跟着音乐“跳舞”的光立方--结题报告.doc

目录摘要.2第1章 光立方的制作.3 1.1 光立方概述.3 1.2 LED灯的选用.3 1.3光立方的焊接.4第2章 模块设计.8 2.1 总体方案选择.82.2 主控的最小系统.82.3 光立方控制模块.92.4 OTL音频功放模块.102.5 串口通信模块.10第三章 软件开发.123.1 光立方的动态显示.123.2 上位机.133.3 FFT运算.13第四章 结束语.17附件.18 下位机程序清单.18 上位机程序清单.35 摘要 一般的LED点阵都是平面的，比如一个字就是16*16点阵，而光立方属于LED立体阵列，是在多个等间距的平面再组合成一个立方体。其一般都是由一个长、宽、高为8*8*8 或16*16*16的LED 灯组成的立体显示器，属于3D显示技术的一种。 其最大的特点就是超炫的显示效果给人一种真实的视觉冲击效果，带给你未来3D 技术的科技体验，让我们的生活充满了美感。 本项目通过打造一个8*8*8的光立方，使用Atmega16单片机通过控制不同立体位点的LED灯的亮灭，实现各种立体显示效果。而立体显示效果是通过对音乐的采集，经过快速傅里叶运算FFT得到的不同音高和频率来控制的，随着音乐的不同旋律，就会显示相应的各种效果，给人一种光立方在随着音乐“舞动”的视觉享受，是家居装饰和送人礼物的很好选择。 本项目要求显示效果要求能依音乐的改变而改变，给人一种随着音乐“跳舞”的感觉。通过设计多种多样的显示效果，给人一种绚丽多彩的效果。而LED数量的巨大和空间立体的布局以及对显示效果的整齐划一，都对单片机的编程提出了较高的要求。关键词：光立方，FFT，Atmega16 第一章 光立方的制作1.1光立方概述 我们通过平时常见的LCD1602、LCD12864 和LED 点阵屏等的学习，懂得了2D 平面图形的设计、生成和编程，这一过程会让我们受到启发，在光立方的制作当中，把我们的2D 思维提升到3D 的思维方式。3D 图形的编程也是很巧妙的事情，并不只是简单地把几个2D 的图形叠加起来这么简单。设计3D 图形，需要有新的思维方式，发现三维空间中点、线、面、体的算法规律。在程序中运用循环、判断语句、参数逻辑运算等方法，用最少的语句达到最佳的显示效果。一改以往的平面显示效果，采用全新的立体显示，展示3D的超炫表现力，让人享受各种视觉上的冲击，迎合3D显示时代的到来。光立方为一个立体LED点阵。本项目制作并实现了一个8*8*8的光立方，较之平时常见的LED点阵屏，其拥有独特的特点：1、8*8*8的LED阵列立体显示器；2、连贯的图形显示效果，浑然一体，一气呵成；3、超炫的立体动态显示，多种显示样式；4、FFT运算，能随着音乐不断变化模式，给人一种“舞动”的美感。1.2 LED灯的选用LED发光体的体积越小，光立方整体的通透性就越好，也就是说后排的LED就越不容易被前排的LED挡住；而另一方面，发光体越大，越容易看到光点，例如使用直径更大的LED或是使用雾面而非光面的LED。这二者是有一定的相互矛盾的关系。此外还要注意LED光点的可视角度，雾面LED要比光面LED要大，而草帽头LED的可视角度又比普通窄体的LED要大。另外，一样可以根据摆放位置，角度，将LED的朝向进行改变（默认是朝天的），以获得更好的观感。本项目使用的LED为台湾产的3MM、圆头、蓝色、雾状散光LED，其最大电流为20mA，电压范围3.0-3.5V，波长460-465nm，亮度，1000mcd，发光角度120度，正极的引脚长度为27mm，负极的为25mm。实物图如图1.1所示： 图2.1 选用的LED灯1.3光立方的焊接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。注意：正负引脚的夹角一定是90。弯折后的LED灯如图1.2所示： 图1.2 弯折后的LED首先，要进行LED灯立体矩阵的搭建。LED搭接过程还是比较困难的，我们需要8 片8*8 的LED 阵列，8*8*8=512LED，分为8层，每层8列，每列8个LED灯，列内共阴，层内共阳。焊接直接在LED管脚上进行。为使光立方外形的美观，每一片的LED阵列都要求排列整齐，互相看齐。这对焊接的能力有一定的要求。每一束焊接的效果如图1.3所示： 图1.3 每一列的焊接示意图我们可以把它分为8个层，如图1.4所示；每层含64个LED灯，如图1.4所示。我们只要控制这64个灯使其能够自由变换，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（大概50ms至200ms），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个体。 图1.4 光立方层结构示意图 图1.5 光立方每层结构示意图整个光立方焊接完后如图1.6所示： 图1.6 焊接完后的光立方 第二章 模块设计2.1 总体方案选择 本项目首先要实现光立方的立体扫描，产生出特定的显示效果。通过设计多种多样的显示效果，给人一种绚丽多彩的效果。此外还要求显示效果能依音乐的改变而改变，给人一种随着音乐“跳舞”的感觉，这就要求对音乐进行采集。对音乐采集可以采用外部ATD芯片，或者选用内带ATD功能的MCU。本项目使用的主控为Atmega16，其内部自,8路10位精度的模数转换器。因此，整体功能结构可表示如下：音频功放Atmega16主控芯片光立方控制 音频 上位机 图2.1 系统结构框图2.2 主控的最小系统 本项目中使用的主控为Atmega16。Atmega16是一款高性能、低功耗的8位AVR微处理器，采用先进的RISC结构，含16K字节的系统内可编程Flash和512 字节的EEPROM。Atmega16的外设特点为： 两个具有独立预分频器和比较器功能的8 位定时器/ 计数器 一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16 位定时器/ 计数器 具有独立振荡器的实时计数器RTC 四通道PWM 8路10位ADC，2 个具有可编程增益（1x, 10x, 或200x）的差分通道 两个可编程的串行USART 可工作于主机/ 从机模式的SPI 串行接口 具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器 片内模拟比较器 片内经过标定的RC 振荡器 32 个可编程的I/O 口Atmega16的最小系统主要包括复位电路、外部振荡器电路和AD模块电源等，电路原理图如图2.2所示： 图2.2 Atmega16最小系统2.3 光立方控制模块光立方的扫描控制使用了两片74HC238译码器和8片74HC573锁存器，其中一片74HC238通过地址译码实现光立方的层选，另外一片74HC238用来实现光立方的列选，LED灯的亮灭通过74HC573暂存器暂存的方法，每片74HC573分别用来控制一列LED灯，通过层选和列选信号的切换来实现每个LED灯的扫描，通过不同的扫描顺序实现不同的动态效果。光立方控制的电路原理图如图2.3所示： 图2.3 光立方控制原理图2.4 OTL音频功放模块OTL是英文Output Transformerless的简写，意思是无输出变压器，其采用推挽方式而不用输出变压器的功率放大器。OTL体积小，电路简单，易于集成，是常用的简便型音频功放。本项目设计的OTL如图2.4所示： 图2.4 OTL音频功放2.5 串口通信模块 为使MCU与上位机通信，可以使用串口通信。为此需要设计串口通信模块。 串行通信被广泛用于数据交换中。Atmega16单片机通过复用的PD0和PD1两个管脚与其他设备实现串行数据交换。当设计好串行口工作模式和波特率后，在发送数据时，只要把数据载入UDR中，串行口就会自动将数据发送出去；在接收数据时，串行口接收下来的数据保存在UDR中以供程序读取。 由于电脑串口RS232电平是(-10v +10v)，而一般的单片机应用系统的信号电压是TTL电平(0 +5v),MAX232 就是用来进行电平转换的。MAX232符合TIA/EIA-232-F标准，该器件包含2 驱动器、2 接收器和一个电压发生器电路提供TIA/EIA-232-F 电平。每一个接收器将TIA/EIA-232-F电平转换成TTL/CMOS 电平。每一个发送器将TTL/CMOS电平转换成TIA/EIA-232-F电平。MAX232的主要特点：1、单5V 电源工作2、LinBiCMOSTM 工艺技术3、两个驱动器及两个接收器4、30V 输入电平5、低电源电流：典型值是8mA 串口通信模块的电路原理图如图2.5所示： 图2.5 串口通信电路原理图 第三章 软件开发3.1 光立方的动态显示 光立方虽然不同于平时常见的LED点阵屏，但其原理还是一样的，都是通过对LED的快速扫描，利用人眼视觉暂留效应，以达到动态显示的效果。只不过设计3D 图形，需要有新的思维方式，发现三维空间中点、线、面、体的算法规律。在程序中运用循环、判断语句、参数逻辑运算等方法，用最少的语句达到最佳的显示效果。要实现光立方的动态扫描，那么首先得先点亮一个灯，然后通过快速依次点亮想显示图形的每一个灯，即可得到动态显示图形。本项目中的光立方为层共阳型的，那么束为低电平点亮，那么点亮一个灯的程序如下所示：#define P0 PORTB#define P1 PORTCvoid light(char ceng,char shu)/点亮一个灯P1=ceng; P0=(1shu); for(m=0;m=2fmax)，采样之后的数字信号才能完整地保留了原始信号中的信息。46.08KHz2*20KHz，符合采样定理的要求。AD结果寄存器采用左对齐方式，因为正常情况ATMEGA16的AD采样频率最大为15KHz，现采样频率至少为声音频率（20KHz）的两倍，即40KHz，所以结果精度不高，也为了有充裕时间进行AD采样，所以只读取ADCH寄存器的值，舍去结果寄存器的末两位。注意在差分模式下，最高位为符号位，所以结果范围为-128+127。参考电压采用内部2.56V参考电压（因为耳机的差分输出电压最高为2V）。现令采样频率为40KHz，则AD转换间隔为t=25us，使用定时器触发方式，每隔25us触发一次AD。采样样本为32个，则频率间隔为40KHz/(32-1)=1.3KHz。FFT运算后，取前面的17（32/2+1）个值，其中第一个值代表直流电压值，亦去掉。最终取结果的X116。本项目中的上位机使用VB开发，上位机的处理频率最大只为1KHz（1ms），而声音的采样频率为40KHz，且AD中如果采用连续转换模式的话，在采样频率为40KHz时，则波特率至少为：BUAD=40K*32（采样点数）*8（每个数的位数）=10240000bps，Atmega16的串口通信根本无法达到如此速率。 故应该间隔发送，不能采用连续发送。现如果每5ms（200Hz）发送一次，一次采样32个点，那么波特率为:200*32*8=51200bps，那么可以设计AVR的串口通信速率为115200bps。串口初始化的函数如下所示：void UART_Init(unsigned int baud) /*默认设置帧格式:异步模式 8 个数据位, 1个停止位*/UCSRC &= (18);/* 设置波特率*/ UBRRL = (unsigned char)baud; UCSRB = (1RXCIE)|(1RXEN)|(1TXEN); /*接收中断使能,接收器与发送器使能*/ 当为UART_Init(5)时，串口通信速率为115200bps。串口通信的发送和接收函数分别为： void write(char data) while(!(UCSRA & (1UDRE);/* 等待发送缓冲器为空 */ UDR=data;/* 将数据放入缓冲器，发送数据 */ unsigned char read(void) while(!(UCSRA & (1RXC); /* 等待接收数据*/ return UDR;/* 从缓冲器中获取并返回数据*/ 采样后的AD值采用统一发送方式，其函数如下所示： void send() for(i=0;i= J Then GoTo L1190 TR = REX(J) TI = IMX(J) REX(J) = REX(i) IMX(J) = IMX(i) REX(i) = TR IMX(i) = TIL1190: K = ND2L1200: If K J Then GoTo L1240 J = J - K K = K / 2 GoTo L1200L1240: J = J + KNext iFor L = 1 To M LE = CInt(2 L) LE2 = LE / 2 UR = 1 UI = 0 SR = Cos(PI / LE2) SI = -Sin(PI / LE2) For J = 1 To LE2 JM1 = J - 1 For i = JM1 To NM1 Step LE IP = i + LE2 TR = REX(IP) * UR - IMX(IP) * UI TI = REX(IP) * UI + IMX(IP) * UR REX(IP) = REX(i) - TR IMX(IP) = IMX(i) - TI REX(i) = REX(i) + TR IMX(i) = IMX(i) + TI Next i TR = UR UR = TR * SR - UI * SI UI = TR * SI + UI * SR Next JNext L 第四章 结束语 通过半年的学习和努力，终于成功实现了本项目要求。在本项目的过程中，光立方的制作对焊接和布局提出了一定要求，其次是FFT的学习与应用。经过本次制作，进一步加深了点阵的扫描控制，也学会了如何将理论联系实际，把所学的书本知识应用到实际运用中去。每一次的项目制作，都让自己有一种新的收获，这便是经验逐步积累的过程。希望以后能够参与更多的项目中去，学习更多的知识和经验。 附件下位机程序清单：/*主控为ATMEGA16单片机，采用外部晶振11.0592MHz，选用AD时钟分频因子为16，则AD时钟=691.2KHz。因为差分AD转换需要15个AD时钟，则采样频率最大为691.2KHz/15=46.08KHz(=2*20KHz)。结果寄存器采用左对齐方式，因为正常情况下ATMEGA16的AD采样频率最大为15KHz，现采样频率至少为声音频率（20KHz）的两倍，即40KHz，所以结果精度不高，也为了有充裕时间进行AD采样，所以只读取ADCH寄存器的值，舍去结果寄存器的末两位。注意在差分模式下，最高位为符号位，所以结果范围现为-128+127。参考电压采用内部2.56V参考电压（因为耳机的差分输出电压最高为2V）。现令采样频率为40KHz，则AD转换间隔为t=25us，使用定时器触发方式，每隔25us触发一次AD。采样样本为32个，则频谱的频率间隔为20KHz/(16-1)=1.3333KHz。FFT运算后，取前面的17（32/2+1）个值，其中第一个值代表直流电压值，亦去掉。最终取结果的X116。*/#include #include #include /p1高位:层 P1低位:面 p0:束#define P0 PORTB#define P1 PORTC#define N 32/#define delay 200unsigned char delay=200;unsigned char m;unsigned char i;char count=0,num=0,flag=0,index=0;char ad_data=0,valueN=0,resultN/2+1=0;char const spin1416=0x07,0,0x06,1,0x05,2,0x04,3,0x03,4,0x02,5,0x01,6,0x00,7, 0x06,0,0x06,1,0x05,2,0x04,3,0x03,4,0x02,5,0x01,6,0x01,7, 0x05,0,0x05,1,0x05,2,0x04,3,0x03,4,0x02,5,0x02,6,0x02,7， 0x04,0,0x04,1,0x04,2,0x04,3,0x03,4,0x03,5,0x03,6,0x03,7,0x03,0,0x03,1,0x03,2,0x03,3,0x04,4,0x04,5,0x04,6,0x04,7,0x02,0,0x02,1,0x02,2,0x03,3,0x04,4,0x05,5,0x05,6,0x05,7,0x01,0,0x01,1,0x02,2,0x03,3,0x04,4,0x05,5,0x06,6,0x06,7,0x00,0,0x01,1,0x02,2,0x03,3,0x04,4,0x05,5,0x06,6,0x07,7,0x00,1,0x01,1,0x02,2,0x03,3,0x04,4,0x05,5,0x06,6,0x07,6,0x00,2,0x01,2,0x02,2,0x03,3,0x04,4,0x05,5,0x06,5,0x07,5,0x00,3,0x01,3,0x02,3,0x03,3,0x04,4,0x05,4,0x06,4,0x07,4,0x00,4,0x01,4,0x02,4,0x03,4,0x04,3,0x05,3,0x06,3,0x07,3,0x00,5,0x01,5,0x02,5,0x03,4,0x04,3,0x05,2,0x06,2,0x07,2,0x00,6,0x01,6,0x02,5,0x03,4,0x04,3,0x05,2,0x06,1,0x07,1;char const angle16=0x22,0x23,0x24,0x25,0x33,0x34;char const angle220=2,3,4,5,2,3,4,5,2,3,4,5,2,3,4,5,3,4,3,4;void delayms(unsigned int n) int j; while(n-) for(j=0;j1140;j+);void UART_Init(unsigned int baud) /*默认设置帧格式:异步模式 8 个数据位, 1个停止位*/UCSRC &= (18);/* 设置波特率*/ UBRRL = (unsigned char)baud; UCSRB = (1RXCIE)|(1RXEN)|(1TXEN);/*接收中断使能,接收器与发送器使能*/void write(char data) while(!(UCSRA & (1UDRE);/* 等待发送缓冲器为空 */ UDR=data;/* 将数据放入缓冲器，发送数据 */unsigned char read(void) while(!(UCSRA & (1RXC); /* 等待接收数据*/ return UDR;/* 从缓冲器中获取并返回数据*/void send(void)for(i=0;iN;i+) write(valuei);void TC0_Init(void) TCCR0|=0x1a; /CTC模式，溢出时OC0取反，8分频 TCCR0&=0xcf; TCNT0=0; OCR0=16; /采样频率为40.66KHz，注意P72页的频率计算公式 TIMSK|=2; /T/C0输出比较匹配中断使能void AD_Init(void) DDRA&=0x03; /AD0、AD1作为AD输入端ADMUX=0xf0; /2.56V的片内基准电压作为参考电压，结果左对齐输出，ADC0（正差分输入）、ADC1（负差分输入），增益为1ADCSRA=0xbc; /使能AD，自动触发使能，写1清除标志位，使能AD中断，时钟16分频/ADCSRA=0xbb; /使能AD，自动触发使能，写1清除标志位，使能AD中断，时钟8分频/使用该条语句，采样频率似乎大了一倍SFIOR|=0x60; /自动触发源选定时/计数器0比较比配ADCSRA|=BIT(ADSC);/开始AD转换void light(char ceng,char shu)/点亮一个灯P1=ceng;P0=(1shu); for(m=0;m=0;x-) for(k=70;k0;k-) for(y=7;y=0;y-) for(z=7;z=0;z-) light(y4)|x,z); void ceng(void) /层移动 signed char x,y,z,k; for(x=0;x0;k-) for(y=7;y=0;y-) for(z=7;z=0;z-) light(x0;k-) for(k=5;k0;k-) for(x=0;x0;temp-) /延时 for(y=0;y8;y+) for(z=0;z16;z=z+2) light(spinxz|(y0;y-) / for(x=3;x0;i-) light(x,3);for(i=300;i0;i-) light(0x72,2);light(0x74,2);light(0x74,4);light(0x72,4);for(i=300;i0;i-) light(0x61,1);light(0x61,3);light(0x61,5);light(0x63,1);light(0x63,5);light(0x65,1);light(0x65,3);light(0x65,5);for(i=300;i0;i-) for(x=0;x0;y-)/ for(x=112;x=0;x=x-16) for(i=500;i0;i-) light(x+1,1); for(x=112;x=0;x=x-16) for(i=500;i0;i-) light(x+3,2); for(x=112;x=0;x=x-16) for(i=500;i0;i-) light(x+1,4); for(x=112;x=0;x=x-16) for(i=500;i0;i-) light(x+4,5); for(x=112;x=0;x=x-16) for(i=500;i0;i-) light(x+5,2); / void pyramid(void) /金字塔 signed char y,z,k,temp;int i;delay=100;/ for(x=2;x0;x-)/ for(k=50;k0;k-) for(y=7;y=0;y-) temp=y+112; for(z=7;z=0;z-) light(y,z); /0层 light(temp,z); /7层 for(k=70;k0;k-) for(y=22;y16;y-) temp=y+80; for(z=6;z0;z-) light(y,z); /1层 light(temp,z); /6层 for(k=100;k0;k-) for(y=0;y2,angle2y);/2层 light(angle1y2+48,angle2y);/5层 for(i=400;i0;i-) for(y=16;y0;k-) for(y=7;y=0;y-) temp=y+112; for(z=7;z=0;z-) light(y,z); light(temp,z); for(y=22;y16;y-) temp=y+80; for(z=6;z0;z-) light(y,z); light(temp,z); for(y=0;y2,angle2y);light(angle1y2+48,angle2y);for(y=16;y0;temp-) /how many times for(temp=3;temp0;temp-) /how many times for(z=0;z14;z+) /one time need 14 changes for(k=5;k!=0;k-)/delay for(x=0;x=0;y-)/scan Mian light(angz+x|y,x); void flex(void) /伸缩 signed char x=3,y=10,z,k,temp; while(y-) switch(x) case 3: for(k=70;k!=0;k-) for(z=7;z=0;z-) light(0x00,z);light(0x07,z);light(0x70,z);light(0x77,z);light(z,0x00);light(z,0x07);light(0x70|z,0x00);light(0x70|z,0x07); temp=1; break; case 2: for(k=120;k!=0;k-) for(z=6;z0;z-) light(0x11,z);light(0x16,z);light(0x61,z);light(0x66,z);light(0x10|z,0x01);light(0x10|z,0x06);light(0x60|z,0x01);light(0x60|z,0x06); break; case 1: for(k=170;k!=0;k-) for(z=5;z1;z-) light(0x22,z);light(0x25,z);light(0x52,z);light(0x55,z);light(0x20|z,0x02);light(0x20|z,0x05);light(0x50|z,0x02);light(0x50|z,0x05); break; case 0: for(k=250;k!=0;k-) light(0x33,3);light(0x34,3);light(0x33,4);light(0x34,4);light(0x43,3);light(0x44,3);light(0x43,4);light(0x44,4); temp=0; break; default:break; if(temp) x=x-1; else x=x+1; void dice(v