【正文】 ...................... 29 參考文獻(xiàn) ............................................................................................................................. 30 致謝 ..................................................................................................................................... 31 附錄 ..................................................................................................................................... 32 4 4 1 前言 背景與意義 技術(shù)和藝術(shù)往往相衍相生，相互激發(fā)，伴隨著人類的歷史技術(shù)與藝術(shù)不斷發(fā)展。在計(jì)算機(jī)的世界里不僅僅只有 0 和 1，伴隨計(jì)算機(jī)技術(shù)衍生出的藝術(shù)也各種各樣，花式百出，如“機(jī)器人藝術(shù)”、“動(dòng)畫藝術(shù)”、“交互藝術(shù)”等，使技術(shù)的美學(xué)上了一個(gè)新的臺(tái)階。在建國(guó) 60 周年的晚會(huì)上向人 們展示了一種新的技術(shù)美學(xué)載體 “光立方”，光立方的出現(xiàn)使人們眼前一亮，成為了當(dāng)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(xué)的美給藝術(shù)界帶來(lái)了新鮮血液，“光立方”給與了光藝術(shù)的表現(xiàn)形式，光立方帶給世界的不僅僅是美學(xué)上的創(chuàng)新，它帶給我們的還有技術(shù)上的創(chuàng)新，如何通過(guò)技術(shù)給與人們更好的生活體驗(yàn)也是我們應(yīng)該思考的。 如何看待“光立方” 在現(xiàn)實(shí)生活中， 許多方面都體現(xiàn)著計(jì)算機(jī)控制的 LED 產(chǎn)品技術(shù)的影子，至少包括以下三個(gè)領(lǐng)域： LED 在城市照明和景觀裝飾的應(yīng)用 路邊的景觀樹(shù)和路燈，大型廣場(chǎng)的裝飾類模型等等； LED 在信息傳播方面的應(yīng)用 城市廣場(chǎng)巨型 LED 顯示屏，廣告牌，商店招牌，人們時(shí)時(shí)刻刻都通過(guò)它獲得訊息； LED 在藝術(shù)類的應(yīng)用 —— 現(xiàn)在人們的生活非常豐富，在音樂(lè)會(huì)、綜合文藝演出、舞蹈等藝術(shù)活動(dòng)所需要的道具、背景等也都離不開(kāi) LED 的影子。聽(tīng)起來(lái) LED 光技術(shù)本身似乎我們生活中的審美不相及，但是我們親身的體驗(yàn)告訴我們：在我們的生活的方方面面 LED 技術(shù)毫無(wú)例外地滲透了進(jìn)來(lái)并且給我們的生活帶來(lái)了豐富的內(nèi)涵，他們不僅呈現(xiàn)出美輪美奐、瞬息萬(wàn)變的感性外觀形象，而且能夠帶給人們 從未感受過(guò)的如此貼切、近在咫尺的 3D 體驗(yàn)?？梢哉f(shuō)“光立方”就是人們天生的對(duì)于美好的追求，它是可說(shuō)是一門藝術(shù)形態(tài)，帶給人們發(fā)自內(nèi)心的對(duì)于美的向往，這種新鮮的科技美學(xué)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(luò)時(shí)代和數(shù)字世界的潮流 LED顯示屏在信息化的世界里已經(jīng)是不可替代的，如今幾乎每個(gè)城市的大型場(chǎng)合里都會(huì)有一塊大的 LED 顯示屏，無(wú)論你走到廣場(chǎng)、商場(chǎng)、車站、電影院 LED 時(shí)時(shí)刻刻向人們提供著各種需求的信息 [4]。與以往的顯示設(shè)備不同之處在于， LED 燈相當(dāng)于 LED 顯 示屏一個(gè)一個(gè)的像素，并且在與計(jì)算機(jī)連接時(shí)計(jì)算機(jī)顯示的內(nèi)容和 LED 顯示屏現(xiàn)實(shí)的內(nèi)容是同時(shí)的，主要優(yōu)點(diǎn)在于一個(gè)微型計(jì)算機(jī) 5 5 即可以進(jìn)行控制，可以說(shuō)在信息傳播方面不遜于任何的顯示裝置， LED 不僅能夠?qū)崿F(xiàn)二維顯示而且還能實(shí)現(xiàn) 3D 顯示，這對(duì)于人們來(lái)說(shuō)是一種新的視覺(jué)體驗(yàn)，使人們的生活更加的多彩多姿、充滿新奇。隨著人們對(duì) LED 不斷地探究與發(fā)掘， LED 顯示屏將會(huì)朝著更加適合全天候的方向發(fā)展，在顯示方面也將會(huì)給以人們更加清晰舒適的方向發(fā)展。 現(xiàn)如今這個(gè)基礎(chǔ)材料產(chǎn)業(yè)化的時(shí)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(chǎn)業(yè)蒸蒸日上，同時(shí) LED 的產(chǎn)品性能在顯示亮度、色彩、白平衡均有一個(gè)比較理想的效果 LED 發(fā)展給我們帶來(lái)的機(jī)遇 LED 作為一種高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，無(wú)疑是各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域想要涉足的產(chǎn)業(yè)，隨著近幾年我國(guó)的發(fā)展， LED 顯示技術(shù)在中國(guó)取得了先進(jìn)的技術(shù)成果，涌現(xiàn)了一批具有領(lǐng)先水平的企業(yè)，伴隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步 LED 的需求不斷加大，同時(shí)這方面的技術(shù)人才也將會(huì)是各個(gè)企業(yè)一個(gè)競(jìng)相競(jìng)爭(zhēng)的領(lǐng)域，電子信息化的時(shí)代 LED 顯示技術(shù)是不可或缺的，這方面給我們個(gè)人和國(guó)家的基于也是勢(shì)在必得的。 設(shè) 計(jì)的總體要求 本課題主要是光立方的控制和驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，這需要弄懂 LED 發(fā)光二極管的工作原理、技術(shù)，理解 LED 發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)原理、技術(shù)和實(shí)現(xiàn)方法，明確應(yīng)采用的主要技術(shù)手段，給出實(shí)現(xiàn)功能需要的基本結(jié)構(gòu)單元。應(yīng)用 LED 二極管構(gòu)成光立方顯示模塊，設(shè)計(jì)發(fā)光管的分頁(yè)方法、微處理器的連接方式。主要完成微處理器口線分配、驅(qū)動(dòng)地址分配、地址線擴(kuò)展電路、驅(qū)動(dòng)電路等單元電路的設(shè)計(jì)，先使用 protues 測(cè)試基本的設(shè)計(jì)是否滿足自己的設(shè)想，通過(guò)仿真來(lái)表現(xiàn)基本顯示內(nèi)容，能基本實(shí)現(xiàn)小容量光立方矩陣的控制和驅(qū)動(dòng)，并分析在矩陣容量 增加時(shí)應(yīng)采取的較有效的擴(kuò)展方式，實(shí)現(xiàn)主要設(shè)計(jì)功能的驗(yàn)證。 本課題制作了一個(gè)由 LED 制作的立方體， 主控芯片選用 60K STC12C5A60S2，外接時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)信號(hào)電路；并且使用 的外部晶振；采用單片機(jī)燒錄程序控制LED 的亮滅進(jìn)行動(dòng)畫的演示。 本論文的基本內(nèi)容 第二章主要對(duì)如何實(shí)現(xiàn)光立方的功能進(jìn)行理論分析，同時(shí)詳細(xì)描述光立方功能的基本原理與方法。 第三章介紹電路的設(shè)計(jì)的思路，對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明，介紹各個(gè)芯片的特點(diǎn)以及引腳功能，并且對(duì)芯片的進(jìn)行論述與選擇。 6 6 四章主要是詳細(xì)說(shuō)明焊接光立方的具體步驟以及焊接過(guò)程中出現(xiàn)的現(xiàn)象及原因，以及控制驅(qū)動(dòng)模塊焊接的注意事項(xiàng)。 第五章是對(duì)調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤和問(wèn)題以及解決辦法進(jìn)行闡述。 第六章主要是對(duì)仿真進(jìn)行闡述，詳細(xì)介紹仿真的連接方法以及仿真對(duì)本設(shè)計(jì)的重要性。 7 7 2 3DLED 顯示屏的基本構(gòu)想 本設(shè)計(jì)制作一個(gè) 8*8*8 的光立方，一共包含 512 個(gè) LED 燈，其結(jié)構(gòu)為 8 層 64 束或 8 面 64 束（規(guī)定橫向?yàn)閷涌v向?yàn)槊妫? 圖 光立方層面概念圖 如何實(shí)現(xiàn)光立方控制 整個(gè)顯示過(guò)程通過(guò)掃描方式控制 LED 燈，通過(guò)控制小燈的亮滅然后再利用人眼的視覺(jué)暫留效應(yīng)和分辨能力把整個(gè)程序的動(dòng)畫效果呈現(xiàn)出來(lái)。 我們知道一個(gè)平面是二維度的，一條線是一維度的，那么光立方這個(gè)三維空間就可以分解為一個(gè)二維度和一個(gè)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(gè)小燈那么就可以通過(guò)控制這個(gè)小燈所在的一層和所在一束來(lái)實(shí)現(xiàn)。 我們假設(shè)圖中的層上的線的交點(diǎn)為平面上的小燈那么如果想要控制第 8 層的某一個(gè)小燈就要讓這個(gè)小燈所在的二維度和一維度共同作用來(lái)定位這個(gè)想要控制的小燈。這就是本方案的基本實(shí)現(xiàn)原理。 圖 豎層交點(diǎn) 本方案采用了層共陰束共陽(yáng)，也就是每一層的 LED 燈的陰極是連接在一起的，每一束的陽(yáng)極是連接在一起的。采用層共陰束共陽(yáng)的原因是比較容易控制燈體，也有利于電路設(shè)計(jì)和便于系統(tǒng)的焊接，而且考慮到所使用驅(qū)動(dòng)芯片 ULN2803 的灌電流特性此設(shè)計(jì)也非常適用。 8 8 單片機(jī) I/O 口分配以及編程如何實(shí)現(xiàn) 本光立方 由單片機(jī)控制，要想實(shí)現(xiàn)光立方的控制就要從光立方的結(jié)構(gòu)出發(fā)，合理的分配單片機(jī)輸入輸出口，從而對(duì)每一層每一束每一個(gè)小燈進(jìn)行自由的控制，本設(shè)計(jì)對(duì)單片機(jī)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(guò)單片機(jī) P0 口發(fā)送信號(hào)到 74HC573 來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)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：?jiǎn)纹瑱C(jī)的 P1 口和 ULN2803 的 8 個(gè)輸入引腳相連，光立方的每一層都分別和ULN2803 的 8 個(gè)輸出引腳相連，在實(shí)現(xiàn)每一層的控制時(shí)由單片機(jī)的 P1 口發(fā)送信號(hào)到ULN2803 然后再通過(guò) ULN2803 的 8 個(gè)輸出引腳來(lái)控制每一層。下圖為一層的連接圖其中右邊的結(jié)點(diǎn)連接 ULN2803 的一個(gè)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(guò) P2 口控制 8 片 74HC573 的工作，從而實(shí)現(xiàn) 64 束 LED 燈的控制。 單片機(jī)最主要的輸入輸出口分配不同設(shè)計(jì)方案就不同，程序的編寫就要有所變動(dòng)，所以說(shuō)提前了解接口分配對(duì)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(guò)程序送達(dá)的信號(hào)合理的調(diào)配芯片工作來(lái)實(shí)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(kāi)使其工作，其他的 LE 端關(guān)使其不工作， P2 送入 0x00000010，同時(shí)使第二片 74HC573 控制這一束的引腳置為高，假設(shè)為第一束那么 P0 送入 0x00000001，這時(shí)因?yàn)槠渌?4HC573 是不工作的所以與這個(gè)小燈同一行的燈是不會(huì)亮的，這就實(shí)現(xiàn)了只點(diǎn)亮這個(gè)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(gòu)以及模塊論述 整個(gè)光立方系統(tǒng)的核心就是單片機(jī)，如果沒(méi)有單片機(jī)那么光立方就是一個(gè)會(huì)發(fā)光的鏤空燈泡，單片機(jī)的作用就是協(xié)調(diào)各個(gè)芯片有條理的工作，他把信號(hào)傳到每個(gè)芯片，每個(gè)芯片再把信號(hào)送達(dá) LED，如此通過(guò)上級(jí)控制下級(jí)來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)動(dòng)畫效果，可以說(shuō)單片機(jī)使光立方擁有了生命力。那么如何選擇合適的單片機(jī)將會(huì)是決定整個(gè)系統(tǒng)顯示效果的關(guān)鍵問(wèn)題。 圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 . 控制模 塊 本設(shè)計(jì)控制模塊的核心為單片機(jī)，下面將詳細(xì)介紹單片機(jī)。 單片微型計(jì)算機(jī)（ Single Chip Microputer）簡(jiǎn)稱單片機(jī) [2]。是一種微控制器，并非用來(lái)完成某一個(gè)邏輯功能，它主要包括： （ 1）中央處理單元 （ 2）存儲(chǔ)單元 （ 3）定時(shí)器與計(jì)數(shù)器 （ 4）各種 I/O（輸入輸出）口接口等 這幾個(gè)部分集成在一塊集成電路芯片上構(gòu)成單片機(jī)，最大特點(diǎn)是占用空間小，內(nèi)部 ROM 小，功能不強(qiáng)，輸入輸出簡(jiǎn)單，發(fā)展極快。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期快速的發(fā)展單片機(jī)已經(jīng)擁有一個(gè)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(zhì)量的ULN2803 芯片 驅(qū) 動(dòng) 芯片 電源 STC12C5A60S2 單片機(jī) 顯示電路 11 11 提高帶來(lái)了巨大的貢獻(xiàn)?，F(xiàn)在單片機(jī)從最早的 8080 到現(xiàn)在最先進(jìn)的 ARM，單片機(jī)已經(jīng)走過(guò)了很長(zhǎng)的一段路，而 51 系列到現(xiàn)在還廣泛使用，本課題就是應(yīng)用STC12C5A60S2。 高速、低功耗的 STC12C5A60S2 單片機(jī)與普通 51 單片機(jī)的程序代碼完全兼容，速度是 8051 的 812 倍，并且可以進(jìn)行串口編寫燒錄功能；關(guān)于時(shí)鐘電路，使用了12MHZ 的石英晶振。主要的特性在于他可以存儲(chǔ)比較大的程序，具備 FLASH 工藝。 單片機(jī)最小系統(tǒng) 單片機(jī)最小系統(tǒng)組成部分 有： （ 1）晶振 （ 2）復(fù)位電路 （ 3）電源 （ 4）輸入 /輸出設(shè)備 四個(gè)部分組成，最小系統(tǒng)是單片機(jī)用來(lái)實(shí)現(xiàn)控制的基礎(chǔ)，如果把單片機(jī)比作大腦那么最小系統(tǒng)就是整個(gè)身體，整個(gè)光立方就是這個(gè)身體控制的機(jī)器，通過(guò)各個(gè)部分的協(xié)調(diào)合作來(lái)調(diào)度整個(gè)大系統(tǒng)的工作實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能。 圖 最小系統(tǒng)框圖 復(fù)位電路 STC12C5A60S2 電源 輸入輸出設(shè)備 時(shí)鐘電路 12 12 圖 單片機(jī)最小系統(tǒng) （ 1）時(shí)鐘電路： 在單片機(jī)內(nèi)部是有自己的時(shí)鐘電路的，內(nèi)部的時(shí)鐘電路是由單片機(jī)上的 XTAL1 和 XTAL2 控制的，他們都是獨(dú)立的反向放大器，可以使用石英晶振的片內(nèi)振蕩器。時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生必要的控制型號(hào)。其中前者是反相電路的輸入后者為輸出。 13 13 圖 內(nèi)部時(shí)鐘電路 外部時(shí)鐘：即在單片機(jī)外部外設(shè)一個(gè)外部振蕩器接入 XTAL2，同時(shí)讓 XTAL1 接地，可以 檢測(cè) XTAL2 是否有波形， XATL1 與 X