3D光立方的設(shè)計(jì)與制作

楊永剛

【摘要】本文主要介紹了3D光立方的設(shè)計(jì)思路和制作流程，3D光立方采用了8X8X8共計(jì)512個(gè)LED組成的陣列，本次設(shè)計(jì)制作一個(gè)三維的發(fā)光二極管立方顯示體，能夠通過(guò)編寫程序來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)每一個(gè)LED亮和滅的控制，從而可以顯示多種多樣的圖案，具有很高的觀賞性，通過(guò)制作3D光立方，能提高動(dòng)手設(shè)計(jì)能力和對(duì)電路的分析能力。

【關(guān)鍵詞】3D光立方;電路制作;LED

1.背景與意義

隨著人們生活水平的不斷提高，3D效果的欣賞已經(jīng)成了人們的追求，美輪美奐的觀賞讓人醉心不已，給人帶來(lái)無(wú)比寬松舒適的美感。3D技術(shù)已進(jìn)應(yīng)用于教學(xué)，醫(yī)學(xué)，地下采礦，空中導(dǎo)航等領(lǐng)域。但就目前的發(fā)展，3D還不能夠普及到人們的生活中，這也就萌發(fā)了人們對(duì)于3D的設(shè)計(jì)。本次設(shè)計(jì)制作一個(gè)三維的發(fā)光二極管立方顯示體，能夠通過(guò)編寫程序來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)每一個(gè)LED亮和滅的控制，從而可以顯示多種多樣的圖案。因此，對(duì)發(fā)光二極管進(jìn)行控制，使其顯示出不同的花樣，帶給未來(lái)3D技術(shù)的科技體驗(yàn)。

2.系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

本電路設(shè)計(jì)大體上可以分電源、處理系統(tǒng)、輸出顯示、輸入控制四部分組成。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 3D光立方電路設(shè)計(jì)框圖

電源供電部分采用一塊集成穩(wěn)壓器CW7805，把市電經(jīng)變壓器降壓輸入電路，而后整流送到穩(wěn)壓器穩(wěn)壓輸出作為工作電壓。不僅功率上可以滿足系統(tǒng)需要，不需要更換電源，并且比較輕便，使用更加安全可靠。

輸入控制部分采用按鍵開關(guān)，主要用于切換不同的顯示模式。

單片機(jī)控制電路是該系統(tǒng)的核心部分，主要控制著LED燈的顯示間隔、方式、變換等。

輸出控制采用74HC573芯片作為控制光立方的I＼O口擴(kuò)展芯片，以拓展單片機(jī)的輸出口，采用動(dòng)態(tài)顯示模式，按照?qǐng)D文運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)又可以分為閃爍、平移、旋轉(zhuǎn)、縮放等多種顯示模式?？梢酝ㄟ^(guò)一定的算法從原來(lái)的顯示數(shù)據(jù)直接生成，再結(jié)合輸出控制電路，這樣程序書寫就不會(huì)過(guò)于繁瑣和重復(fù)，而且對(duì)核心控制器的內(nèi)存空間要求不高。

LED顯示陣列是由8X8X8共計(jì)512個(gè)LED組成光立方顯示屏。

3.3D光立方的工作原理

本設(shè)計(jì)介紹一個(gè)3D LED光立方顯示屏的制作，利用單片控制LED點(diǎn)陣顯示的原理和控制技術(shù)，來(lái)制作控制光立方顯示。通過(guò)編寫程序控制不同LED的顯示，顯示所要顯示的內(nèi)容。根據(jù)人眼的視覺暫留效應(yīng)，設(shè)置每幅畫面的延遲時(shí)間使連續(xù)的一系列畫面呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)。最終達(dá)到所要顯示的內(nèi)容。每個(gè)燈都是由層控制端和列控制端共同決定亮或滅。

在三維光立方中采用動(dòng)態(tài)掃描顯示，這種顯示方式巧妙地利用了人眼的視覺暫留特性。將連續(xù)的幾幀畫面高速的循環(huán)顯示，只要幀速率高于24幀/秒，人眼看起來(lái)就是一個(gè)完整的，相對(duì)靜止的畫面。最典型的例子就是電影放映機(jī)。在電子領(lǐng)域中，因?yàn)檫@種動(dòng)態(tài)掃描顯示方式極大的縮減了發(fā)光單元的信號(hào)線數(shù)量，因此在LED顯示技術(shù)中被廣泛使用。

4.3D光立方搭接

為了保持整體的通透性、立體感，3D8光立方因?yàn)闆]有設(shè)計(jì)額外的LED支架，所有搭接直接使用LED自身的管腳。

準(zhǔn)備一塊木板，在上面打孔，分布均勻，孔徑以配合LED為準(zhǔn)。將折彎好的LED插入一排插入以后，其陰極正好可以搭接在一起。進(jìn)行焊接，實(shí)現(xiàn)共陰極的操作。

將垂直各面依次插到面包板上面，以后，將露出的陽(yáng)極引腳橫向折90°，是其可以與其前后同一高度（同一層）的陽(yáng)極進(jìn)行焊接，實(shí)現(xiàn)各8x8平面的層共陰。實(shí)現(xiàn)層共陰以后，我們就得到了共計(jì)8條對(duì)陰極引線，通過(guò)漆包銅線，實(shí)現(xiàn)各層的陰極線與主板的連接。其中最頂層的對(duì)應(yīng)最靠近DC電源插座。

5.硬件系統(tǒng)測(cè)試

5.1 LED亮度測(cè)試方法

使用兩節(jié)常見的1.5V的干電池判斷LED的陽(yáng)極陰極。將萬(wàn)能面包板接通電源，將LED插入面包板的一對(duì)插孔內(nèi)，其中靠近邊緣的為陽(yáng)極、另一個(gè)為陰極，觀察其是否能被正常點(diǎn)亮，并可以改變限流電阻改變亮度，觀察該型LED的可測(cè)亮度范圍，建議從最低亮度開始，防止LED被燒毀。測(cè)試前不加電源的檢查，對(duì)照電路圖和實(shí)際線路檢查連線是否正確，包括錯(cuò)接、少接、多接等;用萬(wàn)用表電阻檔檢查焊接和接插是否良好;元器件引腳之間有無(wú)短路;連接處有無(wú)接觸不良;二極管、三極管、集成電路的電源正負(fù)極和電解電容的極性是否正確;電源供電包括極性、信號(hào)源連線是否正確;電源端對(duì)地是否存在短路（用萬(wàn)用表測(cè)量電阻）。若電路經(jīng)過(guò)上述檢查，確認(rèn)無(wú)誤后，可轉(zhuǎn)入靜態(tài)檢測(cè)與測(cè)試。

5.2 靜態(tài)檢測(cè)與測(cè)試

斷開輸入信號(hào)，把經(jīng)過(guò)準(zhǔn)確測(cè)量的電源接入電路，用萬(wàn)用表電壓檔監(jiān)測(cè)電源電壓，觀察有無(wú)異?，F(xiàn)象。如冒煙、異常氣味、手摸元器件發(fā)燙，電源短路等。如發(fā)現(xiàn)異常情況，立即切斷電源，排除故障;如無(wú)異常情況，分別測(cè)量各關(guān)鍵點(diǎn)直流電壓，如靜態(tài)工作點(diǎn)、數(shù)字電路各輸入端和輸出端的高、低電平值及邏輯關(guān)系、放大電路輸入、輸出端直流電壓等是否在正常工作狀態(tài)下，如不符，則調(diào)整電路元器件參數(shù)、更換元器件等，使電路最終工作在合適的工作狀態(tài);對(duì)于放大電路還要用示波器觀察是否有自激發(fā)生。

5.3 動(dòng)態(tài)檢測(cè)與測(cè)試

動(dòng)態(tài)測(cè)試是在靜態(tài)測(cè)試的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，測(cè)試的方法地在電路的輸入端加上所需的信號(hào)源，并循著信號(hào)的注射逐級(jí)檢測(cè)各有關(guān)點(diǎn)的波形、參數(shù)和性能指標(biāo)是否滿足設(shè)計(jì)要求，如有必要對(duì)電路參數(shù)作進(jìn)一步調(diào)整。若發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，要設(shè)法找出原因，排除故障后，繼續(xù)檢測(cè)完電路至沒有錯(cuò)誤。

5.4 測(cè)試注意事項(xiàng)

（1）正確使用測(cè)量?jī)x器的接地端，儀器的接地端與電路的接地端要可靠連接;

（2）在信號(hào)較弱的輸入端，盡可能使用屏蔽線連線，屏蔽線的外屏蔽層要接到公共地線上，在頻率較高時(shí)要設(shè)法隔離連接線分布電容的影響，例如用示波器測(cè)量時(shí)應(yīng)該使用示波器探頭連接，以減少分布電容的影響;

（3）正確選擇測(cè)量點(diǎn)和測(cè)量;認(rèn)真觀察記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程，包括條件、現(xiàn)象、數(shù)據(jù)、波形、相位等;出現(xiàn)故障時(shí)要認(rèn)真查找原因。

6.結(jié)論

經(jīng)過(guò)多次的反復(fù)測(cè)試與分析，可以對(duì)電路的原理及功能更加熟悉，同時(shí)提高了動(dòng)手設(shè)計(jì)能力以及對(duì)電路的分析能力。同時(shí)在軟件的編程方面得到了提高，對(duì)所學(xué)的知識(shí)得到很大的鞏固。在測(cè)試過(guò)程中遇見的問(wèn)題，也通過(guò)不斷的改正，最終得以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求的各項(xiàng)功能。

參考文獻(xiàn)

[1]谷秀榮.單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].北京交通大學(xué)出版社，2009.

[2]李華.單片機(jī)實(shí)用接口技術(shù)[M].航空航天大學(xué)出版社，2006.

[3]陳海松.單片機(jī)應(yīng)用技能項(xiàng)目化教程[M].電子工業(yè)出版社，2012.

[4]楊欣.51單片機(jī)應(yīng)用實(shí)例詳解[M].清華大學(xué)出版社， 2010.