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光立方

2.元器件明細(xì)表：

      

3.附圖：

1.整體電路圖：

2.PCB板圖：

3.作品照片：

  

第一章 引言

在當(dāng)今信息化社會(huì)的高速發(fā)展過(guò)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(fèi)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(jī)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(lái)的巨大需求讓LED大屏幕顯示技術(shù)成為眾人目光的焦點(diǎn)。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(dòng)態(tài)圖文顯示屏可與計(jì)算機(jī)同步顯示漢字、英文文本和圖形；視頻顯示屏采用微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，圖文、圖像并茂，以實(shí)時(shí)、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(dòng)畫、錄像、電視、VCD節(jié)目以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)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(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。而且顯示畫面色彩鮮艷，立體感強(qiáng)，靜如油畫，動(dòng)如電影，廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、車站、商場(chǎng)、醫(yī)院、賓館、證券市場(chǎng)、工業(yè)企業(yè)管理等公共場(chǎng)所。  隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷進(jìn)步，人們對(duì)LED顯示器的認(rèn)識(shí)不斷加深，其應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)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(jì)要求

本次設(shè)計(jì)制作一個(gè)8*8*8的三維的發(fā)光二極管立方顯示體，能夠通過(guò)編寫程序來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)每一個(gè)發(fā)光二級(jí)管的亮滅控制，從而可以顯示多種多樣的圖案。按照?qǐng)D文運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)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(guò)一定的算法從原來(lái)的顯示數(shù)據(jù)直接生成。這樣程序書寫就不會(huì)過(guò)于繁瑣和重復(fù)，而且對(duì)核心控制器的內(nèi)存空間要求不高。

借鑒單片機(jī)控制LED點(diǎn)陣顯示的原理，通過(guò)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(gè)模塊之間是怎樣連接，以及怎樣組合電路是最合理最簡(jiǎn)單的，即硬件方案設(shè)計(jì)。編寫硬件電路的相對(duì)應(yīng)軟件程序部分，利用仿真軟件對(duì)程序進(jìn)行測(cè)試修改。電路系統(tǒng)焊接完畢后，測(cè)試整個(gè)的系統(tǒng)模塊的功能，看各個(gè)功能是否能正常運(yùn)行，并依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果找出程序中的錯(cuò)誤，改正這些錯(cuò)誤至測(cè)試成功完成課程設(shè)計(jì)要求。

第二章 設(shè)計(jì)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(jì)是用STC125A60S2單片機(jī)做控制芯片的，由單片機(jī)上的P2口來(lái)控制8個(gè)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(diǎn)陣，用8個(gè)引腳來(lái)當(dāng)充當(dāng)各層8x8點(diǎn)陣的“開關(guān)”（每層共陰）。再將64個(gè)燈陽(yáng)極連到74hc573的輸出引腳上，每個(gè)74hc573控制8列LED。驅(qū)動(dòng)采用了74hc573暫存的方法，來(lái)分別把64個(gè)燈的亮滅信息存到上面，然后再一起輸出到燈上，74hc573的64個(gè)輸出引腳控制前面所述每一個(gè)面的64個(gè)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(gè)層燈。通過(guò)單片機(jī)主控芯片STC12C5A60S2來(lái)控制所有燈的亮滅，這樣512個(gè)LED每一個(gè)都有單獨(dú)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(hào)電池作為3D光立方顯示系統(tǒng)的電源。

優(yōu)點(diǎn)：移動(dòng)性強(qiáng)，方便隨時(shí)使用。

缺點(diǎn)：該系統(tǒng)耗電量較大，需要長(zhǎng)時(shí)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(wèn)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(diǎn)：選用LM7805穩(wěn)壓器在功率問(wèn)題上不僅滿足了系統(tǒng)需求，而且安全、方便和可靠。

缺點(diǎn)：電源體積大，移動(dòng)性不強(qiáng)。

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：?jiǎn)纹瑱C(jī)  。

優(yōu)點(diǎn)：?jiǎn)纹瑱C(jī)擁有很強(qiáng)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(jī)的特點(diǎn)，使得單片機(jī)的市場(chǎng)非常之大，教學(xué)上使用的單片機(jī)更是非常多，為了適應(yīng)各種應(yīng)用，各種各樣的單片機(jī)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(diǎn)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(chǎng)。

缺點(diǎn)：ROM內(nèi)存小，運(yùn)行慢。

方案三：DSP 芯片。

優(yōu)點(diǎn)： DSP 是數(shù)字信號(hào)處理器。它主要用于數(shù)字信號(hào)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(huì)被無(wú)窮顯現(xiàn)出來(lái)，當(dāng)遇見高密度，運(yùn)算量非常之大等情況下，DSP非常好處理。相對(duì)于一般的單片機(jī)，DSP的處理速度會(huì)快上2倍以上，在信號(hào)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(qiáng)大的功能。

缺點(diǎn)：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(wú)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(jī)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(jī)，單片機(jī)型號(hào)為STC12C5A60S2。

2.2.3列驅(qū)動(dòng)電路的選擇

方案一：選取串口輸入并口輸出芯片74HC595，

優(yōu)點(diǎn)：74HC595中擁有8位移位寄存器和一個(gè)存儲(chǔ)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(diǎn)。

缺點(diǎn)：但是在3D光立方顯示器，它依舊有不少的延遲時(shí)間。

方案二：采用鎖存器74HC573，

優(yōu)點(diǎn)：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(guò)控制使能端口，來(lái)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(shí)間；當(dāng)時(shí)鐘處于上升沿狀態(tài)下，8個(gè)74HC573同時(shí)正常工作，并且通過(guò)16個(gè)I/O口并行輸入數(shù)據(jù)到芯片里，并行傳輸數(shù)據(jù)時(shí)間比串行傳輸數(shù)據(jù)的延遲時(shí)間更加少，滿足設(shè)計(jì)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(dòng)芯片。

2.2.4層驅(qū)動(dòng)電路選擇

光立方顯示器擁有512個(gè)LED，當(dāng)它們有同時(shí)工作時(shí)，層面積聚電流隨之增大，所以需要把電流放大，提高驅(qū)動(dòng)能力，驅(qū)動(dòng)整個(gè)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(wèn)題，會(huì)導(dǎo)致顯示信息出錯(cuò)等問(wèn)題。整個(gè)層面驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)在整個(gè)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(lái)進(jìn)行控制。

優(yōu)點(diǎn)：可以使用5V繼電器來(lái)充當(dāng)開關(guān)實(shí)現(xiàn)控制，

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

方案二：采用達(dá)林頓管ULN2803作為層面驅(qū)動(dòng)電路芯片。

優(yōu)點(diǎn)： ULN2803的驅(qū)動(dòng)電流可以達(dá)到500mA，能夠驅(qū)動(dòng)層面的LED正常工作。測(cè)試結(jié)果穩(wěn)定可靠，可以滿足設(shè)計(jì)要求。

基于以上分析，決定選取ULN2803達(dá)林頓管作為層面電路控制器。

第三章 單元電路設(shè)計(jì)

3.1單片機(jī)電路設(shè)計(jì)

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

圖3.1

3.2時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)

STC12C5A60S2單片機(jī)芯片的內(nèi)部時(shí)鐘提供時(shí)鐘頻率方式是因內(nèi)部設(shè)有一個(gè)振蕩器，這個(gè)振蕩器是由反向放大器構(gòu)成的，而這個(gè)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(gè)30pF電容值的電容連接，它們可以起到頻率微側(cè)的作用。時(shí)鐘電路如（圖3.2）所示。

圖3.2

3.3復(fù)位電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)最小系統(tǒng)的復(fù)位電路也是必不可少的，當(dāng)STC12C5A60S2單片機(jī)在 正常運(yùn)行時(shí)，需要復(fù)位，也就是重新開始運(yùn)行程序時(shí)，使單片機(jī)從初始狀態(tài)下重新工作，這個(gè)時(shí)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(jī)從初始值開始運(yùn)行程序需要復(fù)位電路，當(dāng)程序運(yùn)行錯(cuò)誤，或者進(jìn)入死循環(huán)，這個(gè)時(shí)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(gè)時(shí)候STC12C5A60S2單片機(jī)就會(huì)從死循環(huán)跳出從程序初始值開始運(yùn)行程序，上電復(fù)位與手動(dòng)按鍵控制電平復(fù)位方式是最為常用的單片機(jī)復(fù)位方式，而這個(gè)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(dòng)電路設(shè)計(jì)

3.4.1層驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

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

                  圖3.4

3.4.2列驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

74HC573是一個(gè)八進(jìn)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(shí)，Q 輸出。當(dāng)鎖存使能端LE為高電平時(shí)，這些器件的鎖存對(duì)于數(shù)據(jù)是同步輸出。當(dāng)鎖存使能變低時(shí)，符合建立時(shí)間和保持時(shí)間的數(shù)據(jù)會(huì)被鎖存。將隨數(shù)據(jù)（D）輸入而變。當(dāng)使能為低時(shí)，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(shí)。當(dāng)輸入的數(shù)據(jù)消失時(shí)，在芯片的輸出端，數(shù)據(jù)仍然保持。列驅(qū)動(dòng)電路圖如圖3.5所示。

                                   圖3.5

3.5 軟件設(shè)計(jì)

3.5.1主程序設(shè)計(jì)

光立方顯示器的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)是通過(guò)模塊化的設(shè)計(jì)思路來(lái)進(jìn)行程序的設(shè)計(jì)與開發(fā)的，整個(gè)程序設(shè)計(jì)采用的是C語(yǔ)言編程的方法。第一先進(jìn)行顯示系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)功能的分析考慮，整個(gè)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能是能夠進(jìn)行靜態(tài)顯示、動(dòng)態(tài)顯示、模式轉(zhuǎn)換和上位機(jī)控制。通過(guò)按鍵控制程序，可以選擇不同的模式來(lái)進(jìn)行顯示。通過(guò)打開上位機(jī)串口，能夠?qū)崿F(xiàn)PC機(jī)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(jì)

光立方顯示器的顯示部分采用顯示機(jī)制是掃描的顯示方法，因?yàn)椴捎玫氖菕呙铏C(jī)制，所以選擇單片機(jī)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(jī)把想顯示的圖案轉(zhuǎn)換為在相應(yīng)在光立方上顯示的點(diǎn)的數(shù)據(jù)，在把顯示圖案的數(shù)據(jù)從單片機(jī)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(guò)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(jìn)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(lái)。因?yàn)橛?個(gè)鎖存器，有64引腳控制列的數(shù)據(jù)顯示，通過(guò)對(duì)應(yīng)的控制端口的控制片選，由一個(gè)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(jì)如圖3.7所示。

圖3.7

第四章 實(shí)物制作

4.1 前期準(zhǔn)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(shí)，掌握相關(guān)知識(shí)后對(duì)8x8x8光立方進(jìn)行仿真，如果仿真不成功就找出問(wèn)題并解決，如果仿真成功就進(jìn)行下一步，仿真成功后把所需的元器件清單列出來(lái)并購(gòu)買回來(lái)。

4.2電路板的制作

在前期工作都完成后，就進(jìn)行電路板的制作。我這里用的是Altium Dsigner6.9軟件進(jìn)行電路板的前期制作，在Altium Dsigner6.9把所有元器件都列出來(lái)，按照仿真成功的電路圖進(jìn)行繪制，繪制成功后轉(zhuǎn)到pcb中進(jìn)行排版，因?yàn)殡娐穲D有點(diǎn)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(jìn)行腐板，腐好的電路板如圖4.2所示。

第五章 測(cè)試結(jié)果分析與設(shè)計(jì)體會(huì)

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(cè)試：對(duì)焊接的每一個(gè)發(fā)光二極管進(jìn)行必要的檢測(cè)，一個(gè)發(fā)光二極管的顯示故障導(dǎo)致的問(wèn)題可能是程序或者是硬件，所以一開始就需要進(jìn)行必要的發(fā)光二極管的檢測(cè)。方法：使用數(shù)字式萬(wàn)用電表的紅表筆接二極管的正極，黑表筆姐二極管的負(fù)極，觀察二極管的發(fā)光情況。接下來(lái)對(duì)照電路圖與實(shí)際的電路板上的線路連線正常情況。比如說(shuō)，各個(gè)點(diǎn)的焊接情況，線路的連通情況，電容的正負(fù)極，電源的供電極性等，在所有檢查完畢后在進(jìn)行下一步通電檢測(cè)。通電檢測(cè)電路，通電后，把數(shù)字式萬(wàn)用電表調(diào)到電壓檔，測(cè)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(cè)各個(gè)點(diǎn)，看哪里出現(xiàn)短路情況，排除各種故障。

5.1.2測(cè)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(guò)程中發(fā)光二極管亮度有問(wèn)題，3D顯示效果不是很明顯，后來(lái)經(jīng)過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)LED亮度有問(wèn)題可能是限流電阻用的過(guò)大了，也可能是購(gòu)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(guò)程中是焊得不是很好，出現(xiàn)了個(gè)別松動(dòng)現(xiàn)象，不亮等元器件本身已經(jīng)損壞問(wèn)題，導(dǎo)致后面測(cè)試時(shí)顯示的畫面不是很立體。還有一問(wèn)題就是在制板過(guò)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(guò)了這次的設(shè)計(jì)與制作，鞏固了自己對(duì)所學(xué)的知識(shí)和理論，對(duì)計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)有了大概的了解，并且掌握了基本的單片機(jī)軟件和硬件的開發(fā)方法，能夠提升對(duì)實(shí)際的單片機(jī)軟件和硬件開發(fā)的能力。同時(shí)，加強(qiáng)了我對(duì)實(shí)際遇到問(wèn)題的分析能力和解決能力。系統(tǒng)的性能指標(biāo)和運(yùn)行的穩(wěn)定性更是我關(guān)注的重點(diǎn)，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(jì)規(guī)定的指標(biāo)和要求，而且對(duì)于某些指標(biāo)進(jìn)行了功能擴(kuò)展與優(yōu)化。在制作課程設(shè)計(jì)過(guò)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(jì)，同時(shí)我也從他們的幫我的過(guò)程中學(xué)到了很多知識(shí)。

參考文獻(xiàn)

1.主要程序