888LED3D光立方的设计与制作
888LED3D光立方的设计与制作[20200131190502]
【摘要】
随着科技的进步，3D光立方技术成为了时代的主流，并渗入到了影视、广告、工业设计、建筑设计、游戏、多媒体制作、辅助教学以及工程可视化等众多领域。8*8*8LED3D光立方是以74HC573作为驱动，一个长、宽、高由8*8*8个排列整齐的LED灯和金属支架组成的真实的3D立方体显示器，采用单片机控制来显示各种画面，给人以3D技术的体验。
*查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:】LED；单片机；74HC573
引 言 1
一、总体方案 1
二、主要芯片介绍 2
（一）、74HC573芯片介绍 2
（二）、STC12C5A60S2简介 2
三、系统各模块电路设计与制作 3
（一）、8*8*8LED显示模块 3
（二）、驱动电路 6
（三）、主控电路 7
五、软件设计 7
六、系统调试 9
六、结束语 10
参考文献 10
附录 11
附录1:原理图 11
附录2:主要程序 12
附录3:实物图 15
附录4:PCB图 15
引 言
随着科技的进步，3D技术成为了时代的主流，并渗入到了影视、广告、工业设计、建筑设计、游戏、多媒体制作、辅助教学以及工程可视化等众多领域。在2009年10月1日天安门广场举行的国庆联欢晚会上，“光立方”横空出世，这是新中国成立六十周年国庆晚会最具创意的三大法宝之首。自从国庆60周年联欢晚会开始演练后，一个全新的名词“光立方”，吸引了全国人民的关注。国庆联欢晚会三样法宝，光立方为最。光立方也就是LED的立体阵列，一般的LED都是平面的，比如一个字就是16*16点阵，而光立方则是在多个等间距的平面再组合成一个立体。这样就可以显示真3D图形。光立方的制作方法都很复杂，不仅需要很强的动手能力来组装512个排列整齐的LED和金属支架，还需要有足够的耐心设计一大堆单片机和驱动芯片，最后还要为硬件成品设计显示程序，好让光立方动起来。功能方面，它除了要能显示3D图形，还需要有多级亮度和速度调整，最好可以有音频显示功能，像DIS.MUSIC21音乐显示器一样。当然，还要设计一个用户自定义图形功能，连接普通的单片机就可以显示出自己编写的图形。这样，不仅需要光立方的显示更丰富，而且需要编辑者有较强的3D编程能力。最后，还要用高质量的设计、材料和生产工艺。
一、总体方案
光立方的制作方法复杂，不仅需要很强的动手能力来组装512个排列整齐的LED和金属支架，还要有足够的耐心设计一大堆驱动芯片及单片机，最后还要为硬件成品设计显示程序，让光立方亮起来。因此本设计的思想是力求结构简单，工作可靠，性价比高。本设计主要由主控模块、驱动模块、显示模块组成，可以进一步采用光控电路进行亮度调节。系统框图如图1所示。
图1 系统设计总体框图
二、主要芯片介绍
（一）、74HC573芯片介绍
驱动模块选择的芯片是74HC573，此芯片是八进制3态非反转透明锁存器，是高性能的硅门CMOS器件。74HC573的管脚图如图2所示，器件的输入是和标准CMOS输出兼容的，当加上拉电阻，他们能和LS/ALSTTL输出兼容。当锁存使能端为高电平时，这些器件的锁存对于数据是透明的（也就是说输出同步）。当锁存使能端变低电平的时候，符合建立时间和保存时间数据会被锁存。工作特性如下：
*输出可以直接接到CMOS、NMOS和TTL接口上。
*操作电压的范围：2.0V-6.0V
*地输入电流：1uF
*CMOS器件的高噪声抵抗特性
图2 74HC573引脚图
（二）、STC12C5A60S2简介
STC12C5A60S2单片机是宏晶科技生产的单时钟/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。内部集成MAX810专用复位电路，若MAX810专用复位电路在STC-ISP编程器中被允许，则以后上电复位后将再产生约200mS延迟，复位才能被解除。
STC12C5A60S2带A/D转换的单片机的A/D转换口在P1口（P1.7-P1.0)。有8路10位高速A/D转换器，速度可达250KHz。8路电压输入型A/D，可做温度检测、电池、电压检测、按键扫描、频谱检测等。上电复位后P1口为弱上拉型I/O口，用户可以通过软件设置将8路中的任何一路设置为A/D转换，不需作为A/D使用的口可继续作为I/O口使用。
STC12C5A60系列单片机具有2个采用UART工作方式的全双工串行通信接口(串口1和串口2)。，后缀有S2标志的才有双串口，每个串行口由2个数据缓冲器、一个移位寄存器、一个串行控制寄存器和一个波特率发生器等组成。每个串行口的数据缓冲器由两个相互独立接收、发送缓冲器构成，可以同时发送和接收数据。发送缓冲器只能写入而不能读出，接收缓冲器只能读出而不能写入，因而两个缓冲器可以共用一个地址码。其引脚图如图3所示。
三、系统各模块电路设计与制作
（一）、8*8*8LED显示模块
1．LED的选择
LED种类繁多，因此选择范围广泛，但出于外观和整体的美观性，我们不选择经常使用的草帽型LED，而选择的是方形高亮蓝色的LED（颜色可据个人喜好自选），一般驱动电压是2.7V—4.0V、驱动电流为20mA、长管脚。由于草帽性的LED光发散的比较厉害，容易影响视觉效果，而方形的则不然，因此选择方形的LED，各类LED对比图如图4所示。
图4 LED对比图
2、LED的焊接
将512个LED灯按照共阴共阳的接法焊接成一个8*8*8的立方体，方法很多，我采用的方法是由线到面，由面到体。
步骤1：先把LED的引脚按照统一的形状弯好，弯折两次的引脚是阳极，如图5所示（可以根据自己的喜好任意弯折）。
图5 LED的引脚弯折
步骤2：准备一块大的万用版和一定数量的排针，排针每两个为一组，将排针按照正方形的规则、适当的间距在万用版上焊接上64个，如图6所示：
图6 LED焊接支架
步骤3：把步骤1弯好的LED灯卡在步骤2做好的万用版上，并焊接成线型，如图7所示：
图7 LED的放置图
步骤4：将步骤3焊接好的线型LED组装网状结构，每一行为LED的共阴极，每一列为LED的共阳极。如图8所示：
图8 LED焊接面
步骤5：把步骤4焊接好的LED面组装成立方体，图中接在侧面的64个引脚是共阴极，接在底面的64个引脚是阳极。如图9所示：
图9 LED立方体
显示部分焊接完成。看上去非常简单，但是焊接量非常大，并且历时长，不仅要有足够的耐心，而且要有很强的动手能力才能将显示部分（512个LED）焊接的完美。如果显示部分焊接的不美观，将会直接影响其视觉效果，因此显示部分的焊接非常重要。在焊接显示部分时要注意：
1、尽量不要用手直接触摸LED的引脚，这样可以避免LED引脚过早生锈，可以在其引脚上覆一层焊锡丝保护。
2、在焊接的时候，电烙铁的温度一般控制在300度左右，焊接时间不能太长，以免损坏LED。
3、焊点一定要牢，为防止焊点或LED 出现问题便于整修，组装时不要直接将LED的引脚焊接在万用版上，可以先将LED的引脚插在圆孔排针上，再将排针焊接在板子上。
（二）、驱动电路
LED的单向导电特性使人一般认为应该用直流驱动，但是对直流恒压和限流的装置在保证比较好的限流特性时，自身功耗是很大的，所以使系统的效率大为降低。只有用较高频率的交流来驱动LED，并且用在呈现较大阻抗时自身功耗小的电感或电容来限流，才能把LED驱动电路的限流特性和自身功耗都做得比较理想。LED驱动电路除了要满足安全要求外，还应尽可能保持恒流特性，尤其在电源电压发生±15％的变动时，仍应能保持输出电流在±10％的范围内变动。还要保持较低的自身功耗，这样才能使LED 的系统效率保持在较高水平。本设计的驱动电路如图10所示：
【摘要】
随着科技的进步，3D光立方技术成为了时代的主流，并渗入到了影视、广告、工业设计、建筑设计、游戏、多媒体制作、辅助教学以及工程可视化等众多领域。8*8*8LED3D光立方是以74HC573作为驱动，一个长、宽、高由8*8*8个排列整齐的LED灯和金属支架组成的真实的3D立方体显示器，采用单片机控制来显示各种画面，给人以3D技术的体验。
*查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:】LED；单片机；74HC573
引 言 1
一、总体方案 1
二、主要芯片介绍 2
（一）、74HC573芯片介绍 2
（二）、STC12C5A60S2简介 2
三、系统各模块电路设计与制作 3
（一）、8*8*8LED显示模块 3
（二）、驱动电路 6
（三）、主控电路 7
五、软件设计 7
六、系统调试 9
六、结束语 10
参考文献 10
附录 11
附录1:原理图 11
附录2:主要程序 12
附录3:实物图 15
附录4:PCB图 15
引 言
随着科技的进步，3D技术成为了时代的主流，并渗入到了影视、广告、工业设计、建筑设计、游戏、多媒体制作、辅助教学以及工程可视化等众多领域。在2009年10月1日天安门广场举行的国庆联欢晚会上，“光立方”横空出世，这是新中国成立六十周年国庆晚会最具创意的三大法宝之首。自从国庆60周年联欢晚会开始演练后，一个全新的名词“光立方”，吸引了全国人民的关注。国庆联欢晚会三样法宝，光立方为最。光立方也就是LED的立体阵列，一般的LED都是平面的，比如一个字就是16*16点阵，而光立方则是在多个等间距的平面再组合成一个立体。这样就可以显示真3D图形。光立方的制作方法都很复杂，不仅需要很强的动手能力来组装512个排列整齐的LED和金属支架，还需要有足够的耐心设计一大堆单片机和驱动芯片，最后还要为硬件成品设计显示程序，好让光立方动起来。功能方面，它除了要能显示3D图形，还需要有多级亮度和速度调整，最好可以有音频显示功能，像DIS.MUSIC21音乐显示器一样。当然，还要设计一个用户自定义图形功能，连接普通的单片机就可以显示出自己编写的图形。这样，不仅需要光立方的显示更丰富，而且需要编辑者有较强的3D编程能力。最后，还要用高质量的设计、材料和生产工艺。
一、总体方案
光立方的制作方法复杂，不仅需要很强的动手能力来组装512个排列整齐的LED和金属支架，还要有足够的耐心设计一大堆驱动芯片及单片机，最后还要为硬件成品设计显示程序，让光立方亮起来。因此本设计的思想是力求结构简单，工作可靠，性价比高。本设计主要由主控模块、驱动模块、显示模块组成，可以进一步采用光控电路进行亮度调节。系统框图如图1所示。
图1 系统设计总体框图
二、主要芯片介绍
（一）、74HC573芯片介绍
驱动模块选择的芯片是74HC573，此芯片是八进制3态非反转透明锁存器，是高性能的硅门CMOS器件。74HC573的管脚图如图2所示，器件的输入是和标准CMOS输出兼容的，当加上拉电阻，他们能和LS/ALSTTL输出兼容。当锁存使能端为高电平时，这些器件的锁存对于数据是透明的（也就是说输出同步）。当锁存使能端变低电平的时候，符合建立时间和保存时间数据会被锁存。工作特性如下：
*输出可以直接接到CMOS、NMOS和TTL接口上。
*操作电压的范围：2.0V-6.0V
*地输入电流：1uF
*CMOS器件的高噪声抵抗特性
图2 74HC573引脚图
（二）、STC12C5A60S2简介
STC12C5A60S2单片机是宏晶科技生产的单时钟/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。内部集成MAX810专用复位电路，若MAX810专用复位电路在STC-ISP编程器中被允许，则以后上电复位后将再产生约200mS延迟，复位才能被解除。
STC12C5A60S2带A/D转换的单片机的A/D转换口在P1口（P1.7-P1.0)。有8路10位高速A/D转换器，速度可达250KHz。8路电压输入型A/D，可做温度检测、电池、电压检测、按键扫描、频谱检测等。上电复位后P1口为弱上拉型I/O口，用户可以通过软件设置将8路中的任何一路设置为A/D转换，不需作为A/D使用的口可继续作为I/O口使用。
STC12C5A60系列单片机具有2个采用UART工作方式的全双工串行通信接口(串口1和串口2)。，后缀有S2标志的才有双串口，每个串行口由2个数据缓冲器、一个移位寄存器、一个串行控制寄存器和一个波特率发生器等组成。每个串行口的数据缓冲器由两个相互独立接收、发送缓冲器构成，可以同时发送和接收数据。发送缓冲器只能写入而不能读出，接收缓冲器只能读出而不能写入，因而两个缓冲器可以共用一个地址码。其引脚图如图3所示。
三、系统各模块电路设计与制作
（一）、8*8*8LED显示模块
1．LED的选择
LED种类繁多，因此选择范围广泛，但出于外观和整体的美观性，我们不选择经常使用的草帽型LED，而选择的是方形高亮蓝色的LED（颜色可据个人喜好自选），一般驱动电压是2.7V—4.0V、驱动电流为20mA、长管脚。由于草帽性的LED光发散的比较厉害，容易影响视觉效果，而方形的则不然，因此选择方形的LED，各类LED对比图如图4所示。
图4 LED对比图
2、LED的焊接
将512个LED灯按照共阴共阳的接法焊接成一个8*8*8的立方体，方法很多，我采用的方法是由线到面，由面到体。
步骤1：先把LED的引脚按照统一的形状弯好，弯折两次的引脚是阳极，如图5所示（可以根据自己的喜好任意弯折）。
图5 LED的引脚弯折
步骤2：准备一块大的万用版和一定数量的排针，排针每两个为一组，将排针按照正方形的规则、适当的间距在万用版上焊接上64个，如图6所示：
图6 LED焊接支架
步骤3：把步骤1弯好的LED灯卡在步骤2做好的万用版上，并焊接成线型，如图7所示：
图7 LED的放置图
步骤4：将步骤3焊接好的线型LED组装网状结构，每一行为LED的共阴极，每一列为LED的共阳极。如图8所示：
图8 LED焊接面
步骤5：把步骤4焊接好的LED面组装成立方体，图中接在侧面的64个引脚是共阴极，接在底面的64个引脚是阳极。如图9所示：
图9 LED立方体
显示部分焊接完成。看上去非常简单，但是焊接量非常大，并且历时长，不仅要有足够的耐心，而且要有很强的动手能力才能将显示部分（512个LED）焊接的完美。如果显示部分焊接的不美观，将会直接影响其视觉效果，因此显示部分的焊接非常重要。在焊接显示部分时要注意：
1、尽量不要用手直接触摸LED的引脚，这样可以避免LED引脚过早生锈，可以在其引脚上覆一层焊锡丝保护。
2、在焊接的时候，电烙铁的温度一般控制在300度左右，焊接时间不能太长，以免损坏LED。
3、焊点一定要牢，为防止焊点或LED 出现问题便于整修，组装时不要直接将LED的引脚焊接在万用版上，可以先将LED的引脚插在圆孔排针上，再将排针焊接在板子上。
（二）、驱动电路
LED的单向导电特性使人一般认为应该用直流驱动，但是对直流恒压和限流的装置在保证比较好的限流特性时，自身功耗是很大的，所以使系统的效率大为降低。只有用较高频率的交流来驱动LED，并且用在呈现较大阻抗时自身功耗小的电感或电容来限流，才能把LED驱动电路的限流特性和自身功耗都做得比较理想。LED驱动电路除了要满足安全要求外，还应尽可能保持恒流特性，尤其在电源电压发生±15％的变动时，仍应能保持输出电流在±10％的范围内变动。还要保持较低的自身功耗，这样才能使LED 的系统效率保持在较高水平。本设计的驱动电路如图10所示：
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