3D空间立体显示系统设计与实现

南 阳 理 工 学 院 本科生毕业设计（论文）学 院：电子与电气工程学院专 业：电气工程及其自动化学 生： 申 浩 指导教师： 曹 婷 完成日期 2014 年 5 月II南阳理工学院本科生毕业设计（论文）3D空间立体显示系统设计与实现Design and Implementation of the 3D Space Stereo Display System总 计： 32 页表 格： 1 个插 图 ： 24 幅南 阳 理 工 学 院 本 科 毕 业 设 计（论文）3D空间立体显示系统设计与实现Design and Implementation of the 3D Space Stereo Display System学 院： 电子与电气工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 学 生 姓 名： 申 浩 学 号： 105090740053 指 导 教 师（职称）： 曹婷（讲师） 评 阅 教 师： 完 成 日 期： 南阳理工学院Nanyang Institute of Technology3D空间立体显示系统设计与实现3D空间立体显示系统设计与实现 电气工程及其自动化专业 申浩摘要 3D空间立体显示系统是一个长、宽、高由888个LED灯组成的真实3D立方体显示。LED具有“高光效、高显色性、高可靠和低成本”，其最大的特点，就是可以以此为平台更加高效经济的研究3D显示技术。本设计以单片机为控制核心，来实现各种显示效果。它除了可以显示平面上的效果还可以显示3D图形，展示不同的造型和图案,具有丰富的视觉效果。本系统主要完成了3D空间立体显示的原理、硬件电路设计、软件设计、系统测试与调试等内容，在此基础上，借助Altium Designer软件绘制原理图再做出相应的PCB电路板，完成系统调试，并针对具体问题做出相应分析，最终实现了3D图形显示，并进行了部分功能扩展。关键词 3D空间立体显示系统；单片机；印刷电路板；3D图形显示Design and Implementation of the 3D Space Stereo Display SystemElectrical Engineering and Automation Specialty SHEN HaoAbstract: 3D Space Stereo Display System, CUBE8, is a real 3D cube display, which is like an array composed by 888 LED lamp.LED has characteristics of thehigh light efficiency, high color, high reliability and low cost.What its greatest feature is that it can be more efficient and economical for research 3D display technology.This design based on micro-controller control as the core, to achieve a variety of display. It can be displayed in addition to the effect on the plane can also display 3D graphics, showing different shapes and patterns, with rich visual effects. The system completed the principle of 3D Space Stereo Display System, hardware design, software design, system testing and debugging, etc.on this basis, In this foundation, we can draw up the schematic diagram with Altium Designer software, then make the corresponding PCB electric circuit board, subsequently builds the material object, completes the system debugging, and aims at the concrete question to make the reasonable analysis, finally has realized the 3D graphical display, and carried out some function extensions. Key words: 3D space stereo display dystem; micro-controller; printed circuit board; 3D graphics 目 录1 引言11.1 课题研究背景及意义11.2 国内外研究现状和发展趋势11.3 论文组织结构安排11.3.1 主要设计内容21.3.2 论文结构22 系统总体设计22.1 3D空间立体显示控制原理22.2 系统设计方案22.3 主要元器件介绍32.4 系统模块设计72.4.1 单片机最小系统设计72.4.2 供电系统及电源接口模块设计72.4.3 USB转TTL模块设计82.4.4 层控制电路模块设计92.4.5 按键电路模块设计102.4.6 行列选择电路模块设计102.5 PCB设计123 系统硬件设计134 系统软件设计164.1 软件设计平台164.2 软件功能结构175 系统调试205.1 硬件调试205.2 软件调215.3 系统测试结果与分析215.3.1 测试结果分析215.3.2 效果展示21结束语24参考文献25附录26致谢323D空间立体显示系统设计与实现1 引言1.1 课题研究背景及意义所谓“3D空间立体显示系统”：就是在平面LED基础上发展起来的新的显示技术，通过复杂的程序控制，在三维空间能够显示具有立体感的图形、动画等。3D空间立体显示系统是由LED灯组成，由于发光二级管质量比较稳定，使用寿命长，不用频繁地去更换，能减少成本，更节能。在网上可以看到用各种色彩的LED制作出来的各种热卖的光体形状，包括长方体、立方体、不则形状等，形状和色彩多样，很漂亮。本次采用LED灯制作立方体，即3D空间立体显示系统。3D空间立体显示技术作为一种特殊的显示资源，已用于一些广告行业、家庭、娱乐厅、会议室、大型演唱会、城市地标广场等场所的布置和装饰，还可以用于更广泛方面，具有广阔的应用前景1。3D空间立体显示技术的研究极具创意和启发，而且可以低成本、高效益地研究未来的3D技术。1.2 国内外研究现状和发展趋势3D空间立体显示技术在北京奥运会以及上海无线电展世博会都有相关应用。其在2009年国庆联欢晚会上面世，由四千多棵光艺高科技“发光树”组成。它以精美璀璨、千变万化、动感流畅的表演,成为当晚天安门广场的视觉核心2。“3D空间立体显示系统”是由4028棵“发光树”组成的方形“地面视频”区域，可以根据爱国歌曲的不同内容，展示不同的造型和图案，吸引了众多人的眼球。2011年9月3日，在上海举办的中国无线电展上，3D空间立体显示系统被摆放在无线电杂志的展台上。同时“3D空间立体显示”手电筒也在在上海世博会主题馆、中国馆得到使用。目前在国内外，人们越来越注重于节能灯的使用，而LED灯已经在欧洲以及德国众多地方的照明行业首屈一指，因此在这个大的背景下使用LED灯作为研究，更是顺应潮流。此外，3D空间立体显示技术的研究还可应用于未来的3D手机、3D电视机等，其研究在未来很有市场3。1.3 论文组织结构安排本设计采用横向为8颗LED，纵向也为8颗，总共8层，组成8*8*8的LED立方体。硬件主要分为三个模块：控制模块、I/O扩展模块、驱动模块和显示模块等。主控芯片选用宏晶科技公司生产的增强型8052单片机STC12C5A60S2，扩展和驱动电路主要采用74HC573芯片，显示模块为8*8*8的光立方。采用延时控制的方式，单片机由Keil编写的控制程序控制LED的亮灭，使整个3D空间立体显示系统动态展现多种造型和图案，产生绚丽多彩的显示效果。1.3.1 主要设计内容本文主要介绍系统设计方案、控制模块设计、驱动模块设计、显示模块设计、电源模块设计以及系统调试等。1.3.2 论文结构第一章为引言部分，简要介绍了3D空间立体显示技术研究背景和意义、国内外的一些应用和现状以及主要内容的介绍等。第二章为总体设计部分，主要说明了总体设计思路、3D空间立体显示控制显示原理和系统的控制方案，主要元器件的介绍说明，各个模块的设计。第三章为硬件部分设计，包括单片机控制电路的设计、3D空间立体显示的模型设计等。第四章为软件设计，包括软件设计流程图，软件设计程序等。第五章为软硬件调试，包括后期软件调试，以及整体效果调试。2 系统总体设计2.1 3D空间立体显示控制原理3D空间立体显示系统其功能相当于三维显示器，只不过它是由LED灯组成的三维的立方体。3D空间立体显示系统显示的原理简单的说就是用单片机控制512个LED灯，在不同时刻点亮要显示图案位置所在的灯，利用人眼余辉效应，可以看到比较完整的显示图案或动画了4。其原理如下：3D空间立体显示系统从下到上共8层，每一层64个LED的负极接到一起，第一层64个正极单独引出，第二层的每个正极分别接到它对应第一层正极，第三层的正极接第二层的正极。就是竖着看是8个接到一个正极上。连在一起的是阴极，这样焊接起来。3D空间立体显示系统引出8 个层引出线加上64个正极引出线，共引出72根线，因此只需对这72根引出线控制即可5。单片机先送出8字节数据，即64位，再选择第一层，点亮或熄灭第一层的64个LED，然后再送出8字节数据，选择第二层，依次类推。到第8层后，再到第一层，接着循环。就是用单片机的定时中断扫描，只要控制这64个正极引出线使其能够自由变换，然后再通过控制每个层依次点亮即可，由于我们眼睛的视觉暂留，使我们感觉看到的东西是一起再亮的。这样我们就看到了一个完整的图案了。2.2 系统设计方案本设计采用层整体控制的思路，每层只引出一个引脚，那么，我们的电路设计的基本原理知道了。如何让一个引脚来当64个灯的“总开关”呢？只要将64个灯阳极或阴极连在一起，在连到这个引脚上即可。那么如何用16个引脚来控制这64个灯的另外64个引脚呢？此设计采用了74HC573暂存的方法，来分别把64个灯的亮灭信息存到这个上面，然后再一起输出到灯上，这样我们通过查询相应芯片的型号可以确定基本电路。 图1 系统结构图 如上图1所示，系统的整体结构图是以STC12C5A60S2单片机为核心，包括驱动模块、电源模块、接口模块、键盘模块以及显示模块。2.3 主要元器件介绍（1）STC12C5A60S2单片机STC12C5A60S2是宏晶科技推出的一款1T增强型51单片机，此芯片集成了各种高性能工业标准接口，并且与传统51在资源布局上有完全的兼容性，大部分传统51的程序可以直接移植过来使用，无需修改，与传统51不同的是，STC12C5A60S2时1T内核，速度是传统51单片机的12倍，速度快，性能稳定，是一款高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机。另外，它自带A/D转换功能，无需外设A/D转换模块，而且储存空间大6，可以存储足够多的图片显示程序。如下图2所示为STC12C5A60S2单片机的引脚定义图和封装图，各引脚功能不同，P0、P1、P2和P3口在常规状态下是双向I/O口，其余的并且有的引脚有双功能。这里只对第二功能说明。而P1和P3口都有第二功能，如下表1所示。表1 第二功能引脚号第二功能P1.0T2(定时/计数器2外部计数脉冲输入),时钟输出P1.1T2EX(定时/计数器2捕获/重装触发和方向控制)P1.5MOSI（在系统编程用）P1.6MISO（在系统编程用）P1.7SCK（在系统编程用）P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2INT0()外中断0P3.3INT1()外中断1P3.4T0(定时/计数器0)P3.5T1(定时/计数器1)P3.6WR（外部数据存储器写选通）P3.7RD（外部数据存储器读选通） 图2 STC12C5A60S2RD引脚图以及封装图 （2）74HC573锁存器 图3 74HC573引脚图 如图3所示为74HC573 锁存器的引脚分布图，可用于列控制。OE的专业术语为三态允许控制端（低电平有效），通常叫作输出使能端。1D8D 为数据输入端；1Q8Q为数据输出端；LE为锁存允许端，或叫锁存控制端。真值表用来表示数字电路或者数字芯片工作状态的直观特性7。如表2所示，真值表中字母的含义即H-高电平、L-低电平、X-任意电平、Z-高阻态。也就是既不是高电平也不是低电平，而它的电平状态由与它相连接的其他电气状态决定；Q0-上次的电平状态。由图4可看出，当OE为高电平时，无论LE与D端为何种电平状态，其输出都为高阻态。很明显，此时该芯片处于不可控制状态。而我们将74HC573接入电路是必须要控制它的，由此在设计电路时就必须将OE接低电平。当OE为低电平时，LE为H时，D与Q同时为H或L；而当LE为L时，无论D保持何种电平状态，Q都保持上一次的数据状态。也就是说，当LE为高电平时，Q端数据紧随D端数据而变化；当LE为低电平时Q端数据保持LE端变化为低电平之前Q端的数据状态。在开发板上，LE端与单片机的引脚相连，再将锁存器的输入端与单片机的的某组I/O口相连，便可通过控制锁存器的锁存端与锁存器的数据输入端的数据来改变锁存器的数据输出端的数据状态8。（3）ULN2803达林顿管ULN2803为八重达林顿晶体管阵列用于层控制,如图5所示引脚1，2，3，4，5，6，7，8为输入，对应的脚18，17，16，15，14，13，12，11为输出。10脚为8路输出的续流二极管公共端。输入电压 5V，TTL和5V的CMOS电路可直接驱动。输出500MA、50V9。因为输出是集电极开路，所以输出接负载，负载的另一端得接正电源。应用是9脚接地。当输入为0时，输出达林顿管截止，负载无电流。输入为高电平时，输出达林顿管饱和，负载就有电流流入输出口。10脚在驱动感性负载时用的，驱动感性负载时10脚接负载电源+10。 图5 ULN2803封装图和引脚图ULN2803是集成达林顿管IC，内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管，可用来驱动继电器。它是双列16脚封装,NPN晶体管矩阵,最大驱动电压为50V,电流为500mA,输入电压为5V,适用于TTL COMS,由达林顿管组成驱动电路。 ULN是集成达林顿管IC,内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管,它的输出端允许通过电流为200mA，饱和压降VCE 约1V左右，耐压约为36V。用户输出口的外接负载可根据以上参数估算。采用集电极开路输出，输出电流大，故可直接驱动继电器或固体继电器，也可直接驱动低压灯泡。通常单片机驱动ULN2803时，上拉2K的电阻较为合适，同时，COM引脚应该悬空或接电源。 图6 PL2303引脚图 图7 PL2303芯片封装图（4）PL2303PL2303是一种高度集成的RS232-USB接口转换器，该器件作为USB/RS232双向转换器，一方面从主机接收USB数据并将其转换为RS232信息流格式发送给外设；另一方面从RS232外设接收数据转换为USB数据格式传送回主机11。其各引脚的定义和封装图如上图6，图7所示。2.4 系统模块设计2.4.1 单片机最小系统设计考虑到单片机的最小系统节约成本和可以满足需要使用的功能，并且考虑到内存容量的问题，综合选用STC12C5A60S2单片机，其最小系统如图8所示。包括时钟电路、按键电平复位电路、串口下载电路、外围接口电路、喇叭及单片机外围器件。其中复位电路由一个10K电阻和10uF电容组成，极为经典。晶振采用12M，和两个22pF电容组成时钟电路。而喇叭则由一个PNP三极管驱动，电源为+5V电压。图8 单片机最小系统图2.4.2 供电系统及电源接口模块设计系统分为两种供电方式，一种即最小系统板供电，它给单片机单独供电，本系统采用LM7805和LM2940供电，这两款芯片纹波小，线性好，电流大，能保证单片机及器件稳定长时间工作，是理想的元器件。而外围器件供电主要是，提供达林顿管层选时以及74HC573位选时的供电等，而电源接口采用适配器供电，如下图9所示，输入输出端分别接一个100uF进行滤波，防止电路中电压突变，减小纹波，而分别接0.1uF电容则是为了消除尖峰脉冲，防止击穿芯片，给电路稳定性带来影响。两个芯片输出端分别有LED指示灯，可以随时查看是否正常工作，甚至还能从灯的亮度判断负载大小变化。图9 供电系统图2.4.3 USB转TTL模块设计 USB转TTL电平设计主要目的是通过PL2303芯片将USB数据转换为单片机可用的串口数据，以供下载程序时使用，本系统将USB下载电路单独分来，具体电路如图10所示，同时将引脚TXD和RXD单独引出，可以非常方便使用。另外，PL2303外围电阻电容均采用贴片封装，因为其性能好，稳定性强，误差比一般的电阻电容要小，精确度高，可以大大提高系统的稳定性。图10 USB转TTL电平电路2.4.4 层控制电路模块设计 本系统的层控制采用达林顿管ULN2803A来实现选择哪一层。这个电路设计较为简单，只要控制其中要显示的层引脚就能选通相应的层。本系统使用P3口来控制层选通，值得注意的是，P3口必须要有10K上拉电阻，电压为+5V,否则效果非常不好。另外，ULN2803A输出端要串联330欧姆电阻，防止电流过大烧毁LED，具体电路如图11所示。图11 层控制电路2.4.5 按键电路模块设计 设计按键电路主要目的是当3D空间立体显示系统显示动画时可以采用按键切换显示的动画，而也可以不用，直接显示全部动画，主要是看如何编写程序。按键电路如图12所示，通过LED灯的亮灭可以判断哪个按键被按下，效果非常明显，可以用来调试程序等。图12 按键电路2.4.6 行列选择电路模块设计系统采用8个74HC573实现行列的控制，如图13所示，采用了74HC573暂存的方法，来分别把64个灯的亮灭信息存到这个上面，然后再一起输出到灯上，这样通过查询相应芯片的型号可以确定基本电路。而本次设计是采用P0口为使能控制，选择哪一个74HC573通，而P2口送灯的亮灭信息到74HC573中锁存起来。本部分值得注意的是PCB板绘制时8个74HC573的布局以及布线方式，因为它们都是信号线，非常容易受到外部干扰，如强电磁场，信号折射等，所以在布线时要特别注意，不能使用自动布线，而要手动布线，要将干扰降低到最小。同时也可以采用一些方法来达到类似的效果，例如双面敷铜接地，增大接地面积，强弱电路分离，信号线远离高频信号源。 图13 行列选择电路系统总原理设计图如下图14所示，包括单片机最小系统、按键电路、USB下载电路、层控制电路、行列控制电路、供电电路以及外围接口电路等。 图14 系统总体原理图2.5 PCB设计 在画PCB电路板时，要兼顾到布局要求，布局原则，布局顺序，以及一些常用的布局方法等。（1）元器件布局要求：保证电路功能和性能指标；满足工艺性、检测、维修等方面的要求；元器件排列整齐、疏密得当，兼顾美观性。 （2）元器件布局原则：排列方位尽可能与原理图一致，布线方向最好与电路图走线方向一致；PCB四周留有5-10mm空隙不布器件；布局的元器件应有利于发热元器件散热；高频时，要考虑元器件之间的分布参数，一般电路应尽可能使元器件平行排列；高、低压之间要隔离，隔离距离与承受的耐压有关。对于单面PCB，每个元器件引脚独占用一个焊盘，且元器件不可上下交叉，相邻两元器件之间要保持一定间距，不得过小或碰接。 （3）元器件布局顺序：先放置占用面积较大的元器件；先集成后分立；先主后次，多块集成电路时先放置主电路。 （4）常用元器件的布局方法：可调元件应放在印制板上便于调节的地方；质量超过15g的元器件应当用支架，大功率器件最好装在整机的机箱底板上，热敏元件应远离发热元件；对于管状元器件一般采用平放，对于集成电路要确定定位槽放置的方位是否正确。系统的PCB图是按照原理图，然后再合理的布局设计出PCB图，这个系统元器件不是很多，因此采用双层的设计，元器件合理分布在顶层和底层板面上。然后布线，布线的时候要遵循一些原则，如印制线的走向要尽可能取直，以短为佳，不要绕远；印制线的弯折要走线平滑自然，连接处用圆角，避免用直角；双面板上的印制线，两面的导线应避免相互平行；作为电路输人与输出用的印制导线应尽量避免相互平行，且在这些导线之间最好加接地线；印制线作地线尽可能多地保留铜箔作公共地线，且布置在PCB的边缘。大面积铜箔使用时最好镂空成栅格，有利于排除铜箔与基板间粘合剂受热产生的挥发性气体；导线宽度超过3mm时中间留槽，以利于焊接。此外还要考虑元器件合理排列问题等。综合考虑本次设计如下图15所示。经过系统软硬件调试证明，系统硬件电路稳定，PCB元器件布局合理，整体来看比较整洁好看，同时能有效降低元件间的相互干扰。另外，本板是双层板，采用大面积敷铜接地，极大地提高了抗干扰能力。丝印层标记清晰，能清楚地看到“南阳理工学院”的校徽。总的来说，该PCB设计合理，能完全满足本系统的设计需求，稳定性很强。 图15 PCB图3 系统硬件设计3D空间立体显示系统制作过程：v 弯折LED灯本次3D空间立体显示系统采用高亮蓝色灯，制作步骤如下所示： （1）水平折弯LED灯（如图16所示）：基本徒手可以完成，为了焊接的整齐性，要保证角度的统一。 （2）垂直折弯：可借助尖嘴钳，目的是让阴极摆出发光体一部，使其可以与其上下的LED进行搭接。 图16 LED弯折图v 制作底层支架为了在骨架焊接时稳固一点，所以首先制作底板支撑光架，底板采用泡沫板，首先自己画一个8*8的直径为5mm的圆的布局图，圆用黑色实心表示，打印出来并平贴在泡沫板上面，然后把黑色圆实心挖去，剩下的图以备用（如图17所示）。图17 泡沫板v 搭建光立方体搭建LED骨架是按照先一排，再一层都焊接好，最后到体。但是在每一层焊好后，要对LED灯测试，因为焊接的时候，烙铁温度高容易损坏LED灯。并且层与层之间的连接也要测试灯的好坏。到最后全部测试一次。最终焊接的图如图18所示： 图18 3D空间立体显示系统骨架图v 搭建控制底板控制底板的原理图是在Altium Designer软件上完成的，经过导入完成PCB的绘制，本板采用双面板设计，两面覆铜，布局合理，抗干扰性强，整体稳定性高，性能良好，需完成元器件的焊接工作。具体控制底板如图19所示：图19 3D空间立体显示系统控制底板图v 整体实物图最终完成制作的实物图如下图20所示，左侧为系统LED骨架，右侧为控制板。图20 完整实物图4 系统软件设计4.1 软件设计平台Keil是德国Keil公司（现已并入ARM 公司）开发的微控制器软件开发平台，是目前ARM内核单片机开发的主流工具。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些功能组合在一起。uVision当前最高版本是uVision4,它的界面和常用的微软VC+的界面相似，界面友好，易学易用，在调试程序，软件仿真方面也有很强大的功能。图21 Keil MDK开发环境uVision4 IDE是一款集编辑，编译和项目管理于一身的基于窗口的软件开发环境。uVision4集成了C语言编译器，宏编译，链接/定位，以及HEX文件产生器。如图21所示，是它的一个典型的调试窗口，它主要包括以下几个窗口：l 工程区：用于访问文件组和文件，调试是可以查看CPU寄存器。l 输出窗口：显示编译结果，以便快速查找错误的地方，同时还是调试命令输入输出窗口，也可以用于显示查找结果。l 内存窗口：显示指定地址内村里的内容。查看和调用l 堆栈窗口：用于查看和修改变量的值，并且现实当前函数调用。l 代码窗口：用于查看和编辑源文件。l 外设对话框：检查微控制的片上外设的状态。l 使用Keil来开发嵌入式软件，开发周期和其他的平台软件开发周期是差不多的，大致有以下几个步骤：l 创建一个工程，选择一块目标芯片，并且做一些必要的工程配置。l 编写C或者汇编源文件。l 编译应用程序。l 修改源程序中的错误。l 联机调试。4.2 软件功能结构软件设计包括按键程序、主程序和显示程序三大部分，软件功能结构框图如图22所示。主程序通过调用按键查询程序来判断待显示的图案及花样，主程序则调用相对应的显示程序送到控制端口。 图22 软件功能结构框图系统采用C语言编写，按照模块化的设计思路设计程序。首先分析程序所要实现的功能，程序要实现可静态显示、动态显示和三维立体显示。通过按键控制程序选择不同的显示程序进行显示。主程序的工作流程如图23所示。程序开始时首先要对单片机进行初始化设置，其中初始化设置的内容包括：中断优先级的设定，中断初始化，定时器初始化，各I/O口功能的设定等。把各子程序写为一个可单独执行的完整子程序段，各子程序编译无错误后再下载到单片机进行仿真验证，这两项都通过后再将所有的程序整合到一起，形成一个完整的程序再进行编译和仿真验证。 图23 主程序流程图3D空间立体显示系统的程序显示的内容除了常规的挨个点亮、层点亮、全点亮等，还移植了多个flash显示动画，效果动感绚烂，很有节奏感。主要功能函数分析（1）初始化函数分析：对单片机定时器设置。因此，程序可以在固定的时间更新使用的中断函数。void sinter() IE=0x82; /中断允许控制寄存器 /1000 0010 /| |_ET0定时器中允许 /|_EA开所有中断 TCON=0x01;/定时器与外部中断控制寄存器 /0000 0001 / |_外部中断IT0为0下降沿触发 /定时器计数器的控制寄存器 TH0=0xc0; /定时器计数器0高字节 /1100 0000 TL0=0; /定时器计数器0低字节 TR0=1; /启动T0计数,默认方式0工作 （2）主函数函数分析：在主函数中直接调用动画显示函数。/*主函数*/void main() P3 =0x00; /第一层:每一层的阳极连在一起P2=0x00;P0=0x00; delay1ms(1000);delay1ms(1000);P0=0xff; /初始化，选通所有，写0，关二极管！ P2=0x00;once(); /挨个点亮rank();/挨行点亮layer();/挨行点亮sinter(); /系统初始化while(1) clear(0); /数组display清零if(K1=0) flash_1();/动画的效果是：显示阿拉伯数字 clear(0); if(K2=0) flash_2(); /动画的效果是往返。 flash_3(); /动画的效果是_从左到右，一次一竖层一竖层点亮。 flash_4(); /楼梯状点亮_行；然后，进行移动。 flash_5(); /金字塔型点亮_竖层；然后，来回缩放进行移动。 clear(0);if(K3=0) flash_6(); /首先，层让外围转一圈，然后天上下雨。if(K4=0) flash_7(); /四面八方绕光立方，然后成三棱柱型旋转。if(K5=0) flash_10(); / 八个角落的四方体，进行旋转起来的动画效果！! clear (0); if(K6=0)flash_11(); /显示单层的红旗飘飘上下跌宕，然后是2行的漫无边际游荡，最后是繁星闪烁！ 5 系统调试控制电路板的安装与调试在整个系统制作中占有重要位置，它是把理论付诸实践的过程，也是把纸面电路设计转变为实际产品的必经阶段。系统调试可以分为硬件调试和软件调试。5.1 硬件调试硬件调试即当搭建好电路板之后，要对整个电路测试，试验和测试常用的仪器有：万用表、稳压电源、示波器、逻辑分析仪等。（1）调试前不加电源的检查对照电路图和实际线路检查连线是否正确，包括错接、少接、多接等；用万用表电阻档检查焊接和接插是否良好；元器件引脚之间有无短路；连接处有无接触不良；二极管、三极管、集成电路的电源正负极和电解电容的极性是否正确；电源供电包括极性、信号源连线是否正确。若电路经过上述检查，确认无误后，可转入静态检测与测试。（2） 静态检测与测试断开输入信号，把经过准确测量的电源接入电路，用万用表电压档检测电源电压，观察有无异常现象，如冒烟、异常气体、手摸元器件发烫、电源短路等。若发现异常情况，立即切断电源，排除故障；若无异常情况，分别测量各关键点直流电压，如静态工作点、数字电路输入端和输出端的高、低电平值及逻辑关系等是否在正常工作状态下，如不符，则调整电路元器件参数、更换元器件等，使电路最终工作在适合的状态。（3） 动态检测和测试动态测试是在静态测试的基础上进行的，测试的方法是在电路的输入端加上所需的信号源，并循着信号的方向逐级检测各有关点的波形、参数和性能指标是否满足设计要求，如有必要对电路参数作进一步调整。若发现问题，要设法找出原因，排除故障后，继续检测电路至没有错误。 5.2 软件调试本设计程序较为复杂，所以在编写程序和测试时出现了相对较多的问题，最后经过多次模块子程序的修改，一步一步的完成，最终解决了软件上出现的问题。如烧入程序后，LED显示屏显示闪动，而且亮度不均匀。对此首先要对测用的延时进行逐渐修改，就可以解决显示闪动问题。其次，由于本设计使用动态扫描的方式显示图形，动态扫描很快，人眼无法看出，但是在测试显示程序时，如果不在返回时屏蔽掉最后的附值，则会出现很亮或残影的现象，所以在显示的后面加了屏蔽灭灯指令。本次软件设计以keil Vision4软件为平台进行程序编译的，当程序编译完成后生成HEX文件，在使用STC-ISP工具下载到单片机中，然后就可以进行显示了。5.3 系统测试结果与分析5.3.1 测试结果分析（1）在测试中遇到发光二极管不亮、亮度不高时，首先使用测量仪器对电路进行测试，观察是否存在漏焊、虚焊或者元件损坏。（2）LED显示屏显示不正常，还有亮度不够，首先使用测量仪器对电路进行测试，观察电路是否存在短路现象，查看烧写的程序是否正确无误，对程序中易影响显示的部分进行认真检查和修改。5.3.2 效果展示下面是几种不同图案显示的效果，如图24所示。 图24 显示效果图经过多天的软硬件的设计和制作，已经完成了基本的构架，从效果上来看，显示结果还是比较满意的，可以看出硬件电路基本稳定，显示结果清晰无串扰，说明PCB布局合理，各器件间没有干扰，虽然效果不错，但是还需经一步的调试和分析才能使系统更加完善。结束语本设计一改传统的平面流水灯的风格，而是从平面向立体发展，通过更宽广的三维空间呈现出更加绚丽的效果，直接冲击着人们的审美视觉，不再停留在乏味的平面成像。设计并采用更加优越的STC12C5A60S2单片机，使系统具有更强大的功能和驱动能力。再者，从平面向立体这符合科技发展的要求，适应主流。3D空间立体显示系统主体部分由512个LED组成，在制作过程中锻炼了动手焊接能力，并以低成本，智能化产品对实现经济利益、商业价值的形成具有积极的推动作用。将512个LED从点到线，从线到面的搭建以及无数次的调试，最终有了好的结果。硬件基本上很稳定，显示亮度均匀，充足，可显示图形和简单的文字，并且显示结果稳定，无串扰，通过不同程序的编写，可以实现更优图形的显示。在完成毕业设计的过程中也存在一些问题：没有考虑仿真软件是一个理想的仿真环境，而实际连接的电路板与仿真现象有差异，导致在仿真软件中能良好运行的程序出现显示问题。3D空间立体显示系统在以后的设计中，可以制作出不同的模型，不仅仅是正方形，还可以制作出人们能够构想出的任意形状，灯光的颜色也可以任意配置，要是加上音频动感随动就更好了。也可以制作成为动态运动、旋转的架构，还可以将光立方的几个面制作成类似电影的画面的效果，人们就可以从四个平面的地方来看电影了。3D空间显示系统还可以拓展的方面很广，这里仅仅说了几点。 参考文献1 白明国庆60周年联欢晚会“光立方”的设计与实施J设备与科技，2009(6):21-23 2 何丽欧奥运五环彩灯旋转闪烁控制电路的设计制作J科技信息，2012(24):349-3503 任丽莉等基于AT89S51单片机控制的旋转LED显示屏J电脑知识与技术，2011.7(34): 8953-89554 陈美銮等基于线阵LED的动态显示系统J广东工业大学学报，2008，25(1):54-575 黄辉基于单片机的智能LED灯照明系统J电子设计工程，2011，19(18):154-1566 王洪伟，安娜空中飞字LED灯设计与制作J中国新技术新产品，2008(3):105-1067 沈新创，钱平基于视觉暂留原理的旋转式线阵LED显示屏开发 J 上海应用技术学院 学报(自然科学版)，2007，7(2):150-153 8 胡阳基于视觉暂留的动态扫描LED旋转屏J现代电子技术，2012，35(5):186-1889 汪贵平等新编单片机原理及应用M北京：机械工业出版社，2009，910 秦志强C51单片机应用与 C语言程序设计M 北京：电子工业出版社，200711 孔维功C51单片机编程与应用M北京：电子工业出版社，201112 祈伟，杨亭单片机C51程序设计教程与实验M北京：北京航空航天大学出版社，200713 赵亮，侯国锐单片机C语言编程与实例M北京：人民邮电出版社，2009 14 Marston,R.Radio-Electronics,Working with LED display driversJ。Mar2008,Vol.63 Issue 365p,3chars,23 diagrams:(AN 0806290756) 15 David F Rogers.Computer graphics algorithmM.Beijing:China Machine Press,2008附录附录1 3D光立方总体设计原理图附录2 系统程序设计#include /-头文件-#define uchar unsigned char/-宏定义-#define uint unsigned intsbit K1 = P10; sbit K2 = P11;sbit K3 = P12; sbit K4 = P13;sbit K5 = P14; sbit K6 = P15;sbit K7 = P16; sbit K8 = P17;/-显示内容-uchar idata display88;/*-字符库-*/*rank:A,1,2,3,4,I,心,U*/Uchar.codetable_cha88=0x51,0x51,0x51,0x4a,0x4a,0x4a,0x44,0x44,0x18,0x1c,0x18,0x18,0x18,0x18,0x18,0x3c,0x3c,0x66,0x66,0x30,0x18,0xc,0x6,0xf6,0x3c,0x66,0x60,0x38,0x60,0x60,0x66,0x3c,0x30,0x38,0x3c,0x3e,0x36,0x7e,0x30,0x30,0x3c,0x3c,0x18,0x18,0x18,0x18,0x3c,0x3c,0x66,0xff,0xff,0xff,0x7e,0x3c,0x18,0x18,0x66,0x66,0x66,0x66,0x66,0x66,0x7e,0x3c; /*the IDEASOFT*/uchar code table_id40=0x81,0xff,0x81,0x00,0xff,0x81,0x81,0x7e,0x00,0xff,0x89,0x89,0x00,0xf8,0x27,0x27,0xf8,0x00,0x8f,0x89,0x89,0xf9,0x00,0xff,0x81,0x81,0xff,0x00,0xff,0x09,0x09,0x09,0x01,0x0,0x01,0x01,0xff,0x01,0x01,0x00;/*railway*/uch