【正文】 目 錄1 課程設計要求及總體方案介紹 2 設計課題任務要求 2 3D LED光立方的優(yōu)越性及主要應用 2 設計課題主要原理 2 3D LED設計總體方案 32 硬件系統(tǒng)設計 5 硬件各部分電路原理介紹 5 LED燈的選擇 7 LED燈制作過程 73 軟件系統(tǒng)設計 9 3DLED主函數(shù)及主流程圖 9 控制一個面數(shù)據(jù)的函數(shù)及流程圖 10 控制八個面數(shù)據(jù)的函數(shù)及流程圖 11 圖形代碼顯示原理 124 設計調(diào)試及分析 13 硬件性能的檢測 13 程序調(diào)試 13 設計問題分析及使用說明 13 設計體會及教學建議 14結(jié)束語 15致 謝 16參考文獻 17附 錄 181 課程設計要求及總體方案介紹 設計課題任務要求（1）合理控制512個LED燈的亮和滅。（2）編程實現(xiàn)不同圖案的轉(zhuǎn)變。（3）采用不同的延時時間使LED燈圖案轉(zhuǎn)變的速度不同。 3D LED光立方的優(yōu)越性及主要應用（1）3DLED以其功耗低，壽命長，亮度高，視角大，可視距離遠等優(yōu)點而具有極為廣闊的發(fā)展前景。隨著人們生活水平的提高，3DLED逐漸應用于各行各業(yè)。人們對其的要求也越來越高，已經(jīng)不再滿足于二維平面，進而轉(zhuǎn)向三維平面。3DLED的出現(xiàn)是一個很好的契機。（2）3DLED光立體極具觀賞性，人們可以根據(jù)自己的要求，設計不同的圖案，展現(xiàn)不同的立體效果?？梢哉f它是變幻無窮的。因其極大地觀賞性，使人們在接受信息，數(shù)據(jù)的同時更加印象深刻，使信息的傳輸更有效率。（3）隨著3D技術的逐步發(fā)展，3DLED被廣泛應用于現(xiàn)實生活中，比如LED顯示屏，LED圖像，LED立體攝影。這些技術在我們的生活中隨處可見，比如電影院，會議場合，舞臺設計，以及各種娛樂場所。 設計課題主要原理光立方也就是LED的立體陣列，一般的LED是平面的，比如一個字，而光立方則是在多個等間距的平面再組合成一個立體。這樣就可以顯示 3D圖形。8*8*8光立方我們把它拆成8個面，如圖1所示，每個面64個燈，或說成64束。我們要控制這64個燈使其自由變換，然后控制每個層依次點亮即可。圖1 立體布局圖學過點陣的都知道，如果要控制8*8點陣，需要16個引腳，那么8*8*8點陣我們再用8個引腳充當8*8點陣的總開關即可，如圖2所示，我們只要把64個LED燈的陰極連接在一起就可以了。 圖2 層面俯視圖 3D LED設計總體方案本文采用STC89C516單片機為主控芯片，結(jié)合其它外圍電路包括晶振電路，電源電路以及LED燈控制模塊。LED燈控制模塊由74HC573和ULN2803兩塊芯片分別控制LED燈的陽極和陰極。以此來實現(xiàn)設計要求。系統(tǒng)整體設計框圖如圖3所示： 圖3 系統(tǒng)整體設計框圖我只要控制這64個燈使其能夠自由變換，然后再通過控制每個層依次點亮即可，由于我們眼睛的視覺暫留，使我們感覺看到的東西是一起再亮的。這樣我們就看到了一個完整的個體。ULN2803控制的每一個層。同時要注意每個74HC573輸出的引腳對應的按順序的x軸的8個引腳。這樣做完全為了后期編寫程序方便。因為我們的動畫是實時運算的，而且我所采用的是STC89C516單片機。2 硬件系統(tǒng)設計 硬件各部分電路原理介紹（1） 單片機STC89C516原理及功能介紹本設計采用STC89C516單片機為核心控制器，指令代碼完全兼容以往的AT89S52單片機。由于光立方的程序量比較大，而且要求相對比較高，因此經(jīng)過考慮之后我們決定用51系列的增強型單片機STC89C516。STC89C516單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)與資源如圖4所示： 圖4 單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖STC89C516在3DLED光立方設計中的作用：LED光立方主要用到了STC89C516單片機中的P0口、P1口、P2口、串行輸入輸出端以及外接晶體引線端XTAL1和XTAL2。P0口主要作為數(shù)據(jù)輸出端，單片機通過控制74HC573的使能端來控制74HC573的輸出與鎖存。P1口主要作為數(shù)據(jù)的輸出端，單片機的輸出的控制LED陽極引腳的數(shù)據(jù)傳送到74HC573的輸入端。P2 口主要作為數(shù)據(jù)的輸出端，單片機內(nèi)部輸出的控制LED陰極引腳的數(shù)據(jù)傳送到ULN2803的輸入端。下載模塊中單片機STC89C516串行口RXD、TXD作為數(shù)據(jù)的串行輸入和輸出端。串行口的主要功能是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的串行化和反串行化，串行化是指把并行的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)榇袛?shù)據(jù)，而反串行化則是把串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)椴⑿袛?shù)據(jù)。串行口的數(shù)據(jù)發(fā)送是一個串行化的過程，在這個過程中，把寫入發(fā)送寄存器的并行數(shù)據(jù)，按幀的格式要求插入格式信息，構(gòu)成串行位串，經(jīng)TXD引腳串行輸出。當使用芯片內(nèi)部時鐘時，XTAL1和XTAL2用于外接石英晶體諧振器和微調(diào)電容；當使用外部時鐘時，用于外接外部時鐘信號。（2） 74HC573 芯片控制LED燈陽極電路原理74HC573器件的輸入是和標準CMOS是輸出兼容的，加上拉電阻，他們還能和LS/ALSTTL輸出兼容。當鎖存使能端為高時，這些器件的鎖存對于數(shù)據(jù)是透明的，也就是說輸出同步。當鎖存使能變低時，符合建立時間和保持時間的數(shù)據(jù)會被鎖存。 表1 74HC573功能表輸入輸出輸出使能鎖存使能DQLHHHLHLLLLX不變HXXZX=不用關心Z=高阻抗我采用了74HC573暫存的方法，來分別把由單片機P1口輸出的64個燈的亮滅信息存到這個上面，然后再一起輸出到燈上。我們通過控制每塊芯片的LE使能端來控制74HC573數(shù)據(jù)的輸出與鎖存。（3） ULN2803芯片控制LED燈陰極電路原理由于燈的個數(shù)比較多，因此所需要的電流相對也比較大，所以選擇ULN2803，ULN2803是八重達林頓，1至8腳為8路輸入，18到11腳為8路輸出。驅(qū)動能力500MA \50V。應用時9腳接地，要是驅(qū)動感性負載，10腳接負載電源V+。輸入的電平信號為0或5V。輸入0時，輸出達林頓管截止，輸入為5V電平時，輸出達林頓飽和。輸出負載加在電源V+和輸出口上，當輸入為高電平時，輸出負載工作。單片機通過控制P2口將控制每一層LED燈的開關信號即控制LED燈陰極的數(shù)據(jù)傳送到ULN2803輸入端，ULN2803輸出取反后，再輸出到LED燈陰極引腳。（4） 晶振電路原理STC89C516引腳XTAL1和XTAL2與晶體振蕩器及電容CC1連接。晶振、電容C1／C2及片內(nèi)與非門（作為反饋、放大元件）構(gòu)成了電容三點式振蕩器，振蕩信號頻率與晶振頻率及電容CC2的容量有關，但主要由晶振頻率決定，范圍在0～33MHz之間，電容CC2取值范圍在5～40pF之間。根據(jù)實際情況，本設計中采用12MHZ做系統(tǒng)的外部晶振。電容取值為33pF。（5） 復位電路原理單片機復位是使CPU和系統(tǒng)中的其他功能部件都處在一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作，例如復位后PC＝0000H，使單片機從第—個單元取指令。無論是在單片機剛開始接上電源時，還是斷電后或者發(fā)生故障后都要復位。在復位期間（即RST為高電平期間），P0口為高組態(tài)，P1－P3口輸出高電平；外部程序存儲器讀選通信號PSEN無效。地址鎖存信號ALE也為高電平。 LED燈的選擇設計課題中我們所選用的是3MM白發(fā)藍長腳高亮的LED燈，它有功耗低、壽命長、視角大的優(yōu)點。其主要性能參數(shù)如下：外觀尺寸：* 工作電壓： 工作電流：1520MA峰值波長：515517NM 耗散功率：60MW 發(fā)光角度：60008000MCD工作溫度：40℃—+ 90℃ 儲存溫度：40℃ +80℃焊錫條件：回流焊260℃5秒以內(nèi) 手工焊250275℃3秒內(nèi) LED燈制作過程 為了保持整體的通透性，立體感，3DLED光立方?jīng)]有設計額外的支架，所有的搭接直接用LED的管腳。（1）水平折彎：基本徒手可以完成，將512個LED燈的陰極都彎曲成90度，為了焊接的統(tǒng)一性，折彎時盡量保持角度的統(tǒng)一，還要注意區(qū)分陰極與陽極，由于我們做的是共陰，所以將陰極折彎。 （2）由點到線：自備一塊木板，在上面打8*8的64個孔，每個孔的間距大約為2cm，將折好的LED插入一排后，其陰極正好搭接在一起，進行焊接，實現(xiàn)LED共陰。因為LED很脆弱，很容易因為焊接時溫度過高而燒壞LED，所以每次焊接完后都要去檢查每個燈是否會亮，這是很重要的一步。（3）由線到面：將焊接好的一條一條的LED燈平躺在平面上，將露出的LED的陰極彎折成直角，使其可以與前后同一層LED的陰極進行焊接，實現(xiàn)8*8平面的層共陰。 （4）由面到體：將焊接好的一個一個LED面疊起來，進行焊接，實現(xiàn)8*8*8光立方。一個平面搞定后，不要覺得這樣就完成了，把燈取下來之前，先用萬用表檢查，電子表有專門檢查二極管的檔，比機械的要方便些。確保你焊接好的燈珠都是會亮的，焊接的時候，難免有的燈珠被燙壞或者有正負短接的地方。把燈珠從模板上取下的時候，要比較小心，這個想必大家都會，取下之后，再仔細檢查正面和背面有沒有焊錫不夠的地方。從第二層開始，就得注意層面的擺放了，上一層的管腳向下彎折90度后，慢慢的向下放，保證管腳不能和下一層的短接。（5）這是焊接完成后的LED燈，它由八個面構(gòu)成了LED光立方體。如圖5所示： 圖5 焊接完成后的光立方（6）焊接完畢通電后效果圖，如圖6所示： 圖6 3DLED通電后效果圖 3 軟件系統(tǒng)設計本系統(tǒng)軟件設計由主程序、和LED燈控制程序、圖形控制碼等組成。 3DLED主函數(shù)及主流程圖程序流程圖如圖7所示： 圖7 主流程框圖/********************************函數(shù)名： main函數(shù)功能： 動態(tài)掃描將圖形顯示出來*********************************/void main(){ uint i。 while(1) { i=delay_time。 //動態(tài)掃描次數(shù) while(i) //循環(huán)控制 send_dis0()。 //圖形顯示代碼} } 控制一個面數(shù)據(jù)的函數(shù)及流程圖程序流程圖如圖8所示： 圖8 控制一個面流程圖/********************************程序名： send_num程序功能： 一個面的64個燈陽極的數(shù)據(jù)送入74HC573程序入口： *p 需要送入數(shù)據(jù)的起始地址*********************************/void send_num(uchar *p) { uchar i,j=0x01。 for(i=0。i8。i++) //LED燈每層總共8行，循環(huán)次數(shù)總共控制8次 { P0=j。 //數(shù)據(jù)送至P0口控制使能端LE P1=*(p+i)。 //將圖形代碼送至P1口，并送入74HC573的輸入端 j=_crol_(j,1)。 //P0口數(shù)據(jù)循環(huán)左移 }} 控制八個面數(shù)據(jù)的函數(shù)及流程圖程序流程圖如圖9所示：圖9 控制八個面流程圖/********************************函數(shù)名： send_dis函數(shù)功能： 將8個面的數(shù)據(jù)給別送入573并動態(tài)顯示出來，并將控制每個面的開關數(shù)據(jù)送入ULN2803*********************************/ void send_dis0(){ uchar i,j=0x01。 for(i=0。i8。i++) { P2=j。 //將控制每一層陰極的數(shù)據(jù)送入P2口 send_num(f0[i])。 //調(diào)用控制每一層陽極數(shù)據(jù)的子程序 j=_crol_(j,1)。 //P2口控制層的開關數(shù)據(jù)循環(huán)左移 Delay_1ms(2)。 //延時函數(shù) } } 圖形代碼顯示原理圖10 顯示4*4*4的正方體其代碼如下：0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x7E, 0x42, 0x42, 0x42, 0x42, 0x7E, 0x00, 0x00, 0x42, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x42, 0x00, 0x00, 0x42, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x42, 0x00, 0x00, 0x42, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x42, 0x00, 0x00, 0x42, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x42, 0x00, 0x00, 0x7E, 0x42, 0x42, 0x42, 0x42, 0x7E, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0