)時間比串行傳輸數(shù)據(jù)的延遲時間更加少，滿足設(shè)計要求。

綜合以上各方面的分析和比較，決定選取74HC573作為每一列的驅(qū)動芯片。

2.2.4層驅(qū)動電路選擇

光立方顯示器擁有512個LED，當(dāng)它們有同時工作時，層面積聚電流隨之增大，所以需要把電流放大，提高驅(qū)動能力，驅(qū)動整個顯示正常工作。電流不夠而導(dǎo)致的部分LED不亮或出現(xiàn)亮度不夠的問題，會導(dǎo)致顯示信息出錯等問題。整個層面驅(qū)動電路的設(shè)計在整個系統(tǒng)起到舉足輕重的地位，以下有兩種方案：

方案一：采用5V繼電器來進行控制。

優(yōu)點：可以使用5V繼電器來充當(dāng)開關(guān)實現(xiàn)控制，

缺點：會加大成本還有電路設(shè)計的復(fù)雜程度，顯示器的重量也隨之增大。

方案二：采用達林頓管ULN2803作為層面驅(qū)動電路芯片。

優(yōu)點： ULN2803的驅(qū)動電流可以達到500mA，能夠驅(qū)動層面的LED正常工作。測試結(jié)果穩(wěn)定可靠，可以滿足設(shè)計要求。

基于以上分析，決定選取ULN2803達林頓管作為層面電路控制器。

第三章 單元電路設(shè)計

3.1單片機電路設(shè)計

單片機又稱微處理器，它是在一塊硅片上集成了CPU、ROM、定時器和多種I/O接口電路等電路的集成塊。單片機最小系統(tǒng)包括了單片機芯片、時鐘電路和復(fù)位電路。時鐘電路是用于產(chǎn)生STC12C5A60S2單片機正常工作的時鐘頻率，單片機的正常工作是在這種時鐘電路產(chǎn)生的是時鐘頻率信號的控制下，嚴格地按照時序運作。單片機的初始化是由單片機的復(fù)位電路控制的。硬件電路滿足復(fù)位時序要求，單片機進入從初始化工作狀態(tài)。單片機電路圖如（圖3.1）所示。

圖3.1

3.2時鐘電路設(shè)計

STC12C5A60S2單片機芯片的內(nèi)部時鐘提供時鐘頻率方式是因內(nèi)部設(shè)有一個振蕩器，這個振蕩器是由反向放大器構(gòu)成的，而這個振蕩電路的輸入端與輸出端為別為XTAL1和XTAL2，如果在引腳XTAL1和XTAL2上外接晶振，使用32MHZ晶振率，需要兩個30pF電容值的電容連接，它們可以起到頻率微側(cè)的作用。時鐘電路如（圖3.2）所示。

圖3.2

3.3復(fù)位電路設(shè)計

單片機最小系統(tǒng)的復(fù)位電路也是必不可少的，當(dāng)STC12C5A60S2單片機在 正常運行時，需要復(fù)位，也就是重新開始運行程序時，使單片機從初始狀態(tài)下重新工作，這個時候就需要復(fù)位電路了，所以復(fù)位電路也非常重要，單片機從初始值開始運行程序需要復(fù)位電路，當(dāng)程序運行錯誤，或者進入死循環(huán)，這個時候也需要復(fù)位電路，只需要按下復(fù)位按鍵，使得RST引腳為高電平，這個時候STC12C5A60S2單片機就會從死循環(huán)跳出從程序初始值開始運行程序，上電復(fù)位與手動按鍵控制電平復(fù)位方式是最為常用的單片機復(fù)位方式，而這個顯示系統(tǒng)選用上電復(fù)位控制電平復(fù)位的方式。上電復(fù)位電平復(fù)位電路圖如（圖3.3）所示。

圖3.3

3.4驅(qū)動電路設(shè)計

3.4.1層驅(qū)動電路設(shè)計

ULN2803是本設(shè)計中的層面片選控制器電路的核心控制芯片。ULN2803是八重的達林頓管，1到8腳是8路輸入，18到11腳是8路輸出，驅(qū)動能力為500MA(V，使用時，引腳9接地，用來驅(qū)動感性負載，引腳10接負載電源，輸入電平為0V或5V,當(dāng)輸入5V的電平時候，輸出達林頓飽和；輸入0V時候，輸出達林頓截止。輸出負載加在電源V+和輸出口上，當(dāng)輸入高電平時候，輸出負載工作。ULN2803的引腳圖如圖3.4所示。

                  圖3.4

3.4.2列驅(qū)動電路設(shè)計

74HC573是一個八進制3態(tài)非反轉(zhuǎn)透明鎖存器(三態(tài))，是一種高性能硅門 CMOS器件，當(dāng)使能（OE）為高時，Q 輸出。當(dāng)鎖存使能端LE為高電平時，這些器件的鎖存對于數(shù)據(jù)是同步輸出。當(dāng)鎖存使能變低時，符合建立時間和保持時間的數(shù)據(jù)會被鎖存。將隨數(shù)據(jù)（D）輸入而變。當(dāng)使能為低時，輸出將鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平上。輸出控制不影響鎖存器的內(nèi)部工作，即老數(shù)據(jù)可以保持，甚至當(dāng)輸出被關(guān)閉時。當(dāng)輸入的數(shù)據(jù)消失時，在芯片的輸出端，數(shù)據(jù)仍然保持。列驅(qū)動電路圖如圖3.5所示。

                                   圖3.5

3.5 軟件設(shè)計

3.5.1主程序設(shè)計

光立方顯示器的軟件系統(tǒng)設(shè)計是通過模塊化的設(shè)計思路來進行程序的設(shè)計與開發(fā)的，整個程序設(shè)計采用的是C語言編程的方法。第一先進行顯示系統(tǒng)的實現(xiàn)功能的分析考慮，整個系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能是能夠進行靜態(tài)顯示、動態(tài)顯示、模式轉(zhuǎn)換和上位機控制。通過按鍵控制程序，可以選擇不同的模式來進行顯示。通過打開上位機串口，能夠?qū)崿F(xiàn)PC機控制光立方顯示。主程序的工作流程如圖3.6所示。

                                 圖3.6

3.5.2顯示模塊的程序設(shè)計

光立方顯示器的顯示部分采用顯示機制是掃描的顯示方法，因為采用的是掃描機制，所以選擇單片機的數(shù)據(jù)從由低位到高位依次從數(shù)據(jù)輸入端口輸入，接著從鎖存器輸出端口輸出數(shù)據(jù)與鎖存器數(shù)據(jù)控制端口控制輸出顯示。光立方顯示程序流程圖如圖3.5.1所示。首先單片機把想顯示的圖案轉(zhuǎn)換為在相應(yīng)在光立方上顯示的點的數(shù)據(jù)，在把顯示圖案的數(shù)據(jù)從單片機P0口輸出到相應(yīng)的鎖存器，鎖存器接收這些數(shù)據(jù)，并通過控制端口，選擇輸出數(shù)據(jù)還是鎖存數(shù)據(jù)，接著又把下一組的數(shù)據(jù)依次送到片選的鎖存器進行輸出顯示，當(dāng)所以的數(shù)據(jù)被正常輸出并顯示后，顯示程序退出，等待下一次的顯示數(shù)據(jù)到來。因為有8個鎖存器，有64引腳控制列的數(shù)據(jù)顯示，通過對應(yīng)的控制端口的控制片選，由一個ULN2803控制每一層的數(shù)據(jù)顯示，形成了各種各樣的顯示效果。顯示模塊的程序設(shè)計如圖3.7所示。

         

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圖3.7

第四章 實物制作

4.1 前期準備

提前了解8x8x8光立方的相關(guān)資料并學(xué)習(xí)和掌握相關(guān)的知識，掌握相關(guān)知識后對8x8x8光立方進行仿真，如果仿真不成功就找出問題并解決，如果仿真成功就進行下一步，仿真成功后把所需的元器件清單列出來并購買回來。

4.2電路板的制作

在前期工作都完成后，就進行電路板的制作。我這里用的是Altium Dsigner6.9軟件進行電路板的前期制作，在Altium Dsigner6.9把所有元器件都列出來，按照仿真成功的電路圖進行繪制，繪制成功后轉(zhuǎn)到pcb中進行排版，因為電路圖有點難度需要跳線。最終的pcb電路圖如圖4.2所示。

圖4.1

Pcb圖完成后就進行腐板，腐好的電路板如圖4.2所示。

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第五章 測試結(jié)果分析與設(shè)計體會

5.1系統(tǒng)調(diào)試與誤差分析

5.1.1系統(tǒng)調(diào)試

   電路測試：對焊接的每一個發(fā)光二極管進行必要的檢測，一個發(fā)光二極管的顯示故障導(dǎo)致的問題可能是程序或者是硬件，所以一開始就需要進行必要的發(fā)光二極管的檢測。方法：使用數(shù)字式萬用電表的紅表筆接二極管的正極，黑表筆姐二極管的負極，觀察二極管的發(fā)光情況。接下來對照電路圖與實際的電路板上的線路連線正常情況。比如說，各個點的焊接情況，線路的連通情況，電容的正負極，電源的供電極性等，在所有檢查完畢后在進行下一步通電檢測。通電檢測電路，通電后，把數(shù)字式萬用電表調(diào)到電壓檔，測量接入電源的電壓是否正常，如果不正常則立刻斷開電源，如果有元器件發(fā)燙等情況應(yīng)立刻斷開電源并檢測各個點，看哪里出現(xiàn)短路情況，排除各種故障。

5.1.2測試結(jié)果與分析

模式一：

模式二：

模式三：

模式四：

模式五：

經(jīng)調(diào)試可見在調(diào)試過程中發(fā)光二極管亮度有問題，3D顯示效果不是很明顯，后來經(jīng)過觀察發(fā)現(xiàn)LED亮度有問題可能是限流電阻用的過大了，也可能是購買這種LED不適合在白天顯示。3D效果不明顯不原因可能是發(fā)光二極管在焊接過程中是焊得不是很好，出現(xiàn)了個別松動現(xiàn)象，不亮等元器件本身已經(jīng)損壞問題，導(dǎo)致后面測試時顯示的畫面不是很立體。還有一問題就是在制板過程中由于沒有考慮周全導(dǎo)致在后期階段的操作出現(xiàn)了困難。

5.2 總結(jié)及心得

通過了這次的設(shè)計與制作，鞏固了自己對所學(xué)的知識和理論，對計算機應(yīng)用系統(tǒng)有了大概的了解，并且掌握了基本的單片機軟件和硬件的開發(fā)方法，能夠提升對實際的單片機軟件和硬件開發(fā)的能力。同時，加強了我對實際遇到問題的分析能力和解決能力。系統(tǒng)的性能指標(biāo)和運行的穩(wěn)定性更是我關(guān)注的重點，以系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確性為主的原則，采用了各種的優(yōu)化方法，基本完成了設(shè)計規(guī)定的指標(biāo)和要求，而且對于某些指標(biāo)進行了功能擴展與優(yōu)化。在制作課程設(shè)計過程中還要非常感謝我身邊的同學(xué)，有了他們的幫助我才得以這么順利的完成了我的設(shè)計，同時我也從他們的幫我的過程中學(xué)到了很多知識。

參考文獻

1.主要程序