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。
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