【正文】 ...................... 29 參考文獻 ............................................................................................................................. 30 致謝 ..................................................................................................................................... 31 附錄 ..................................................................................................................................... 32 4 4 1 前言 背景與意義 技術和藝術往往相衍相生，相互激發(fā)，伴隨著人類的歷史技術與藝術不斷發(fā)展。在計算機的世界里不僅僅只有 0 和 1，伴隨計算機技術衍生出的藝術也各種各樣，花式百出，如“機器人藝術”、“動畫藝術”、“交互藝術”等，使技術的美學上了一個新的臺階。在建國 60 周年的晚會上向人 們展示了一種新的技術美學載體 “光立方”，光立方的出現(xiàn)使人們眼前一亮，成為了當天晚上最亮眼的主角，帶給人們的那種震撼和享受都是回憶里難以磨滅的。光立方作為一種新鮮事物用光學的美給藝術界帶來了新鮮血液，“光立方”給與了光藝術的表現(xiàn)形式，光立方帶給世界的不僅僅是美學上的創(chuàng)新，它帶給我們的還有技術上的創(chuàng)新，如何通過技術給與人們更好的生活體驗也是我們應該思考的。 如何看待“光立方” 在現(xiàn)實生活中， 許多方面都體現(xiàn)著計算機控制的 LED 產品技術的影子，至少包括以下三個領域： LED 在城市照明和景觀裝飾的應用 路邊的景觀樹和路燈，大型廣場的裝飾類模型等等； LED 在信息傳播方面的應用 城市廣場巨型 LED 顯示屏，廣告牌，商店招牌，人們時時刻刻都通過它獲得訊息； LED 在藝術類的應用 —— 現(xiàn)在人們的生活非常豐富，在音樂會、綜合文藝演出、舞蹈等藝術活動所需要的道具、背景等也都離不開 LED 的影子。聽起來 LED 光技術本身似乎我們生活中的審美不相及，但是我們親身的體驗告訴我們：在我們的生活的方方面面 LED 技術毫無例外地滲透了進來并且給我們的生活帶來了豐富的內涵，他們不僅呈現(xiàn)出美輪美奐、瞬息萬變的感性外觀形象，而且能夠帶給人們 從未感受過的如此貼切、近在咫尺的 3D 體驗?？梢哉f“光立方”就是人們天生的對于美好的追求，它是可說是一門藝術形態(tài)，帶給人們發(fā)自內心的對于美的向往，這種新鮮的科技美學又為我們的絢麗多彩的世界畫上了濃重一筆。 LED 顯示的發(fā)展與研究 伴隨著網(wǎng)絡時代和數(shù)字世界的潮流 LED顯示屏在信息化的世界里已經是不可替代的，如今幾乎每個城市的大型場合里都會有一塊大的 LED 顯示屏，無論你走到廣場、商場、車站、電影院 LED 時時刻刻向人們提供著各種需求的信息 [4]。與以往的顯示設備不同之處在于， LED 燈相當于 LED 顯 示屏一個一個的像素，并且在與計算機連接時計算機顯示的內容和 LED 顯示屏現(xiàn)實的內容是同時的，主要優(yōu)點在于一個微型計算機 5 5 即可以進行控制，可以說在信息傳播方面不遜于任何的顯示裝置， LED 不僅能夠實現(xiàn)二維顯示而且還能實現(xiàn) 3D 顯示，這對于人們來說是一種新的視覺體驗，使人們的生活更加的多彩多姿、充滿新奇。隨著人們對 LED 不斷地探究與發(fā)掘， LED 顯示屏將會朝著更加適合全天候的方向發(fā)展，在顯示方面也將會給以人們更加清晰舒適的方向發(fā)展。 現(xiàn)如今這個基礎材料產業(yè)化的時代， LED 顯示屏的制作成本不斷下降，在基于微處理器的 控制系統(tǒng)下發(fā)展迅速，這使得 LED 產業(yè)蒸蒸日上，同時 LED 的產品性能在顯示亮度、色彩、白平衡均有一個比較理想的效果 LED 發(fā)展給我們帶來的機遇 LED 作為一種高新技術產業(yè)，無疑是各個技術領域想要涉足的產業(yè)，隨著近幾年我國的發(fā)展， LED 顯示技術在中國取得了先進的技術成果，涌現(xiàn)了一批具有領先水平的企業(yè)，伴隨著社會的不斷進步 LED 的需求不斷加大，同時這方面的技術人才也將會是各個企業(yè)一個競相競爭的領域，電子信息化的時代 LED 顯示技術是不可或缺的，這方面給我們個人和國家的基于也是勢在必得的。 設 計的總體要求 本課題主要是光立方的控制和驅動電路的設計，這需要弄懂 LED 發(fā)光二極管的工作原理、技術，理解 LED 發(fā)光二極管的驅動原理、技術和實現(xiàn)方法，明確應采用的主要技術手段，給出實現(xiàn)功能需要的基本結構單元。應用 LED 二極管構成光立方顯示模塊，設計發(fā)光管的分頁方法、微處理器的連接方式。主要完成微處理器口線分配、驅動地址分配、地址線擴展電路、驅動電路等單元電路的設計，先使用 protues 測試基本的設計是否滿足自己的設想，通過仿真來表現(xiàn)基本顯示內容，能基本實現(xiàn)小容量光立方矩陣的控制和驅動，并分析在矩陣容量 增加時應采取的較有效的擴展方式，實現(xiàn)主要設計功能的驗證。 本課題制作了一個由 LED 制作的立方體， 主控芯片選用 60K STC12C5A60S2，外接時鐘驅動信號電路；并且使用 的外部晶振；采用單片機燒錄程序控制LED 的亮滅進行動畫的演示。 本論文的基本內容 第二章主要對如何實現(xiàn)光立方的功能進行理論分析，同時詳細描述光立方功能的基本原理與方法。 第三章介紹電路的設計的思路，對各個模塊進行詳細的說明，介紹各個芯片的特點以及引腳功能，并且對芯片的進行論述與選擇。 6 6 四章主要是詳細說明焊接光立方的具體步驟以及焊接過程中出現(xiàn)的現(xiàn)象及原因，以及控制驅動模塊焊接的注意事項。 第五章是對調試過程中出現(xiàn)的錯誤和問題以及解決辦法進行闡述。 第六章主要是對仿真進行闡述，詳細介紹仿真的連接方法以及仿真對本設計的重要性。 7 7 2 3DLED 顯示屏的基本構想 本設計制作一個 8*8*8 的光立方，一共包含 512 個 LED 燈，其結構為 8 層 64 束或 8 面 64 束（規(guī)定橫向為層縱向為面）。 圖 光立方層面概念圖 如何實現(xiàn)光立方控制 整個顯示過程通過掃描方式控制 LED 燈，通過控制小燈的亮滅然后再利用人眼的視覺暫留效應和分辨能力把整個程序的動畫效果呈現(xiàn)出來。 我們知道一個平面是二維度的，一條線是一維度的，那么光立方這個三維空間就可以分解為一個二維度和一個一維度組成的空間，二維 度就是上圖所示的層，一維度就是那一條豎虛線，如果想要控制其中一個小燈那么就可以通過控制這個小燈所在的一層和所在一束來實現(xiàn)。 我們假設圖中的層上的線的交點為平面上的小燈那么如果想要控制第 8 層的某一個小燈就要讓這個小燈所在的二維度和一維度共同作用來定位這個想要控制的小燈。這就是本方案的基本實現(xiàn)原理。 圖 豎層交點 本方案采用了層共陰束共陽，也就是每一層的 LED 燈的陰極是連接在一起的，每一束的陽極是連接在一起的。采用層共陰束共陽的原因是比較容易控制燈體，也有利于電路設計和便于系統(tǒng)的焊接，而且考慮到所使用驅動芯片 ULN2803 的灌電流特性此設計也非常適用。 8 8 單片機 I/O 口分配以及編程如何實現(xiàn) 本光立方 由單片機控制，要想實現(xiàn)光立方的控制就要從光立方的結構出發(fā)，合理的分配單片機輸入輸出口，從而對每一層每一束每一個小燈進行自由的控制，本設計對單片機輸入輸出口的分配如下： P0 口： P0 口連接鎖存器 74HC573 的輸入端， 74HC573 的輸出端連接光立方束，然后通過單片機 P0 口發(fā)送信號到 74HC573 來實現(xiàn)對每一束亮滅的控制，一片 74HC573控制一面，一共八面八片。如下圖為一面 LED 燈的連接圖。 圖 連接圖 P1 口：單片機的 P1 口和 ULN2803 的 8 個輸入引腳相連，光立方的每一層都分別和ULN2803 的 8 個輸出引腳相連，在實現(xiàn)每一層的控制時由單片機的 P1 口發(fā)送信號到ULN2803 然后再通過 ULN2803 的 8 個輸出引腳來控制每一層。下圖為一層的連接圖其中右邊的結點連接 ULN2803 的一個引腳。 圖 光立方層連接圖 9 9 P2 口： P2 口連接 74HC573 的使能端（ LE 端），通過 P2 口控制 8 片 74HC573 的工作，從而實現(xiàn) 64 束 LED 燈的控制。 單片機最主要的輸入輸出口分配不同設計方案就不同，程序的編寫就要有所變動，所以說提前了解接口分配對于程序的編寫十分重要。 在了解了控制原理和接口分配后就可以通過程序送達的信號合理的調配芯片工作來實現(xiàn)想要的效果。 例如只要求讓下圖圓圈所示的黃色 LED小燈唯一亮起 (其中橫向箭頭表示層引腳，豎向箭頭表示控制這一面的芯片 )，只要讓 ULN2803 控制第二層的引腳為低電平其他引腳為高阻態(tài)，即 P1 送入 0x00000010，控制第二面的 74HC573 的 LE 端打開使其工作，其他的 LE 端關使其不工作， P2 送入 0x00000010，同時使第二片 74HC573 控制這一束的引腳置為高，假設為第一束那么 P0 送入 0x00000001，這時因為其他的74HC573 是不工作的所以與這個小燈同一行的燈是不會亮的，這就實現(xiàn)了只點亮這個小燈。 圖 演示圖 uln2803 的 1 引腳 uln2803 的 2 引腳 uln2803 的 3 引腳 573 （ 1） 573 （ 2） 573（ 3） 10 10 3 系統(tǒng)架構以及模塊論述 整個光立方系統(tǒng)的核心就是單片機，如果沒有單片機那么光立方就是一個會發(fā)光的鏤空燈泡，單片機的作用就是協(xié)調各個芯片有條理的工作，他把信號傳到每個芯片，每個芯片再把信號送達 LED，如此通過上級控制下級來實現(xiàn)整個動畫效果，可以說單片機使光立方擁有了生命力。那么如何選擇合適的單片機將會是決定整個系統(tǒng)顯示效果的關鍵問題。 圖 系統(tǒng)結構框圖 . 控制模 塊 本設計控制模塊的核心為單片機，下面將詳細介紹單片機。 單片微型計算機（ Single Chip Microputer）簡稱單片機 [2]。是一種微控制器，并非用來完成某一個邏輯功能，它主要包括： （ 1）中央處理單元 （ 2）存儲單元 （ 3）定時器與計數(shù)器 （ 4）各種 I/O（輸入輸出）口接口等 這幾個部分集成在一塊集成電路芯片上構成單片機，最大特點是占用空間小，內部 ROM 小，功能不強，輸入輸出簡單，發(fā)展極快。經過長期快速的發(fā)展單片機已經擁有一個龐大的家族，從通信到交通 存在我們生活的方方面面，為我們的生活質量的ULN2803 芯片 驅 動 芯片 電源 STC12C5A60S2 單片機 顯示電路 11 11 提高帶來了巨大的貢獻?，F(xiàn)在單片機從最早的 8080 到現(xiàn)在最先進的 ARM，單片機已經走過了很長的一段路，而 51 系列到現(xiàn)在還廣泛使用，本課題就是應用STC12C5A60S2。 高速、低功耗的 STC12C5A60S2 單片機與普通 51 單片機的程序代碼完全兼容，速度是 8051 的 812 倍，并且可以進行串口編寫燒錄功能；關于時鐘電路，使用了12MHZ 的石英晶振。主要的特性在于他可以存儲比較大的程序，具備 FLASH 工藝。 單片機最小系統(tǒng) 單片機最小系統(tǒng)組成部分 有： （ 1）晶振 （ 2）復位電路 （ 3）電源 （ 4）輸入 /輸出設備 四個部分組成，最小系統(tǒng)是單片機用來實現(xiàn)控制的基礎，如果把單片機比作大腦那么最小系統(tǒng)就是整個身體，整個光立方就是這個身體控制的機器，通過各個部分的協(xié)調合作來調度整個大系統(tǒng)的工作實現(xiàn)各個功能。 圖 最小系統(tǒng)框圖 復位電路 STC12C5A60S2 電源 輸入輸出設備 時鐘電路 12 12 圖 單片機最小系統(tǒng) （ 1）時鐘電路： 在單片機內部是有自己的時鐘電路的，內部的時鐘電路是由單片機上的 XTAL1 和 XTAL2 控制的，他們都是獨立的反向放大器，可以使用石英晶振的片內振蕩器。時鐘電路用于產生必要的控制型號。其中前者是反相電路的輸入后者為輸出。 13 13 圖 內部時鐘電路 外部時鐘：即在單片機外部外設一個外部振蕩器接入 XTAL2，同時讓 XTAL1 接地，可以 檢測 XTAL2 是否有波形， XATL1 與 X