3D光立方的設(shè)計與制作

楊永剛

【摘要】本文主要介紹了3D光立方的設(shè)計思路和制作流程，3D光立方采用了8X8X8共計512個LED組成的陣列，本次設(shè)計制作一個三維的發(fā)光二極管立方顯示體，能夠通過編寫程序來實現(xiàn)對每一個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，通過制作3D光立方，能提高動手設(shè)計能力和對電路的分析能力。

【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，給人帶來無比寬松舒適的美感。3D技術(shù)已進應(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)了人們對于3D的設(shè)計。本次設(shè)計制作一個三維的發(fā)光二極管立方顯示體，能夠通過編寫程序來實現(xiàn)對每一個LED亮和滅的控制，從而可以顯示多種多樣的圖案。因此，對發(fā)光二極管進行控制，使其顯示出不同的花樣，帶給未來3D技術(shù)的科技體驗。

2.系統(tǒng)電路設(shè)計

本電路設(shè)計大體上可以分電源、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口擴展芯片，以拓展單片機的輸出口，采用動態(tài)顯示模式，按照圖文運動的特點又可以分為閃爍、平移、旋轉(zhuǎn)、縮放等多種顯示模式。可以通過一定的算法從原來的顯示數(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過于繁瑣和重復(fù)，而且對核心控制器的內(nèi)存空間要求不高。

LED顯示陣列是由8X8X8共計512個LED組成光立方顯示屏。

3.3D光立方的工作原理

本設(shè)計介紹一個3D LED光立方顯示屏的制作，利用單片控制LED點陣顯示的原理和控制技術(shù)，來制作控制光立方顯示。通過編寫程序控制不同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間使連續(xù)的一系列畫面呈現(xiàn)動態(tài)。最終達到所要顯示的內(nèi)容。每個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，人眼看起來就是一個完整的，相對靜止的畫面。最典型的例子就是電影放映機。在電子領(lǐng)域中，因為這種動態(tài)掃描顯示方式極大的縮減了發(fā)光單元的信號線數(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光立方因為沒有設(shè)計額外的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。進行焊接，實現(xiàn)共陰極的操作。

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

5.硬件系統(tǒng)測試

5.1 LED亮度測試方法

使用兩節(jié)常見的1.5V的干電池判斷LED的陽極陰極。將萬能面包板接通電源，將LED插入面包板的一對插孔內(nèi)，其中靠近邊緣的為陽極、另一個為陰極，觀察其是否能被正常點亮，并可以改變限流電阻改變亮度，觀察該型LED的可測亮度范圍，建議從最低亮度開始，防止LED被燒毀。測試前不加電源的檢查，對照電路圖和實際線路檢查連線是否正確，包括錯接、少接、多接等;用萬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短路;連接處有無接觸不良;二極管、三極管、集成電路的電源正負極和電解電容的極性是否正確;電源供電包括極性、信號源連線是否正確;電源端對地是否存在短路（用萬用表測量電阻）。若電路經(jīng)過上述檢查，確認無誤后，可轉(zhuǎn)入靜態(tài)檢測與測試。

5.2 靜態(tài)檢測與測試

斷開輸入信號，把經(jīng)過準(zhǔn)確測量的電源接入電路，用萬用表電壓檔監(jiān)測電源電壓，觀察有無異常現(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;如無異常情況，分別測量各關(guān)鍵點直流電壓，如靜態(tài)工作點、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);對于放大電路還要用示波器觀察是否有自激發(fā)生。

5.3 動態(tài)檢測與測試

動態(tài)測試是在靜態(tài)測試的基礎(chǔ)上進行的，測試的方法地在電路的輸入端加上所需的信號源，并循著信號的注射逐級檢測各有關(guān)點的波形、參數(shù)和性能指標(biāo)是否滿足設(shè)計要求，如有必要對電路參數(shù)作進一步調(diào)整。若發(fā)現(xiàn)問題，要設(shè)法找出原因，排除故障后，繼續(xù)檢測完電路至沒有錯誤。

5.4 測試注意事項

（1）正確使用測量儀器的接地端，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，在頻率較高時要設(shè)法隔離連接線分布電容的影響，例如用示波器測量時應(yīng)該使用示波器探頭連接，以減少分布電容的影響;

（3）正確選擇測量點和測量;認真觀察記錄實驗過程，包括條件、現(xiàn)象、數(shù)據(jù)、波形、相位等;出現(xiàn)故障時要認真查找原因。

6.結(jié)論

經(jīng)過多次的反復(fù)測試與分析，可以對電路的原理及功能更加熟悉，同時提高了動手設(shè)計能力以及對電路的分析能力。同時在軟件的編程方面得到了提高，對所學(xué)的知識得到很大的鞏固。在測試過程中遇見的問題，也通過不斷的改正，最終得以實現(xiàn)設(shè)計要求的各項功能。

參考文獻

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

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

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

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