3D8光立方作品说明书

8*8*8光立方作品说明书

摘要

LED点阵显示屏已经应用到了我们生活中的方方面面，科技发展的脚步一直向前，由于3D电影给人们带来了更加震撼的视觉体验。于是想设计出一种3D显示屏。通过向指导员的学习了解，知道LED显示分静态显示和动态显示，以及两种显示的控制方法：LED共阴和共阳接法不同的驱动方法。在网站上查找相关的文献时，我们了解LED显示技术的特色之处：一是节能(直接功耗，间接耗能)高空间利用率，二是基本无电离辐射。LED点阵显示屏的特点还有比数码管具有实用、便宜、亮度高等优点，而且做出来的LED显示很耐用。LED显示屏还具有亮度高、工作电压低、功耗小、小型化、寿命长、耐冲击和性能稳定等优点。LED点阵显示屏的发展前景极为广阔，目前正朝着更高亮度，更高耐气候性，更高的发光密度，形状的多样性，更高的发光均匀性、可靠性、多色化方向发展。另外在电子工程师之家看到过不少网上朋友发帖子，晒自己制作的3D光立方显示，5*5*5的、有8*8*8的、甚至还有一个16*16*16的。在爱折腾网站也曾看过有用蓝色LED和白色LDE制作的光立方。在运动会的开幕式上，物理与电子信息学院展示了光立方，经过搜集资料看了视频了解后，我们被光立方的立体感吸引了，我们向物理与电子信息学院的同学学习制作一个光立方，一方面满足自己的兴趣爱好之心，另一面也锻炼我们的动手能力。于是我最终确定也制作一个蓝色LED 显示8*8*8的光立方。

光立方顾名思义就是一个立方体，我们采用的是8*8*8的模式，大概的距离是17cm*17cm*17cm(长.宽.高)，主要分为三个模块：主控模块驱动模块显示模块；我们所做的光立方驱动电路，主控电路等都是纯手工焊接。采用的主控芯片12C5A60S2芯片，驱动电路是采用我们常用的74HC573数字芯片。本设计采用C语言编程实现不同图案的转变，利用单片机控制512个LED灯的亮灭，采用延时控制LED亮灭时间使LED灯图案转变的速度不同，最终使得整个立体呈现不同的造型和图案，使其变得美轮美奂、绚丽多彩。

关键字：光立方8*8*8的模式12C5A60S2 74HC573

1．说明书结构设置

(1)设计任务与要求

搜集题目的有关资料，并参照目前通用的设计方法拟定几套设计方案进行分析比较，选择制作8*8*8LED光立方，简述其要求与目的及原理。

(2)电路设计、制作及工作原理介绍

以设计要求为指导思想选择合适的器件来实现这一思想，选择器件时要从功能和电气特性两方面来选择和论证。经过对比选择AT89S52单片机为核心控制器件，由八D边沿触发器（三态）74LS573扩展I/O口输出，三极管8550和5V继电器为驱动电路器件。论文列出了详细的参数和在系统中的连接使用方法。

(3)验证与测试

测试分为硬件测试、系统测试两步来进行，在硬件测试中发现有单片机端口驱动能力不足、驱动电路工作不稳定、LED显示不正常等问题。在软件测试中出现程序整合工作不协调问题。通过分析，查找出问题的原因并设法解决。

(4)结论

设计作品完成后对设计中所遇到的问题、经验教训，以及自己的想法进行总结分析。以便于为将来的设计提供宝贵的借鉴经验。

2．设计任务与要求

2.1设计任务

制作8*8*8光立方

2.2设计目标与要求

目的：在当今现代信息化社会的高速发展过程中，大屏幕显示已经从公共信息展示等商业应用向消费类多媒体应用渗透。随着宽带网络的发展，数字化的多媒体内容将在信息世界中占据主流，新型的大屏幕显示设备将代替传统电视机成为人们享受信息和多媒体内容的中心。为追求舒适、逼真、清晰的3D视频显示，为此制作出一个三维立体显示图案的LED光立方。该设计方案将打破了传统的平面显示视频的方法，该方案设计的LED显示屏显示画面色彩鲜艳，立体感强，静如油画，可以广泛应用于广告公司、交通运输、车站、商场、医院、宾馆、证券市场、工业企业管理等公共场所。

要求：

(1).利用单片机控制8*8*8的LED光立方显示一些3D的图形。设计内容包括了时钟电路、复位电路、三极管驱动电路、LED光立方电路等几部分的设计。

(2).进行实物的焊接，最后进行调试。

我们以我们制作的8*8*8的光立方来说，我们可以把他拆成8个面。如右图示：

每个面有64个灯组成。或者说是64束led蓝光灯组成。从光立方的上方看，这是一个具有64个灯的面，而8个面组合起来又是一个完整的立方体。不同的3D图案就是靠着这一个个的点连接起来后形成的。

图1 8*8*8立方单面原理连接图

我们先从一个面的控制来考虑起;控制着64个灯使其能自由的变换，，不同的灯的变换构成不同的平面图案，而我们要做的就是首先将每个图片切割成8层，通过控制每层的图案然后依次点亮每层即可，由于我们眼睛的视觉残留效果，当每一个灯的变换小于时间20ms时候，我们眼睛就会存在一个视觉残留的概念，大脑也会将上次的图案和这次的图案自动的进行组合。从而，达到图形结构的效果。这样，我们就能够考到一个整体的个体图案。这是一张点阵led的电路图，如图，如果我们想驱动任意位置的led，我们只需要在该位置led所使用的列线接地，行线接上+5V即可。

光立方的原理其实很简单，就是控制这512个led的显示效果，通过不同的显示组合，来达到显示不同立体图案的效果。

3．电路的设计、制作及工作原理介绍

3.1电路设计：

主要分为三个模块分别是主控模块、驱动模块、显示模块

3.1.1主控电路

其中P1为一个触摸型的开关，C2为去耦电容防止高频干扰。

图2主控电路

图3驱动电路

3.1.2驱动电路

在驱动电路上，每个锁存芯片的电源端都加了一个瓷片电容，主要的作用是防止高频干扰

3.1.3显示电路

显示电路所有的灯的负端都是接在一起的，下面的每一组都是控制光立方的一个面，控制的是光立方的竖起来的面，而横着的面由图3的U10控置。

图4 显示电路

3.2电路设计、制作及工作原理介绍

(1)LED元件选型

3D8光立方才用高亮蓝色草帽头LED灯：

1)额定驱动电压3.3V(2.7V-3.8V)

2)额定驱动电流为20mA

3)阳极管脚长度为27±1mm，阴极管脚长度为25±1mm

(2)LED亮度测试方法

1)可使用两节常见的1.5V的干电池判断LED的阳极阴极。

2)将万能面包板接通电源，将LED插入面包板的一堆插孔内，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，并可以改变限电流电阻改变亮度，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光立方的搭接方法

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，所有的搭建全部使用LED的自身的管脚。

1)水平弯折：基本徒手就可以保证焊接的整齐性和保持角度的统一。

2)垂直弯折：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

准备一块水平板，在上面打上8*8的64个孔，分布均匀，其间距为22.86mm,孔径以配合LED为准。将弯折好的LED插入一排插孔后，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

将焊接好的一条一条LED平躺在平面上，实现竖直方向上阴极的焊接，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，控制层与层间距，理想的值为22.86(2.54*9)mm。

(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度，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8*8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，应避免静电造成LED的损伤。最好使用防静电焊台，并佩戴防静电手环。有硬件制作基础的朋友，可以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，从面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，分别为64束，8层，束内共阴，层内共阳。

4.验证与测试

控制电路板的安装与测试在整个系统研制中占有重要位置，它是把理论付诸实践的过程，也是吧纸面电路设计转变为实际产品的必经阶段。系统测试可以分为硬件测试和软件系统测试。

4.1硬件系统测试

对试验阶段的电路板的安装一般有两种方式即焊接方式和面包板插接方式。使用面包板焊接更加方便，更容易换线路和器件，而且可以多次使用。但在多次使用的面包板中弹簧片会变松，弹性变差，容易造成接触不良，这是需要注意的。

实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)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：用万用电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(用万用电表测量电阻)。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，用万用电表的电压档测量电源电压，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、低点平值及逻辑关系，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，则调整电路元件参数、更换元器件等，是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，测试的方法在电路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。

(4)测试注意事项

1)正确使用测量仪器的接地端，仪器的接地端与电路的接地端要可靠连接。

2)在信号较弱的输入端，尽可能使用屏蔽线连线，屏蔽线的外屏蔽层要接到公共地线上，在频率较高时要设法隔离连接线分布电容的影响，例如用示波器测量时应该使用示波器探头连接，以减少分布电容的影响。

3)测量电压所用仪器的输入阻抗必须远大于被测处的等效抗阻。

4)测量仪器的带宽必须大于被测量电路的带宽。

5)正确选择测量点和测量。

6)认真观察记录实验过程，包括条件、现象、数据、波形、相位等。

7)出现故障时要认真查找原因。

4.2系统总体测试

在软件测试过程中采用模块化的测试方法，使整个系统测试显得更加有条理性。通过RS232和PC测试助手进行测试。测试过程中把单片机和PC机的波特率设置为相同值(如9600bit/s)。验证上位机和下位机接收正常。我们把测好的软件导入连接好的硬件中，在把所出现的问题都调整解决过来，因而整个系统就测试通过。

4.3系统测试结果与结论

4.3.1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，首先使用试测仪对电路进行测

试，观察是否存在漏焊，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。查看程序的烧写是否正确无误，对程序中易影响显示的部分进行认真检查和修改。

4.3.2测试结论

经过多次的反复测试与分析，可以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。同时在软件的编程的方面得到了提高，对所学的知识得到很到的巩固。在测试过程中遇见的问题，也通过不断的改正，最终得以实现设计要求的各项功能，然我们深刻地感受到，做任何事情一定要细心，尤其是在程序编程这里，一个小的失误，会使你无法实现功能，也会酿成大错，良好的编程习惯，会使程序更加简洁，方便查找错误，提高效率。

在设计过程中一些元器件的电路连接方法让我们很费劲，原因是由于在这些元器件不是太常用而且在学习理论知识时没做详细的理解，在网站上找不到具体的用法，从而在实际运用中遇到很大麻烦。正是这种原因使我意识到：要想更完美的进行一次设计，与专业知识基础扎实的同学交流沟通是很有必要的。在指导员的帮助下，经过我们的努力终于完成了本次设计。

5．结论

本次“院长杯”电子设计竞赛即是为大学生学习生活增添乐趣，也是为理论与实际结合不紧密的我们创造了一个动手操作环境，为今后走向社会实际操作应用铸就了一个良好的开端。

本次设计，我们选择了题目：8*8*8的光立方设计。本次设计达到预期要求：LED显示屏各点亮度均匀、充足，可显示图形和简单的文字，而且显示图形和文字显示稳定、清晰无串扰。图形或文字显示、移入移出等显示方式。

由于我们从未接触过编程并且没有焊接基础，所以本次设计中，我们采用套件进行焊接制作。

当然本次设计中也存在一些问题：没有小心LED的焊接中损坏问题，以及在焊接过程中有用力过度，使得焊接完成后有形状的变形。经过近两个星期的学习及焊接练习，我们初步掌握了焊接的要求，但是技术还不够纯熟，但是经过此次活动我们锻炼了动手能力。

总体来说，此次设计很成功，达到了预期设计要求。不仅学到了许多课本上学不到的知识，提高了自己动手动脑的能力，丰富了创新和创造的思维。有点缺憾的是时间有限，不能进一步深入和扩散学习研究。希望有时间我们再向物理电子学院的同学学习，虽然有些许不足之处，希望老师多多批评指正。

作品设计结束了，单片机和DSP的学习仍在继续。从这次的设计中，我们真正的意识到，在以后的学习中，在理论联系实际，把我们所学的理论知识用

到实际当中，实践是检验真理的唯一标准。我们电气专业在日常学习中动手操作能力要求要很高，理论知识的学习还远远不够应用，所以动手能力的提高是必备的。在今后的人生中，不断对自己所学的知识进行更新，进行补充。