【正文】 本科畢業(yè)論文（設(shè)計 ) 題目： 4*4*4三維立體 LED光立方的設(shè)計 學(xué)院： 物理與電子科學(xué)學(xué)院 班級： 11級物理四班 姓名： 指導(dǎo)教師： 職稱： 副教授 完成日期： 2021 年 5 月 21 日 光立方的設(shè)計 摘 要： 本文采用 4*4*4 的模式 做出一個三維立體顯示圖案的 LED 光立方。采用的主控制芯片為 STC12C5A60S2 芯片，通過 C 語言編程，使其光立方進(jìn)行不同圖像的閃爍， LED 燈相比較于發(fā)光二極管，更能吸引人們的目光，達(dá)到視覺效果。 LED 的發(fā)展對未來有及其重要的影響。 關(guān)鍵字 ： LED 光立方； STC12C5A60S2 The design of Light Cube Abstract:In this paper, a 4*4*4 model is used to make a LED light cube of the pattern.. Used as main control chip for STC12C5A60S2 chip, through the C programming language the different images flash, LED lamp light cube pared in lightemitting diodes, attract people39。s eyes, to achieve the visual effect. The development of LED and its important influence on the future. Keywords: LED Light Cube。 STC12C5A60S2 目 錄 ..........................................................(1) 背景與意義 ...............................................(1) 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 ...........................................(1) 國外研究現(xiàn)狀 ..........................................(1) 國 內(nèi) 研究現(xiàn)狀 ..........................................(2) 設(shè)計的總體要求和方案選擇 .................................(2) 設(shè)計說明書的結(jié)構(gòu)安排 .....................................(3) ..................................................(3) STC12C5A60S2............................................................................................(3) ......................................................(4) ..........................................................(6) ........................................................(7) ......................................................(8) ..........................................................(9) ..........................................................(21) 1 光立方的設(shè)計 人們的生活水平不斷提高，人們對 3D 立體效果的渴望，對視覺的追求讓人不斷努力，以期達(dá)到無比寬松舒適的美感。 3D 技術(shù)在未來一定會被大量使用。當(dāng)3D 打印技術(shù)這一還處在萌芽階 段的技術(shù)就已經(jīng)在世界掀起了巨大波瀾。就現(xiàn)有來看 3D 技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于各行各業(yè)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展， 3D 技術(shù)的成本也會越來越低，相信不久 3D 電視也會像液晶電視一樣走入普通家庭。 3D 技術(shù)在未來還可以應(yīng)用于學(xué)校，醫(yī)，地下礦井，航天航空等領(lǐng)域。以現(xiàn)在的角度看， 3D 還未夠大量進(jìn)入人們的生活中，這也就啟迪了人們對于 3D 的創(chuàng)作。因此，對發(fā)光二極管進(jìn)行使用，作出不同的花樣，讓未來獲得 3D 技術(shù)的成果。 光立方 在 2021 年 10 月在天安門廣場的慶典上首次亮相 ,這次慶典中的光立方是有創(chuàng)新意義的三大法寶之首 ,從那次以后 ,一個全新的叫 法“光立方” ,成了全世界人民的關(guān)注目標(biāo)。國慶聯(lián)歡晚會三樣法寶 ,光立方是最突出的 ,“光立方”在宏觀特征上 ,融合了北京奧運(yùn)會開幕式“擊缶而歌”和“活字印刷”的形式 ,而各種圖案則與貫穿奧運(yùn)會開幕式的“畫卷”有相似之處?！肮饬⒎健笨梢愿鶕?jù)不同的曲目的不同內(nèi)容 ,變化成不同的圖案 ,具有非常漂亮的視覺感受。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國外研究現(xiàn)狀 在信息大爆炸的時代中，對硬件設(shè)備的需求更嚴(yán)格。大屏幕設(shè)備已經(jīng)從公共信息展示等商業(yè)應(yīng)用走向消費(fèi)類多媒體應(yīng)用，例如，智能大屏手機(jī)，平板電腦等等。由于寬帶網(wǎng)絡(luò) 的迅猛發(fā)展，數(shù)字化的多媒體內(nèi)容將在信息世界中成為主導(dǎo)地位，新一代的大屏幕顯示裝置將代替?zhèn)鹘y(tǒng)媒體成為人們享受信息和多媒體內(nèi)容的中心。相較于傳統(tǒng)社會媒體，對 LED 大屏幕顯示技術(shù)追逐成為眾人眼中的寵兒。 LED顯示屏一般分為圖文顯示屏和視頻顯示屏，全部由 LED 矩陣塊組成。動態(tài)圖文顯示屏能夠和計算機(jī)一起顯示字符、文本信息和圖形；視屏屏幕通過智能型電腦進(jìn)行控制，文字和圖片一起呈現(xiàn)，以時刻、步調(diào)一致、直接的，明白的媒體手段傳遞各類消息。不僅可以用于房屋內(nèi)部裝修，同時還可以用于大自然條件下的信息傳播，比照相機(jī)、電視墻、液 晶顯示屏更加優(yōu)越，方便，讓人欣賞。而且顯示 2 的畫面色感強(qiáng)，立體效果強(qiáng)，靜止的圖像就如油畫一般，動態(tài)圖像就像電影，大量用于各個場所。隨著信息的快速流通，人們對 LED 屏幕不斷探究的認(rèn)識，它的使用進(jìn)入人們的生活。 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 （ 1）我國 LED 生意發(fā)展情形 目前國內(nèi)主要 LED 廣告大屏幕制造廠商主要集中在繁華的地方以及沿海城市，而大型制造商的活動空間卻遍布整個國內(nèi)市場。由于中國處在崛起過程中，國產(chǎn)LED 廣告大屏幕的成本低，市場份額接近百分之九十。我國的 LED 顯示屏產(chǎn)業(yè)通過近年的發(fā)展，相對形成了 部分具有一定規(guī)模的優(yōu)質(zhì)企業(yè)。我國 LED 顯示屏產(chǎn)業(yè)在商業(yè)化的同時，制作工藝不斷創(chuàng)新，使其躋身在相對前列的位置。 LED 顯示屏產(chǎn)業(yè)正在成為我國科學(xué)技術(shù)發(fā)展的領(lǐng)頭部分，也是成為平板顯示方向唯一立穩(wěn)腳跟的在國內(nèi)形成的技術(shù)手段。 （ 2） LED 顯示屏的發(fā)展趨勢 2021年以后的制作工藝將是平板制作的時代。原材料的商品化，使基于單片機(jī)的 LED 光立方的設(shè)計全彩色制作產(chǎn)品原材料價格下降，使用率提高。 LED 產(chǎn)品工藝的提高，使全彩色顯示屏的色值、亮光、白平衡達(dá)到人們想要的目的，已經(jīng)可以達(dá)到戶外全天候的大自然條件下的需求，于此同 時，由于全彩色屏幕價格性能比的優(yōu)越性，不久將來的可預(yù)料中，彩屏的 LED 3D 屏幕在戶外廣告媒體中會逐步取代傳統(tǒng)的媒體及傳播方式等產(chǎn)品，大型場地的展覽方面全彩色 LED 3D 屏幕作為第一首選屏幕。全彩色 LED 3D 屏幕的使用會是 LED 3D 屏幕產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個新的突破點(diǎn)。未來 LED 3D 顯示屏?xí)蛑虡I(yè)化、智能化、集成化的戰(zhàn)略目標(biāo)進(jìn)展。 設(shè)計的總體要求和方案選擇 本文做成了一個立體的能發(fā)光二極管三維物品，可以利用程序編寫來完成對任意一個發(fā)光二級管的亮滅操作，完成對各種方案變化的現(xiàn)實(shí)。為了獲得人們的目光，必須是圖案不停變換。最簡單的圖案形式是靜態(tài)圖案。與靜態(tài)圖案不同的是各式各樣的動態(tài)變化圖案，它們所顯示的圖案都是能夠任意變化的。按照圖像運(yùn)動的方式又可以分成平動、閃爍、翻轉(zhuǎn)、縮放等多種變化形式。想要獲得不同圖案的方法，并不非要重頭開始編寫程序用來控制數(shù)據(jù)，能夠使用相應(yīng)的算法從開始的原始數(shù)據(jù)直接生成。這樣程序書寫就不會顯得繁瑣和重復(fù)，并且對核心控制器的內(nèi)存空間沒有過高的要求。 3 利用單片機(jī)控制 LED 點(diǎn)陣顯示的原理，運(yùn)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析，知道該系統(tǒng)該具有何種功能，有哪些模塊，各個模塊如何連接，以及怎樣組合電路是 最合理最簡單的，這些便是硬件部分的設(shè)計。有了硬件電路部分，我們必須的有相對應(yīng)軟件數(shù)據(jù)部分，然后通過仿真軟件對程序進(jìn)行測試和修改。電路系統(tǒng)制作完畢后，測試整個的系統(tǒng)部分的性能，檢查各個功能是否能正常運(yùn)行 ,并 通過 實(shí)驗結(jié)果 發(fā)現(xiàn) 程序中的錯誤， 修改 這些錯誤 一直到 測試成功 達(dá)到 設(shè)計要求。 設(shè)計說明書的結(jié)構(gòu)安排 （ 1）初步整體方案的論證和選擇 找到有用的材料，并仿照現(xiàn)在常用的設(shè)計思想和設(shè)計方法選擇幾套設(shè)計方案進(jìn)行數(shù)據(jù)對比和方法比較。最終選定了以 STC12C5A60S2為主要的控制芯片，同時利用單片機(jī)的 光立方的設(shè)計 I/O 擴(kuò)展電路和層驅(qū)動電路來選定方案并且滿足設(shè)計目的。 （ 2）方案實(shí)現(xiàn) 以設(shè)計目的為指導(dǎo)思想挑出合適的物件來完成想法，選擇物件時要從功能和電氣特征兩方面來選擇和論證。確定以 51單片機(jī)為主要原件，由八 D 邊沿觸發(fā)器（三態(tài)）擴(kuò)展 I/O 口輸出，用 5V 充電器作為電源來驅(qū)動。 （ 3）軟件編寫 根據(jù)硬件特點(diǎn)和設(shè)計要求，用 C 語言來編寫軟件程序。程序按照功能可以分成靜態(tài)部分、動態(tài)部分、通信等幾個功能上相對獨(dú)立的模塊。然后按照所劃分的部分逐個編寫程序，最后將獨(dú)立的部分整合起來。 （ 4）驗證與測試 測試 分為三個部分，硬件測試、軟件測試和系統(tǒng)聯(lián)合測試幾步來進(jìn)行。在硬件測試中發(fā)現(xiàn)有單片機(jī)端口驅(qū)動能力有問題、驅(qū)動電路工作可能不穩(wěn)、 LED 不能正常發(fā)光等問題。在軟件測試中出現(xiàn)程序銜接工作不協(xié)測等問題。通過分析，判斷，思考，找到出現(xiàn)錯誤的原因并努力修正。 （ 5）結(jié)論 設(shè)計的作品制作成功后對設(shè)計中碰到的錯誤、經(jīng)驗問題和自己產(chǎn)生的靈感進(jìn)行 總結(jié)分析。 STC12C5A60S2 STC12C5A60S2/AD/PWM一類型單片機(jī)由宏晶科技制作的的單時鐘 /機(jī)器周期 (1T)的單片機(jī)，是高 速 /低功耗 /極強(qiáng)抗干擾的增強(qiáng)型 8051 單片機(jī)，指令代 4 碼能夠完全兼容普通的 8051,但它的速度快 812 倍。內(nèi)空間能夠集成 MAX810專用復(fù)位電路 ,2 路 PWM,8 路高速 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換 (250K/S),針對電機(jī)控制，作為強(qiáng)干擾場合。 1) 新一代的 8051 CPU， 1T，單時鐘 /機(jī)器周期，指令代碼能夠全部兼容原來的8051 2) 工作時的電壓： STC12C5A60S2 系列工作電壓： （ 5V 單片機(jī)） 3) 工作時的頻率： 0 35MHz，是傳統(tǒng)的 8051 的 0～ 420MHz 4) 應(yīng)用程序空間 8K /16K / 20K / 32K / 40K / 48K / 52K / 60K / 62K 字節(jié) 5) 片上集成 1280 字節(jié) RAM 6) 外部中斷 I/O 口 7 路 ,普通的下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷 ,同時能夠支持上升沿中斷的 PCA 模塊 ,Power Down 模式可由外部中斷喚醒 ,INT0/, INT1/,T0/,T1/,RxD/,CCP0/, CCP1/ 。 7) A/D 轉(zhuǎn)換 , 擁有 10 位精度 ADC，共 8 路，轉(zhuǎn)換可達(dá) 250K/S(每秒鐘 25 萬次 ) 8