基于STC5A60S2的光立方設(shè)計

1、i福建信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）論文題目：基于 STC5A60S2STC5A60S2 的光立方設(shè)計系別：電子工程系_專業(yè)：通信技術(shù)_班級：通信 13121312學(xué) 號：學(xué)生姓名：_指導(dǎo)教師：_1基于 STC12C5A60S2 勺光立方設(shè)計【摘要】本次設(shè)計使用 512 個 LED 燈制作 8*8*8 的 LED 立方體，命名為光立方。采用STC12C5A60S2 芯片作為主控，8 個 74HC573 鎖存器和一個 ULN2803 芯片擴展 I/O 口，作為 外圍控制。通過編程控制 I/O 口，點亮指定的 LED 燈，使得顯示不同的畫面。8*8*8 光立 方因點亮 LED 燈將會形成各種圖形

2、，如愛心、數(shù)字、雨滴、正方體等十幾種畫面。整個立體呈現(xiàn)不同的造型和圖案，動畫銜接完美，使其變得美輪美奐、絢麗多彩，立體感十足。此外，我們還可以外接音頻輸入，通過AD 采樣，快速傅里葉變換 FFT,可以讓光立方顯示音頻頻譜。經(jīng)過系統(tǒng)測試，最終達到設(shè)計要求。【關(guān)鍵詞】 光立方 STC12C5A60S2 74HC573 ULN28031目錄第一章緒論 . 41.1 光立方的研究意義 . 41.2 發(fā)展歷程和現(xiàn)狀 . 41.3 光立方的功能和特點 . 51.4 光立體的優(yōu)越性以及主要應(yīng)用 . 5第二章硬件設(shè)計 . 62.1 最小系統(tǒng) . 62.2 豎排控制電路 . 62.3 光立方層控制電路 . 72

3、.4 光立方的制作 . 72.4.1 光立方的原理 . 72.4.2 LED 燈的選用 . 82.4.3 LED 燈的焊接 . 92.4.4 硬件電路焊接 . 112.5 元件清單 . 122.6 顯示部分檢測 . 12第三章軟件設(shè)計 . 133.1 軟件設(shè)計總體思路 . 133.2 軟件調(diào)試 . 13第四章系統(tǒng)調(diào)試與測試結(jié)果 . 144.1 光立方初步調(diào)試 . 144.1.1 檢查電源 . 144.3 光立方最終調(diào)試 . 144.4 光立方測試遇到的問題 . 14結(jié)論致謝語參考文獻附錄附錄 1：實物圖附錄 2：系統(tǒng)總原理圖附錄 3：光立方主程序1第一章緒論本章簡要介紹了光立方的研究意義、發(fā)展

4、和現(xiàn)狀，以及所設(shè)計光立方的功能特點， 光 立方的優(yōu)越性，并依此提出了本論文研究的主要內(nèi)容。1.1 光立方的研究意義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電影給人帶來了震撼的視覺體驗，于是想設(shè)計出一種3D 顯示屏。LED 有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示，以及兩種顯示的控制方法。 LED 點陣顯示屏的特點有比數(shù)碼管實用、便宜、亮度高等優(yōu) 點，而且做出來的 LED 顯示很耐用。 具有亮度高、 工作電壓低、 功耗低、小型化、 壽命長、耐沖擊和性能穩(wěn)定等優(yōu)點。LED 顯示屏發(fā)展前景極為廣闊，顯示 不僅可以像 LED 點陣一樣顯示平面動態(tài)或靜態(tài)圖案， 同時還可以立體顯示

5、動態(tài)或靜態(tài) 圖案，打破了傳統(tǒng)平面顯示的方式。更是給人不同視覺盛宴。1.2 發(fā)展歷程和現(xiàn)狀二十一世紀將是平板顯示的時代，基礎(chǔ)材料產(chǎn)業(yè)化，使 LED 燈生產(chǎn)工藝更加完善， 成 本更低，應(yīng)用加快發(fā)展。 LED 產(chǎn)品性能的提高，使全彩顯示屏的亮度、色彩、白平衡均達到了比較理想的效果，完全可以滿足各種相對復(fù)雜的壞境條件要求。同時，由于全彩色顯示屏價格性能比的優(yōu)勢，預(yù)計在未來幾年中的發(fā)展中，全彩LED 3D 顯示屏在戶 外廣告媒體中越來越多的代替?zhèn)鹘y(tǒng)的磁翻板、燈箱、霓虹燈等產(chǎn)品，體育場館、舞臺的顯示方面全彩 LED 3D 顯示屏更會成為主流產(chǎn)品。全彩色LED 3D 顯示屏的廣泛應(yīng)用會 是 LED 3D 顯

6、示產(chǎn)業(yè)如發(fā)展的一個新的增長點。未來 LED 3D 顯示屏?xí)蛑?guī)范化、標(biāo) 準(zhǔn)化、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)多 樣化等方向發(fā)展。目前， 我國主要的 LED 廣告大屏幕制造廠商主要集中在華北、 華東、華南區(qū)域， 大型 制造商的市場范圍幾乎覆蓋了整個中國市場。 國產(chǎn) LED 大屏幕性價比比較高， 以 其獨有的 優(yōu)勢占據(jù)了很大一部分市場份額。 我國 LED 顯示屏產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展， 逐步形 成了一批具有 一定規(guī)模的骨干企業(yè)，而且產(chǎn)品不斷推陳出新， 使 LED 顯示屏產(chǎn)業(yè)成為 我國電子信息產(chǎn)業(yè) 的重要組成部分，也是平板顯示領(lǐng)域唯一立足國內(nèi)形成的民族高科技產(chǎn)業(yè)。利用 LED 做成 3D 顯示屏， 3DLED11.3 光立方的

7、功能和特點1、8*8*8 的 LED 陣列立體顯示器。2、連貫圖形顯示效果，渾然一體，一氣呵成， 能給觀賞者帶來立體的可視的震撼 視覺 效果。3、超炫的立體動態(tài)顯示， 多種顯示樣式， 如面平移、 數(shù)字倒計時、 方框伸縮、 心 跳動、 雨滴等十多種動畫。4、具有音頻頻譜顯示模式，可隨音頻同步顯示，給觀賞者視覺和聽覺雙重體驗。5、全開放式用戶自定義操控，用戶可根據(jù)自己的喜好自行編寫對應(yīng)的程序。1.4 光立體的優(yōu)越性以及主要應(yīng)用1. 3D 以其亮度高，功耗低，視角大，壽命長，可視距離遠等優(yōu)點而具有極為廣闊 的 發(fā)展前景。隨著人們生活水平的提高， 3D LED 逐漸應(yīng)用于各行各業(yè)。人們對其的要求也越

8、來越高，已經(jīng)不再滿足于二維平面，進而轉(zhuǎn)向三維平面。3DLED 的出現(xiàn)是一個很好的契器。2. LED 光立體極具觀賞性，人們可以根據(jù)自己的要求，設(shè)計不同的圖案，展現(xiàn) 不同的立體效果。可以說它是變幻無窮的。因其極大地觀賞性，使人們在接受信息，數(shù)據(jù)的同時更加印象深刻，使信息的傳輸更有效率。3. 隨著 3D 技術(shù)的逐步發(fā)展， 3D LED 被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)實生活中，比如 LED 顯示 屏，LED 圖像， LED 立體攝影。這些技術(shù)在我們的生活中隨處可見，電影院，會議場合，舞臺設(shè)計，以及各種娛樂場所。31G&DOEvccDOQODIQID2Q2D3Q3D4Q4D5Q06Q6D7Q了GNDLEvcc20 T

9、 IFTs T7亙T?14TTnTTPLED15672.1 最小系統(tǒng)單片機最小系統(tǒng)如圖 2-1 所示，包括時鐘電路和復(fù)位電路。時鐘電路用于產(chǎn)生單片機工作時必須的控制信號，單片機內(nèi)部電路正是在時鐘信號的控制下，嚴格按照時鐘時序指令進行工作。復(fù)位電路是為了單片機初始化操作準(zhǔn)備的，同時也是為了程序在執(zhí)行過程中出現(xiàn)跑飛后快速重新啟動。第二章硬件設(shè)計I OuF戸】了舅I OKCl代乂rmTxTD I.1 2也&1 &門馬71 702卅3OpF1 92(7PI .7 RSTP3.0/RXO P3. I/TXT1P3.2/TNJTOP3.3/INT1P3.4/FO K3L5/T1 P3.5/WRP3./RO

10、 X2X ffi 3 INDSTC5 A6GS2-T1IP4OVCCPO.OPO. 1P0.2P0.3P0.4F0.5PO,7FEA ALEPSFN1P2,7P2.I&.P2.5P2.3P2.2 P2.1P2.Ovc?cn40223534 3XpoojpO 1p02j03J5O4j05p()63 pO727至2322TTp23p22p2 1p2O圖 2-1 最小系統(tǒng)2.2 豎排控制電路單片機 P0 口同時輸出控制8 個 74HC573 鎖存器輸入端，P2 口通過給 8 個 74HC573 鎖存器 11 腳 LE 高低電平控制是否將數(shù)據(jù)輸出，8 個 C0N8 分別代表 8 豎排 LED 燈。通過

11、編程控制 P0 和 P2，從而控制數(shù)據(jù)在某一時刻輸出到指定某一排或某幾排。原理圖如圖2-2所示。GND門】n Lrd I 2rd 3斗 4鄉(xiāng)門5 EIP I. & 7U2MC74HC573N12.3 光立方層控制電路前面介紹到利用 74HC573 來控制光立方的每排（即每一個豎面） ，但如何控制每一 豎 面的某一層就需要用到層控制芯片 ULN2803 了，P0 口輸出某層數(shù)據(jù)后，控制 ULN2803 芯片 選通該層，即可看到該層相應(yīng)的點的 LED 燈亮。因光立方層內(nèi)共陰，單片機輸出的電流信號特別小無法直接驅(qū)動大的負載，也就是不能同時驅(qū)動一層或多層 LED 燈。ULN2803 用來功率放大的驅(qū)動

12、芯片，所以可以用ULN2803 來實現(xiàn)單片機與負載的連接。單片機P3 口輸出數(shù)據(jù)到 ULN2803 輸入端，經(jīng)過功率放大后輸出控制 8 個 LED 層，這里 PLED 代表 LED8 個共陰層，如圖 2-3 所示。PLED-GXD圖 2-3 層控制電路2.4 光立方的制作 2.4.1 光立方的原理借鑒 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。點陣屏的顯 示便是光立方一層的顯示，只要通過程序再次控制 8 個層，便可以實現(xiàn)光立方的顯示，由于人眼的視覺暫留，使我們感覺到看到的東西是一起在亮的，這樣我們就可以看到一個完整圖像，這是本次設(shè)計的基本原理。 設(shè)計 3D 圖

13、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 個點圖 2-2 豎排控制電路U10卩卩10 Ipll 2pl2 3pH 4pl5 6pM7pl? XN1OUT1IN2OUT2IN3OUT3IN4OUT4IN5OUT5N6OUT6FN7OUT7N8OUT8GNDVCC15n1614HrrTo345678LLN2803Avcc1陣的開關(guān)。單片機 P0、P2、P3 實現(xiàn)控制 XYZ 空間立體控制來顯示特定圖案。2.4.2

14、LED 燈的選用市面上的小功率 LED 的封裝形狀各式各樣，為何唯獨只有方形的 LED 做出來才效果最好呢，首先光立方的整個外形就是方方正正的，用方形的燈，做出來效果更會顯得整齊劃一，霧面的發(fā)光也會使每一個面的觀看效果都一致。其次，方形的 LED 在制作矩陣的時候更容易搭建模具，只需要一塊洞洞板和若干2P 排針，按照規(guī)劃好的燈距，焊好排針，把LED 夾在上面就可以焊接了，完全不需要在木板上劃線打孔，輕輕松松就可以焊出整齊劃一的矩陣!因此使用 2*5*7 霧狀散光扁方形 磨砂 LED 燈，這種燈型容易看到光點，以獲得更好的視覺效果。額定電壓范圍 3.03.2v,額定電流 1518mA,管腳長度

15、27-29mm圖 2-4 LED 實物圖首先，要進行 LED 燈立體矩陣的搭建。LED 搭接過程還是比較困難的， 8*8*8=512LED， 分為 8層，每層 8 列，每列 8 個 LED 燈，列內(nèi)共陽，層內(nèi)共陰，如圖 2-5 所示。為使光立 方外形的美觀，每一片的 LED 陣列都要求排列整齊，互相看齊。2圖 2-5 光立方焊接示意圖第一步：水平折彎。 這個因為 LED 本身管腳上有個結(jié)，可以徒手完成。本次設(shè)計 是層內(nèi)共陰，同時為了視覺效果更好，本人將陰極管腳在水平方向折彎90,并使之與 LED 面第二步：垂直折彎?？衫眉庾煦Q將 LED 燈陽極管腳向外折一次再折回原來的方向，如圖 2-7 所

16、示。這個彎，一定不要太大，正好露出 LED 外圍 2mm 打彎合適，LED 的正極折 彎后留下的引腳長度必須大于 LED 的間距 25.4mm,以確保有足夠的重合位置以便 焊接。LED 燈上下之間焊接的時候就就會發(fā)現(xiàn)這一步是非常必要的。2.4.3 LED 燈的焊接為了方便焊接，自制簡易模具，模具孔位間隔要提前量好，保證在管腳搭接時不要太多或者不能焊接。然后按照單獨8 豎排分別焊接，每一排 8 列，如圖 2-8 和圖 2-9 所示。接著將折好的 LED 燈插入一列，其陰極管腳正好搭接在一起，完成焊接如圖2-10。值得注意垂直，如圖 2-6 所示。同樣的方法，將 512 個 LED 燈的陰極都水平

17、折彎。為了焊接的統(tǒng) 性，在折彎的時候盡量保持角度一致。圖 2-6 LED 水平折彎 圖 2-7LED 垂直折彎1的一點，因為 LED 比較脆弱，在焊接過程中很容易因為高溫而燒毀LED 燈，對于這一點，應(yīng)該盡量縮短電烙鐵接觸時間。同時為了確保每一個 LED 都沒有問題，在完成一層后都要 檢查是否可以點亮。圖 2-8 LED 布局示意圖 圖 2-9 實物布局圖12.4.4 硬件電路焊接本次硬件焊接直接使用萬用板手工完成。采用標(biāo)準(zhǔn)2.54mm 間距布滿焊盤，可根據(jù)電路結(jié)構(gòu)合理插裝元器件及連線的洞洞板。相比專業(yè)的 PCB 制板，萬用板具有以下優(yōu)勢： 價格低廉、使用方便，不想 PCB 出現(xiàn)電路問題時重新

18、制板，另外比較擴展靈活。在焊接洞洞板之前需要準(zhǔn)備足夠的細導(dǎo)線用于走線。本人將硬件部分焊接分上下兩層，上層分布 64 個 LED陣列插孔及 64 個限流電阻，下層安裝單片機、8 個 74HC573 1 個 ULN2803 以及按鍵。每一層分正反兩面，正面元器件，背面走線。在萬用板正面安裝元器件， 按照原理圖，合理擺放原件，同事將模塊電路部分放在一起，不要太過凌亂，如圖 2-12 所示。盡量使整體布局美觀，布線方便而且有利于在后期檢查。主控部分線路可以實現(xiàn)無交叉分布，所以直接用焊錫連接焊盤完成走線，如圖2-13 所示。圖 2-10 硬件上層布局（正面）圖 2-11 硬件上層布局（反面）圖 2-12

19、 硬件下層布局（正面）圖 2-13 硬件下層布局（反面）1型號數(shù) 量型號數(shù)量ULN28031665 輕觸開關(guān)4STC5A60S21103j 排阻174HC5738 130p 電容2圓孔單排座6410uf 電容312M 晶振1 :150R 電阻4d電源座1 110K 電阻38*8 自鎖開關(guān)118p 芯片座1USB 母 座1 :萬用板240p 芯片座1led 燈5302.6 顯示部分檢測對于焊接完成的檢測這一步非常重要，如果安裝完成后再更換 LED 燈使非常麻煩的事。分別焊接完 8 豎排 LED 燈后，將每一豎 LED 燈都進行檢查，確保每一個 LED 都可以點另外，還可以將一豎排同時點亮的方式進

20、行檢測，這樣做可能會出現(xiàn)某些 LED 燈因電流太小無法點亮出現(xiàn)誤判的情況。雖然逐個點亮這樣的檢測方式效率很慢，但可以有效避免上述誤判現(xiàn)象，防止后期發(fā)現(xiàn)給更換帶來更大的不便。在一定程度來說，這樣做也是在提高工作效率。2.5 元件清單亮。圖 2-14 檢測過程1第三章軟件設(shè)計3.1 軟件設(shè)計總體思路本次光立方設(shè)計中，要求通過軟件編程控制PO、P2 和 P3 口各個位高低實現(xiàn)對每一個LED燈的亮滅控制，在程序中運用 for 或 while 循環(huán)、 if 語句等方法，用最少的語句達到最佳 的顯示效果。為了能夠增強顯示效果吸引觀眾眼球， 可以選擇編寫多種顯示模式。 最簡單的 顯示是靜態(tài)模式。 與靜態(tài)模式相對應(yīng)的， 就有動態(tài)顯示模式， 它們所顯示的圖文都是能夠變 化的。 按照圖文運動的特點又可以分成為雨滴、旋轉(zhuǎn)、縮放等多種顯示模式，這就需要建立 各種動畫代碼數(shù)組。3.2 軟件調(diào)試首先本人編寫一段簡單程序， 要求實現(xiàn)點亮全部 LED 燈，只要 P0 口 8 位全部輸出高電平，P3 同樣輸出高電平（ULN2803 是電平轉(zhuǎn)換功能），也就是 PO=Oxff，P 仁 Oxff，就可以實現(xiàn)光 立方的全部點亮。3.2.1 顯示程序設(shè)計1第四章系統(tǒng)調(diào)試與測試結(jié)果4.1 光立方初步調(diào)試4.1.1 檢