LED立方体霓虹灯的设计.doc
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1、1LED 立方体霓虹灯的设计【摘要】任务要求设计一个 8*8*8 的 LED 光立方要用单片机。通过查阅资料并比较了用于制作光立方的单片机芯片的性能,最终选定了该设计以 STC12C5A60S2芯片为主体,74HC595 芯片级联可以扩展 I/O 口,然后通过 Keil5 编程,控制光立方使 LED 灯点亮组成我们想要的图案。例如一颗旋转的心,雨滴下落的样子,汉字循环播放等等十多种图案。我们也可以利用上位机播放音乐让光立方呈现音符跳动的样子,给我们体验视觉与听觉的双重享受。【关键词】LED 立方体STC12C5A60S274HC595LED cube neon lamp design【Abst
2、ract】The task requires the design of an 8*8*8 LED light cube touse a single chip.After consulting the data and comparing the performanceof the MCU chip used to make the light cube,the design is finally selectedwith STC12C5A60S2 chip as the main body,74HC595 chip cascade can expandI/O port,and then t
3、hrough Keil5 programming,control the light cube tomake LED lights light up to form the pattern we want.For example,arotating heart,the appearance of falling raindrops,Chinese charactersplaying in a loop and so on more than a dozen patterns.We can also usethe upper computer to play music so that the
4、light cube presents theappearance of musical notes beating,giving us the double enjoyment ofvisual and auditory experience.【Keywords】LED CubeSTC12C5A60S274HC5952第 1 章 绪论这一章主要介绍了发展 LED 灯的目的,为什么发展它的意义,目前它的发展情况及对 LED 的的未来发展前景光立方有什么特点和性能,然后提出设计 LED光立方的主要研究内容。1.1 目的与意义现阶段,我们可以感受到温室效应给我们在生活和社会资料生产中带来了许多的负
5、面影响。如长时间的下雨,长时间的干旱等等。中国在经济高速发展中每年因为照明所损耗的电力大约占全部电力的 12%15%。因此为了减少能源无缘无故的消耗,必须要找到更节能环保的光源。人们发现此时发现 LED 灯 首先不仅工作需要的电压比传统灯需要的低,而且发光亮度还高。其次它的体积较小,功耗也小。还有就是在外部工作条件下,它的性能稳定,使用寿命长,这样就避免了像传统霓虹灯那样经常替换,节约了人工成本。而 LED 显示屏就发挥了它的优势。1.2 发展现状和前景展望进入信息时代后,LED 显示屏人们让它充分发挥了它自己的特点。LED 屏幕成为在公共场合中各种信息传递的主要载体,它担负着传播新闻、文化和
6、商业活动消息实时发布的任务。因为它在工作中相比传统的显示屏,它更加绚丽多彩,可以以醒目的呈现方式在第一时间内向观众传递。另外它美轮美奂的画面可以美化和改善其周围环境。根据中国 LED 显示屏行业报告,我们可以知道未来的几年里,全球 LED 显示屏的需求量增长速度快速增长,中国会因为大而全的工业基础一跃成最重要的制造基地。未来 LED 显示屏会有这几个发展趋势。它会更加节约成本,更节能化,会更加受到市场的推崇。我们可以获得更好的观赏效果,让它高清高密度化。在一些特殊的场所,我们可以让 LED 显示屏屏幕超大化,这样做可以吸引更多的广告投放商和受众的目光。LED 显示屏在当前建设智慧城市、大数据时
7、代、户外传媒市场一定会有广阔的前景。1.3 光立方实现的功能31、光立方是由 512 个 LED 灯的 8*8*8 的立方体2、通过串口把程序烧进 PBC 中后,我们就可以看见编写的程序经过光立方炫酷动态地呈现出来。例如:一颗旋转的心,雨滴下落的样子,汉字循环播放等等十多动画。3、听音乐的时候,我们可以通过上位机播放音乐控制光立方,让它随着音符的跳动而跳动。可以让我们享受听觉与视觉的双重刺激。4第 2 章 光立方控制模块设计2.1 系统总框图图 2-1 光立方系统总框图LED立方体霓虹灯设计最重要的的部分是单片机 STC12C5A60S2芯片为核心的控制系统,然后以它为躯干再添加光立方显示模式
8、、电源重启模块、音频模式、以及呼吸指示灯模块这样就构成了光立方系统总框图。如图 2-1所示。2.2 总体方案的设计2.2.1单片机芯片任务要求要用单片机设计一个光立方,在图书馆和互联网上查到制作光立方流行的主要单片机芯片,通过分析比较,选定了 STC12C5A60S2 芯片来满足设计要求。之所以选择 STC12C5A60S2 芯片是因为它有几大特点:STC12C5A60S2 芯片对比 89C51 芯片的明显优势在于内部结构上和驱动性能上。使用的这款单片机芯片虽然和 8051 芯片的程序指令和管脚完全兼容,但是它的优势不止这些,在晶振参数情况下,它的运行速度甚至可以到达普通 51 芯片的 8 至
9、 12 倍。另外,STC12C5A60S2 芯片不但可以让程序进行大量存储,而且还有让使用者 用电方式立马擦出和改写的 FLASH 工艺。5图 2-2 单片机芯片管脚图TC12C5A60S2 芯片管脚功能简介管脚 18 表示 ADC 模数转换通道管脚 9 表示 RST 复位脚管脚 10 表示 RxD 串口数据接收端管脚 11 表示 TxD 串口数据发送端管脚 12 表示 INT0 外部中断管脚 13 表示 INT1 外部中断管脚 14 表示 T0 计数器外部输入和计数器时钟输出管脚 15 表示 T1 计数器外部输入和计数器时钟输出管脚 16 表示 WR 外部数据存储写脉冲管脚表示 WR 外部数
10、据存储读脉冲管脚 18 表示外接晶振 XTAL2管脚 19 表示外接晶振 XTAL1管脚 20 表示 GND管脚 2128 表示高 8 位地址总线6管脚 29 表示标准 IO 口管脚 30 表示 ALE 地址锁存允许管脚 31 表示 EX_LVD 外部低压检测中断、第二复位引脚管脚 3239 表示低 8 位地址总线管脚 40 表示 VCC 电源2.2.2 电源选择5V 移动电源即可。2.2.3 阴极驱动芯片图 2-3 74HC595 管脚图选择74HC595 芯片做阴极驱动芯片的优势一个输入端口就可以输出任意的 8位数据,这大大减少I/O 口不足所产生的问题。而且本设计采用的是两个74HC59
11、5级联,那就是一个端口控制 16 个输出口。7图 2-4 74HC595 管脚功能图图 2-5 595 驱动电路图8因为光立方所需要的 LED 灯比较多,为了更好的轻松地控制每一个 LED 灯。利用 74HC595 的特点会让我们更好的进行工作,因为它一个是八位串行输入和八并行输出的芯片。正是因为它的移位寄存器是独立的,而且它的输出锁存器也一样,所以在显示同列数据的时候,同时传送另一个列数据。再给光立方做设计时我们先要把 8 个 74HC595 芯片分 4 组,每两个芯片中的一个芯片的 Q7与另一个芯片的 DS 相连。这样做的目的是扩展 IO 口和更方便的驱动 LED 点阵屏。如图2-5 所示
12、。从单片机 P0.7、P1.4、P1.6、P1.7、P3.6、P3.7 这几个端口发出的信息进行移位存储。之后存储寄存器因为是直接和 8 个输出管脚相连在一起的,所以移位寄存器的数据移动到存储寄存器后,74HC595 的 Q0、Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7,然后就可以通过 LED 灯反应出来。2.2.4阳极驱动芯片图 2-5 APM4953 管脚图9图 2-6 APM4953 驱动电路图APM4953 是双 P 沟道增强型 CMOS 管,可以作为 LED 显示器驱动。在光立方中它的作用一方面是做行驱动,另一方面因为 LED 灯数目众多,使得流向各个LED 灯电流微弱,而 APM49
13、53 则为 LED 灯提供稳定的电流,不至于让 LED 灯忽亮忽灭,影响光立方的展示效果。单片机的 P2.0P2.7 依次相连 4 个 APM4953 的S1、S2,通过 APM4953 的 D1、D2 互连之后再连每一层行的 LED 灯。如图 2-7 所示。图 2-7 共阳层连接图10第 3 章 光立方显示3.1 光立方的制作3.1.1 光立方 3D 的原理查阅资料后,我们会发现光立方运行之后给我们一种炫酷立体的视觉享受。但其实它跟 LED 点阵显示屏的运作原理是一样的,不过它就是八个 8*8 的 LED点阵屏的相叠在一起。光立方给我们立体感是因为单个的点阵屏只有一层的显示,不会让我们有视觉
14、暂留的感觉即我们可以完完整整的看清楚整个点阵屏。当我们可以同时控制 8 个点阵屏后,512 个 LED 灯都会亮也就是说光立方可以构造一个完整立体的动画。光立是先八个 8*8LED 点阵屏列排成 8 层,再用 8 个管脚来作为一个 8 个点阵的启动开关。单片机 STC12C5A60S2 芯片通过 P0、P2、P3这三个端口可以操纵并利用立体空间的点、线、面、体的算法规则,让光立方通过人们构思展现各种各样的 3D 动画效果,动画制作者和动画观赏者都得到满足。3.1.2 LED 灯的使用为了经济和实用,选取光立方使用的 LED 灯是 5mm 圆形灯,它的引脚尺寸为25-27mm,胶体尺寸 5mm,
15、焊接时间建议最好在 3 秒以内这样有效避免 LED 灯被焊坏。实物图如图 3-1 所示:图 3-1LED 灯的实物图11选取好 LED 灯后,接下来就做光立方的搭建的工作。光立方搭建工作不像欣赏光立方炫酷图案那样使人赏心悦目,做这个工作一定是枯燥乏味的。为此我花了一个礼拜的时间。LED 立方体霓虹灯分八列,每列 64 个 LED 灯,采用层共阳,列共阴的结构,图 3-2 展示了怎么焊接光立方的示意图。为了让光立方外形更加直立,每一列的 LED 灯引脚要求把它焊成一条直线,这对焊接者的焊接能力有一定的考验。图 3-2 光立方焊接示意图因为采用层共阳,LED 灯需要将阳极(长脚)引脚折弯 90 度
16、,要注意的是折弯的位置要折到低,贴近 LED 灯的胶体。图 3-3LED 灯折脚图3.1.3 光立方的焊接工作12光立方需要焊接 512 个 LED 灯,如果我们不制做一个简易的焊接模具,那么我们在焊接的时候不方便。焊接模具做 8 个小孔,它们之间的间距为 20mm左右,这样做的目的是在阳极引脚搭接时可以焊接成一条直线,免得焊完后这一排的 LED 灯七扭八拗,从而影响光立方的美观。焊接第一步:把八个 LED 灯倒放入小孔中然后每个 LED 灯的阳极和阳极连接在一起进行焊接。如图 3-4。这样焊接完第一排后,继续焊接第二排,直到焊接完 64 条 8 个 LED 灯。第二步:先两条 8 个 LED
17、 灯的阴极引脚全部搭接,之后搭接条,最后将 64 条 8 个 LED 灯条焊接成 8 个面。如图 3-4 一条 8 个 LED 灯如图 3-5 一面 8 条 LED 灯133.2 光立方的检测如果我们把个竖排面 LED 灯都焊接之后,不做检查就直接把个竖排面LED 灯焊在 PCB 板上。我们不难想到如果一次这个面的 LED 灯某些 LED 灯由于焊接者焊接不规范使得 LED 灯出现损坏。那我们之前做工作时间就白白浪费了。所以焊接完成后对 LED 灯进行检测是非常必要的。检测 LED 灯的电压要注意,以免无意中又损坏了 LED 灯。检测可以用万用表检测。图 3-6 检测 LED 灯数字万用表的正
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