光立方项目设计说明书.doc

工程技术综合实践

项目设计报告
（电类）

8x8x8光立方点阵

西安理工大学工程训练中心

2014年 10月 27 日

项目组成员及分工
序 号
姓 名
学 号
班 级
工 作 内 容
备注
1
庞悦
3120411054
自123
系统设计及报告
组长
2
薛玲玲
3120411066
自123
硬件制作

3
杨壮
3120311077
自123
程序编写

4
刘海琴
3120411041
自123
硬件制作

成绩评定
序 号
姓 名
学 号
班 级
成 绩
备注
1
庞悦
3120411054
自123

2
薛玲玲
3120411066
自123

3
杨壮
3120311077
自123

4
刘海琴
3120411041
自123

指导教师（签字）：

1 概述
二十一世纪的显示技术将是平板显示的时代。基础材料的产业化，使LED显示产品成本下降，应用加快发展。LED产品性能的提高，使LED灯的显示屏的亮度、色彩、白平衡均达到比较理想的效果。但是考虑到此次光立方显示的效果问题，我们还是决定选用5mm的蓝色雾灯。本次设计制作一个8*8*8的三维的发光二极管立方显示体，能够通过编写程序来实现对每一个发光二级管的亮灭控制，从而可以显示多种多样的图案。为了吸引观众增强显示效果，可以有多种显示模式。按照图文运动的特点又可以分为闪烁、平移、旋转、缩放等多种显示模式。
2 总体设计

2.1 系统功能及技术指标
本作品是由512只LED组成的长宽高均为8个LED的正方体点阵，主要实现文字，图形的显示，显示效果立体感强，能够成为一件科技感十足的艺术品。系统控制采用51单片机，通过输出高低电平控制LED的状态，74hc595扩展单片机IO口，使单片机具有64路输出。通过74HC245D控制层，最终实现对512只LED中的任意一个的控制。
2.2 系统构成
单片机stc12c5a60s2

74hc595锁存器
74HC245D

LED阵列

2.3 主要设备及元器件选型
（１） STC12C5A60S2系列单片机是单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换(250K/S),针对电机控制，强干扰场合, 能够满足快速驱动多只LED的需求。
（２） 74HC595 是一款漏极开路输出的CMOS 移位寄存器，输出端口为可控的三态输出 端，亦能串行输出控制下一级级联芯片。其特点是高速移位时钟频率Fmax>25MHz，标准串行（SPI）接口，CMOS 串行输出，可用于多个设备的级联，低功耗：TA =25℃时，Icc=4μA（MAX），可满足驱动多只LED的需求。
（３） APM4953内部包括两个独立的，p沟道金属氧化物场效应管。它有超低的导通电阻适合用LED显示屏，Led显示驱动，可满足驱动多只LED的需求。
（４） 74HC245D该设备将产生一个直流恢复就引用到一个水平同步脉冲时间根据每个视频输出水平。当检测到同步脉冲，直流恢复电路将采取行动，在各自的位置视频输出负载的空白水平0.6五。该设备可以被编程为寻找对RGB输入引脚或相关的复合视频输入端子为辅助港口或外部编码器Enc_YC（Aux_YC所有水平同步脉冲）。 上电时，该位默认为低（0）说明哪些程序装置以获取一个同步看看检测的RGB输入信号。可满足驱动多只LED的需求。
2.4 系统核心处理策略
将文字内容通过取模软件取模得到的十六进制代码转换为坐标，图形内容通过运算得到所显示点的坐标，将此坐标放入二维数组，数组每次放入64个元素，即一层所显示的内容，通过层扫描显示所有层的内容

2.5 其他
（1） 本作品的主体结构由led的引脚相互连接而成，具有一定的强度与韧性；采用贴片元器件是使作品整体比较简洁美观，主体突出。
（2） 装置通过usb接口或供电接口供电，亦可传输数据。
（3） 装置设计有电源开关与电源指示灯。
（4） 使用21键红外MP3遥控器及HX1838红外接收头使画面有切换效果，方便人机交互。
（5） 使用CON1直插单排圆孔排母可使主板与LED灯与主板分隔开，方便程序调试及电路修改。

3 详细设计

3.1 硬件设计

STC12C5A60S2STC12C5A60S2
usb转ttl模块
计算机

锁
存
器

LED
APM49533

3.1.1 系统原理图及元器件清单
1.原理图
2.元器件清单
序号
名称
型号
规格
数量
单位
01
单片机
STC12C5A60S2
/
2
个
02
锁存器
74HC595
　　 /
10
个
03
驱动器
APM4953
/
2
个
04
电容
30P±10% 50V
/
2
个
05
电容
16V/470μF 8*11mm
/
1
个
06
电阻
510Ω±5% 1/8W
贴片
8
个
07
轻触按键
6*6*7
/
4
个
08
发光二极管
F3黄色
/
1
个
09
锁存器
74HC595N
/
8
个
10
螺丝头
3.5MM
/
4
个
11
红外接收头
HX1838
/
1
个
12
晶振
22.1184M
/
1
个
13
电源座
DC005
/
1
个
14
直插立式座
CON4
/
1
个
15
译码器
74HC138
/
1
个
16
IC插座
DIP-40
/
1
个
17
光敏电阻
5516
/
1
个
18
驱动器
APM4953
/
4
个
19
圆孔排母
CON1直插单排
/
72
个
20
单片机
STC12C5A60S-35I
/
1
个
21
立体声带开关耳机座
3.5mm
/
2
个
22
收发器
74HC245D
/
2
个
23
发光二极管
F5蓝色
/
512
个
24
连接线

/
1
个
25
开关电源
5V2000MA
/
1
个
26
音频线
3.5MM
/
1
个
27
下载器套件
MAX232
/
1
个
28
MP3遥控器
21键红外
/
1
个
29
电路板
FR4
/
1
个

3.1.2 PCB设计

3.2 软件设计

3.2.1 功能模块1：白天显示模块
3.2.2 功能模块2：夜间显示模块
3.2.3 功能模块3: 红外遥控器控制模块
3.2.4 功能模块4：音频频谱显示模块

3.3 结构设计

结构示意图
512只LED焊接成为8列，基座为一块250mm*210mm的PCB，LED插接在PCB板上焊接的CON1直插单排圆孔排母上
4 调试与测试
（1） 焊接完成后首先测试单片机是否正常工作，我们用到的测试方法是通过烧写软件写入hex文件，若能够正常写入，则说明单片机正常工作。经测试，USB无法给单片机写入程序，分析电路没有错误，我们选用开发板来给芯片下载程序，单片机能够正常写入数据。说明USB下载器或驱动软件有问题，多次更换驱动软件，还是无法下载程序，检查USB下载器，发现电路有虚焊问题，重新焊接电路之后，可以正常给单片机下载程序。
（2） 然后测试512个LED灯是否能够正常工作，使用USB下载器给单片机下入全亮测试程序，512个灯全部点亮。接着测试单片机能否正常控制LED，即测试外围电路是否正常工作。给单片机下载写好的程序，发现无法控制第八列灯及第五列灯，经检测，发现控制第八列和第五列的74Hc595锁存器接触不良，存在虚焊问题，由于我们起初设计是为了美观选用的是贴片式锁存芯片，导致焊接难度加大，拆卸不易，导致芯片烧坏。多谢公训中心的同学帮忙，采用吹锡台帮助我们重新焊接。焊接完成之后，通过写入程序，可以正常控制512个LED灯。
（3） 写入音频控制程序，无法实现输入音频的显示，检查电路，查阅相关文件之后，我们发现，只有音频有输出，才能实现其输入的显示，于是我们找来公训时制作的音响，正确连接之后，可以实现输入音频的显示。
（4） 由于我们提前完成预期任务，所以我们决定给光立方加入一个蓝牙模块，蓝牙模块焊接完成之后，可以与手机连接，但是，还是由于时间不足，没有完成蓝牙驱动程序的编写，手机无法给STC芯片写入程序，导致蓝牙模块无法实现。

5 结论
系统硬件基本达到预期的目标，能够通过编程任意显示，软件不仅实现了Ｎ种动画的显示，而且可以实现红外遥控的控制及输入与输出的音频频谱的显示，但由于时间限制蓝牙程序未能调试成功，未能实现手机蓝牙控制功能。
6 感想
　　　这次制作从想法的诞生，到整个作品的完成，历时近５个多月，整个过程历经了不少曲折。选择这个制作题目是因为当初选题时在理奥杯科技展上看到了光立方的展示，被它的独特效果所吸引，深入了解它的控制原理后感觉难度在我们的接受范围之中，就开始画原理图，生成PCB，因为我们觉得一个作品只有软件部分达到要求才有实现的可能性。由于上学期在选修课中有做过一个电子密码锁，所以这次画原理图及生成PCB都比较得心应手。然后就是LED灯的焊接，也是这个作品难度比较大的地方，因为灯的焊接工艺要求比较高，所以我们商量之后决定选用７２个CON1直插单排圆孔排母，可方便ＬＥＤ灯的拆装，我们参考网络上的制作方案，寻找合适的工具，讨论，分工，最终我们四人用了４周的时间就完成了这512只LED的焊接，达到了预期的工艺要求。制作灯立方期间我们遇到了很多问题，查阅了很多资料，同时也学到了很多东西。硬件制作过程用时较短，软件调试部分花费我们较大的时间和精力。最终在我们几个人的努力下完成了光立方的制作，可以实现大部分的预期功能，虽然还有一些功能没能实现，但是我们会继续学习这方面的知识，之后在努力地完善它。
最后，感谢工程训练中心提供这次实践的机会，感谢柏方同学的帮助。

7 附录
装置总造价表
组号
J-3
项目名称
8x8x8光立方点阵
元器件费用
200元
PCB制板费用
120元
总造价
320元