毕业论文-基于单片机的led光立方设计

毕业论文-基于单片机的led光立方设计内容摘要：

所示 74HC 引脚图。 八个 锁存器都是透明的 D 型锁存器，当使能（ G）为高 电平时， Q 输出将随数据（ D）输入而变。 当使能为低 电平 时，输出将锁存在已建立的数据电平上。 输出控制不影响锁存器的内部工作，即老数据可以保持，甚至当输出被关闭时，新的数据也可以置入。 特别适用于缓冲寄存器， I/O 通道，双向总线驱动器和工作寄存器。 对它的使用也比较成熟，因此在驱动部分使用了熟悉的 74HC573，其控制逻辑如图24所示。 其优点有：。 就是输出既不是高电平 ,也不是低电平 ,而是高阻抗的状态。 在这种状态下 ,可以多个芯片并联输出。 当 输入的数据消失时 ,在芯片的输出端 ,数据仍然保持。 加强驱动能力。 LE 为锁存控制端 OE 为使能端 1 脚三态允许控制端低电平有效 1D~8D 为数据输入端 1Q~8Q 为数据输出端 输入 输出 OE′ LE D Q L H H H L H L L L L X Q0 H X X Z 6 图 23 74HC573 引脚图 光立方显示电路的基本框图 LED 光立方主要用到了 STC12C5A60S2 单片机中的 P0 口、 P2 口、 P3 口 、串行输入输出端以及外接晶体引线端 XTAL1 和 XTAL2。 I/O 口分配如图 25所示。 图 25 I/O 分配图 P0 口作为数据输出端，单片机控制数据传送到 8 个 74HC573 锁存器的输入端，而8 个 74HC573 锁存器输出端分别控制一排 8 列 LED 阳极引脚。 P2 口作为数据输出端，单片机送出数据控制使能端而实现锁存器的数据输出与锁存，从而控制数据在某一时刻输出到指定某一排或某几排。 P3 口作为数据输出端，单片机内部输出控制数据传送到 ULN2803 的输入端，进而控制每 一层。 通过 ULN2803 数据没有发生任何变化，只是电流前后有很大差别，这时候电流将增大很多。 7 第三章 光立方显示部分概述 光立方的制作 光立方的原理 借鉴 LED 点阵控制原理，将光立方可以看做是 8 个 8*8 点阵屏的层叠一起。 点阵屏的显示便是光立方一层的显示，只要通过程序再次控制 8 个层，便可以实现光立方的显示， 由于人眼的视觉暂留，使我们感觉到看到的东西是一起在亮的，这样我们就可以看到一个完整图像，这是本次设计的基本原理。 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。 展示 3D 效果的超炫表现力，让人享受各种视觉上的冲击，迎合 3D 显示时代的到来。 光立方分解为 8个 8*8LED 点阵叠成 8 层，再用 8 个引脚来充当 8 个点阵的开关。 单片机 P0、 P P3 实现控制 XYZ 空间立体控制来显示特定图案。 LED 灯的选用 本次设计旨在让光立方动画显示更加绚丽多彩，因此使用 2*5*7 雾状散光扁方形磨砂 LED（红、黄、蓝三种），红和黄分别三竖排，剩余两排用蓝色 LED。 这种灯型更容易看到光点， 以获得更好的视觉效果。 额定电压范围 ~,额定电流 15~18mA,管脚长度 2729mm， 实物图如图 31所示： 8 图 31 LED 实物图 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， 8*8*8=512LED，分为 8层，每层 8列，每列 8个 LED 灯，列内共阳，层内共阴，如图 32 所示。 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。 图 32 光立方焊接示意图 第一步：水平折弯。 这个因为 LED 本身管脚上有个结，可以徒手完成。 本次设计是层内共阴，同时为 了视觉效果更好，本人将阴极管脚在水平方向折弯 90176。 ，并使之与LED 面垂直，如图 33所示。 同样的方法，将 512 个 LED 灯的阴极都水平折弯。 为了焊接的统一性，在折弯的时候尽量保持角度一致。 9 图 33 LED 水平折弯 图 34 LED 垂直折弯 第二步：垂直折弯。 可利用尖嘴钳将 LED 灯阳极管脚向外折一次再折回原来的方向，如图 34 所示。 这个弯 ,一定不要太大，正好露出 LED 外围 2mm 打弯合适， LED 的正极折弯后留下的引脚长度必须大于 LED 的间距 ,以确保有足够的重合位置以便焊接。 LED 灯上下之间焊接的时候就就会发现这一步是非常必要的。 LED 灯的焊接 为了方便焊接，自制简易模具，模具孔位间隔要提前量好，保证在管脚搭接时不要太多或者不能焊接。 然后按照单独 8竖排分别焊接，每一排 8 列，如图 35 所示。 接着将折好的 LED 灯插入一列，其阴极管脚正好搭接在一起，完成焊接如图 36 和图 37。 在这里本人发现有非常值得注意的一点，因为 LED 比较脆弱，在焊接过程中很容易因为高温而烧毁 LED 灯，对于这一点，应该尽量缩短 电烙铁接触时间。 同时为了确保每一个LED 都没有问题，在完成一层后都要检查是否可以点亮。 图 35 LED 布局示意图 10 图 36 LED 焊接图 图 37 LED 焊接图 显示部分检测 对于焊接完成的检测这一步非常重要，如果安装完成后再更换 LED 灯是非常麻烦的事。 分别焊接完 8竖排 LED 灯后，将每一竖排 LED 的都进行检查，确保每一个 LED 都可以点亮。 这里本人直接在电脑 USB 输出口引出电源。 这里值得注意一点， USB 输出电源最低 (USB 转串口 )，最高 5V 左右（本人用数字万用表测了一次是 ）。 而 LED灯压降不超过 3V，为了因电压过高烧毁 LED 灯，在测试之前我们可以选择了一个适中电阻接在电源一端。 11 (a) (b) （ c） （ d） 图 38 检测过程 接下来将电源正极接在第一列 LED 阳极 引脚，负极端依次触碰各行阴极管脚，观察并记录坏掉的 LED，如图 381 所示。 然后将电源正极接到第二列，负极端依次触碰各行阴极管脚，如图（ a）、（ b）、（ c）、（ d）用同样的方法，将 8 竖排全部检测完成。 最后将更换新的 LED 灯再检查一遍。 另外，还可以将一竖排同时点亮的方式进行检测，这样做可能会出现某些 LED 灯因电流太小无法点亮出现误判的情况。 虽然逐个点亮这样的检测方式效率很慢，但可以有效避免上述误判现象，防止后期发现给更换带来更大的不便。 在一定程度来说，这样做也是在提高工作效率。 12 图 39 LED 立方体焊接 最后将完成后的 8 个面进行组成立体焊接，其方法将之前 8 个面上同一层上阴极依次焊接一起，形成层共阴，用 8 条细导线分别连接 8 个层与 ULN2803 输出端相连。 底层留下 64 个阳极引脚与 8 个 74HC573 输出端分别焊接一起。 如图 39所示。 13 第四章 硬件设计 最小系统 单片机最小系统如图 41 所示，包括时钟电路和复位电路。 时钟电路用于产生单片机工作时必须的控制信号，单片机内部电路正是在时钟信号的控制下，严格按照时钟时序指令进行工作。 复位电路是为了单片机初始化操作准备的，同 时也是为了程序在执行过程中出现跑飞后快速重新启动。 图 41 最小系统 按键模块 图 42 系统按键 K1 为确定键。 打开电源快关后，可根据 K2 和 K3 键选择进入哪种模式，如图 42所示。 如果按下 K2 按键，进入音频频谱模式；按下 K3 按键时，呼吸灯亮，此时按下 14 K1 确定键 ,进入程序执行模式，开场动画完成后会停留“ L”字界面 ,按下 K2 显示“ E” ,两个字母分别代表模拟音频动画、自动执行模式。 功放模块 本人使用手机耳机输出音频，因其输出功率太小， 单片机在有些频段采集不到，所以使用功放将其放大。 另外外接喇叭，可以在播放音乐的同时体验动感的视觉效果。 这里我们采用专用功放芯片 LM386，这是专为低损耗电源所设计的功率放大器集成电路。 内部机构如图 43所示： 图 43 LM386 引脚图 功放原理图 透过 LM386 的 1 和 8 脚位间串联电容，增益最高可达 200，电容。 LM386 可使用电池为供应电源， 无作动时仅消耗 4mA 电流，且失真低。 功放原理图如图 44 所示，TBL2 为音频接入口。 图 44 功放电路图 在 电路设计中，前端加一个 22uF（没有严格要求）的低频滤波电容，以便滤除带外噪声。 15 呼吸指示灯 采用 555 定时芯片，外接几个电阻、电容，构成电容充放电电路，实现 LED 缓慢亮灭，形象称做呼吸灯。 本人在光立方底座四角各焊接一个 LED 灯，在接通电源时呼吸灯闪烁，如夏日里的萤火虫一闪一闪亮晶晶，作为电源指示灯，同时配合 LED 动画显示，使视觉效果趣味更佳。 原理图如图 45 所示。 图 45 呼吸灯原理图 竖排控制电路 单片机 P0 口同时输出控制 8 个 74HC573 锁存器输入端， P2 口通过给 8 个 74HC573锁存器 11 脚 LE 高低电平控制是否将数据输出， 8 个 CON8 分别代表 8 竖排 LED 灯。 通过编程控制 P0 和 P2， 从而控制数据在某一时刻输出到指定某一排或某几排。 原理图如图 46 图一 所示，具体连接电路 46 图二所示。 图一 16 图二 图 46 竖排控制电路原理图 光立方层控制电路 前面介绍到利用 74HC573 来控制光立方的每排（即每一个竖面），但如何控制每一竖面的某一层就需要用到层控制芯片 ULN2803 了， P0口输出某层数据后，控制 ULN2803芯片选通该层，即可看到该层相应的点的 LED 灯亮。 因光立方层内共阴， 单片机输出的电流信号特别小无法直接驱动大的负载，也就是不能同时驱动一层或多层 LED 灯。 ULN2803 用来功率放大的 驱动芯片 ，所以可以用ULN2803 来实现单片机与负载的连接。 单片机 P3口输出数据到 ULN2803 输入端，经过功率放大后输出控制 8 个 LED 层，这里 CON8 代表 LED 8 个共阴层 ,如图 47 图一所示，与LED 灯链接电路如图 47图二所示。 图一 17 图 47 光立方层控制电路 硬件电路焊接 本次硬件焊接直接使用万用板手工完成。 采用标准 间距 布满焊盘，可根据电路结构合理插装元器件及连线的洞洞板。 相比专业 PCB 制版，万用板具有以下优势：价格低廉、使用方便，不像 PCB 板出现电路问题时重新制版，另外比较扩展灵活。 在焊接洞洞板之前需要准备足够的细导线用于走线。 本人将硬件部分焊接分上下两层，上层分布 8 个 74HC573 和一个 ULN2803 以及 64 个 LED 阵列插孔，下层安装单片机、按键、呼吸灯模块以及 I/O 口引出排插。 每一层分正反两面，正面元件，背面走线。 图 49 主控布局 图 410 主控走 线焊接 在万用板正面安装元器件，按照原理图，合理摆放元件，同时将模块电路部分放在一起，不要太过凌乱，如图 49 所示。 尽量使整体布局美观，布线方便而且有利于在后期检查。 主控部分线路可以实现无交叉分布，所以可以直接用焊锡链接焊盘完成走线，如图 410所示。 最后在四角分别焊接一个贴片式 LED 灯，做呼吸灯，用来电源指 18 示。 图 411 74HC573 焊接 图 412 光立方组装 8 个 74HC573 锁存器分别对应 LED 灯阵列的 8 竖排，因 此在芯片安插的时候按照一定顺序摆放，如图 411所示。 细导线质地柔软，焊接后显得较为杂乱，所以焊接完成每一条走线的时候用万用表测试是否断路。 最后为防止多次检查而弄断走线，可以用热熔胶适当固定一下。 焊接完成后将上下两层用四根铜柱固定。 通过四个铜柱卡位，可以使排插和排针正好镶接在一起，这样做的好处就是方便拆卸，能够后期检查以及功能扩展，如图 41。