带MP3效果的光立方(王伟).doc

带MP3效果的光立方机电工程学院 王伟 2012071620摘要：本设计制作出一个三维立体显示图案的LED光立方。本产品不仅可以像发光二极管点阵一样显示平面的静态或动态画面，还可以显示立体的静态或动态画面，打破了传统的平面显示方案。同时又增加了显示的花样和立体图案显示效果，可以以此原理来显示音乐音调的变化，从而使音乐“可见”。光立方显示比发光二极管点阵更具有视觉效果，而且画面图案更加非富多彩。本设计是采用单片机为核心控制器，74LS245扩展I/O口，完成硬件电路设计。通过软件编程控制数据下载到单片机完成设计图案的显示。软件采用自上而下的模块化设计思想，使系统朝着分布式、小型化方向发展，增强系统的可扩展性和运行的稳定性。关键词：LED光立方；74LS245；51单片机；LED点阵显示引言 随着人们生活水平的不断提高，3D效果的欣赏已经成了人们的追求，美轮美奂的观赏让人醉心不已，给人带来无比宽松舒适的美感。但就目前的发展，3D还不能够普及到人们的生活中，这也就萌发了人们对于3D的设计。因此，对发光二极管进行控制，使其显示出不同的花样，带给未来3D技术的科技体验。本论文就光立方的应用进行拓展，初步探索应用于音乐显像领域及对其效果的实测。一、设计的总体方案 本次设计制作一个三维的发光二极管立方显示体，能够通过编写程序来实现对每一个发光二级管的亮灭控制，从而可以显示多种多样的图案。为了吸引观众增强显示效果，可以有多种显示模式。产生不同显示显示模式的方法，并不意味着一定要重新编写显示数据，可以通过一定的算法从原来的显示数据直接生成。这样程序书写就不会过于繁琐和重复，而且对核心控制器的内存空间要求不高。借鉴单片机控制LED点阵显示的原理，通过系统分析，确定该系统该具有哪些功能，有哪些模块，各个模块之间是怎样连接，以及怎样组合电路是最合理最简单的，即硬件方案设计。编写硬件电路的相对应软件程序部分，利用仿真软件对程序进行测试修改。电路系统焊接完毕后，测试整个的系统模块的功能，看各个功能是否能正常运行，并依据实验结果找出程序中的错误，改正这些错误至测试成功完成设计要求。二、硬件的选择与结构设计（一）硬件的选择 1.光立方显像核心控制器本设计选择51系列单片机作为核心控制器。因为单片机的技术门槛较低开发成本也较低非常适合初学者进行学习和锻炼使用。现在市场上常用的单片机主要有MCS-51、AVR、ARM、PIC等。其中应用最广泛的单片机首推Intel的51系列，由于产品硬件结构合理，指令系统规范，加之生产历史“悠久”，有先入为主的优势常作为单片机学习的教材。所以决定选取51系列单片机作为控制部分的核心器件。 2.电源电路采用一块集成稳压器。把市电经变压器降压输入电路，而后整流送到稳压器稳压输出作为工作电压。不仅功率上可以满足系统需要，不需要更换电源，并且比较轻便，使用更加安全可靠。基于以上分析，决定选取稳压器稳压电路作为系统供电电源。 3.LED发光显示二级管 LED是一种固体光源，当它两端加上正向电压时就可以发光。本设计选取单色蓝光LED作为本次设计显示色彩，亮度高，显示效果很好。 4.IO口扩展芯片采用74LS245，用来驱动led或者其他的设备，它是8路同相三态双向总线收发器，可双向传输数据。74LS245还具有双向三态功能，既可以输出，也可以输入数据。（二）电路设计 电路大体上可以分成核心控制电路、显示驱动电路、串信通信电路三部分。核心控制电路部分包括一个51系统CUP和一些外围电路。在整个电路当中此电路部分可以相当于一个上位机，它负责控制整个电路以及相应的程序的运行、与PC机的串行通讯、以及给显示屏部分发送命令。单片机根据编写好的内容和指令通过I/O口扩展后驱动8X8X8 LED光立方显示屏。 显示电路采用动态扫描方式进行显示时，每列有一个列驱动器，各列的同名行共用一个行驱动器。由单片机给出的行选通信号，从第一列开始，按顺序依次对各列进行扫描选通，根据锁存器的特性可以把数据锁存输出。这样就可以把八列的数据输出显示，完成列线数据的传送。另一方而，根据各列层面要显示的数据，通过三极管驱动继电器来控制相应层面的电平，列与层面的数据结合共同来显示图案。（三）LED光立方结构设计 1.LED元件选型 3D光立方采用高亮蓝色草帽头LED，满足以下条件： 1）额定驱动电压3.3v（2.7v-3.8v）。 2）额定驱动电流为20mA。 3）阳极管脚长度271mm，阴极管脚长度为251mm。 2.LED亮度测试方法 可使用两节常见的1.5V的干电池判断LED的阳极阴极。 将万能面包板接通电源，将LED插入面包板的一对插孔内，其中靠近边缘的为阳极、另一个为阴极，观察其是否能被正常点亮，并可以改变限流电阻改变亮度，观察该型LED的可测亮度范围。建议从最低亮度开始，防止LED被烧毁。 3.LED 光立方搭接方法 为了保持整体的通透性、立体感，3D8光立方没有设计额外的LED支架，所有搭接直接使用LED自身的管脚。 水平折弯：基本徒手就可以保证焊接的整齐性和保证角度的统一。 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。 4.由点到线 准备一块木板，在上面打孔，分布均匀，孔径以配合LED为准。将折弯好的LED插入一排插入以后，其阳极正好可以搭接在一起。进行焊接，实现线行内共阳的操作。 5.由线到面 将焊好的一条一条LED平躺在平面上，实现束方向阴极的焊接。上方LED与下方LED阴极搭接的位置，可用LED自身根部的突起作为标志。 6.由面到体 将垂直各面依次插到面包板上面，以后，将露出的阳极引脚横向折90，是其可以与其前后同一高度（同一层）的阳极进行焊接，实现各8x8平面的层共阳。实现层共阳以后，我们就得到了共计8条对阳极引线，通过漆包铜线，实现各层的阳极线与主板的连接。其中最顶层的对应最靠近DC电源插座的阳极座。 7.静态测试 进行LED的静态测试，对内部常亮点、常暗点进行更换。由于LED还是比较娇贵的元件，焊接过程中，应避免静电及过热造成LED的损伤。制作一个简单的单面测试的模块，借助鳄鱼夹，对面内各点进行测试，从而避免在各层都实现共阳连接以后再从中拆出个别坏点。 就原理图来说，3D8的LED搭接结果相对简单，512个LED，分为64束，8层，束内共阴，层内共阳。（四）光立方工作原理 本设计介绍一个3D LED光立方显示屏的制作，在单片机的P0口输出显示代码，然后把扫描片选择锁存器送入74LS245，通过片选哪一列对应的芯片就可以把显示的内容送到显示屏显示。 设计原理：利用单片控制LED点阵显示的原理和控制技术，来制作控制光立方显示。通过编写程序控制不同LED的显示，显示所要显示的内容。根据人眼的视觉暂留效应，设置每幅画面的延迟时间使连续的一系列画面呈现动态。最终达到所要显示的内容。每个灯都是由层控制端和列控制端共同决定亮或灭。三、系统软件设计（一）概述软件设计包括按键程序、主程序、显示程序三大部分。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。软件功能结构框图（二）立方体源代码（部分）四、测试及仿真（一）硬件系统测试 1.测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；电源端对地是否存在短路（用万用表测量电阻）。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，用万用表电压档监测电源电压，观察有无异常现象。如冒烟、异常气味、手摸元器件发烫，电源短路等。如发现异常情况，立即切断电源，排除故障；如无异常情况，分别测量各关键点直流电压，如静态工作点、数字电路各输入端和输出端的高、低电平值及逻辑关系、放大电路输入、输出端直流电压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，使电路最终工作在合适的工作状态；对于放大电路还要用示波器观察是否有自激发生。 3.动态检测与测试动态测试是在静态测试的基础上进行的，测试的方法地在电路的输入端加上所需的信号源，并循着信号的注射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，继续检测完电路至没有错误。（二）软件系统测试 单片机是本设计的核心控制器，只有保证单片机的正常工作才能完成程序的运行及显示的控制。保证单片机最小系统能够正常工作是前提。本设计功能很多，所以对于它的程序也较为复杂，所以在编写程序和测试时出现了相对较多的问题。最后经过多次的模块子程序的修改，一步一步的完成，最终解决了软件上出现的问题。（三）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，首先使用试测仪对电路进行测试，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，首先使用试测仪对电路进行测试，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。五、总结 做完了本次设计，我对电路的原理及功能更加熟悉，同时提高了动手设计能力以及对电路的分析能力。同时在软件的编程方面得到了提高，对所学的知识得到很大的巩固。在调试与开发过程中遇见的问题