光立方 (2)

——光立方

学院：电子信息工程学院

专业、班级： 姓名： 学号：

指导教师：李小松

2013年12月

一：设计任务和要求 .................................... 2

二：总体框图和所用到的器件 ............................ 9

三：器件选择 ......................................... 11

四：功能模块 ......................................... 13

五：总体pcb图： ..................................... 15

六：实物图及心得体会 ................................. 16

一：设计任务和要求

光立方顾名思义是一个立方体，我采用的是8*8*8的模式，主要分为三个

都是纯手工焊接。采用的主控芯片STC15F2K60S2芯片，驱动电路是采用我们常用的74HC573数字芯片。利用512个LED组成的8x8x8的立方体结构，每层共64个LED采用共阴的接法，一共8层，利用锁存器74HC573与驱动器ULN2803的硬件组合而成。

用控制器控制焊接好的8*8*8光立方是之显示不同的图案，具体步骤如下： 1.将8*8*8个发光二极管焊接好。焊接方法如下：

1.先将二极管弯曲成如图1-1-1所示形状

阳极，先弯曲90度，在弯曲90度。这样做是为了和上面的二极管连接 时做到无缝隙。

阴极，直接弯曲90度。这样做为了和横排的二极管相连接。进行八次上诉焊接后接下来就是将8束的LED焊接起来。在从点到线时是将所有 LED的阴极连在一起，而这次则是将所有LED阳极弯折并依次连接，焊接好的二极管示意图如图1-1-1所示。注意：由于焊接过程中将产生静电容易将LED烧坏，因此本项工作完成后请认真检查每个灯的好坏，可以用万用笔等工具检测。

图1-1-1 二极管的弯曲示意图

2.将八个一组的二极管阴极连到一起，依次焊接。

焊接时最好放在模板上。这样可以保证灯之间的距离。否则在进行 搭焊 时，容易不匹配进行八次上诉焊接后接下来就是将8束的LED焊 接起来。

在从点到线时是将所有LED的阴极连在一起，而这次则是将所有LED 阳极弯折并依次连接，连接好的二极管如图1-1-2所示，注意：由于焊接过程中将产生静电容易将LED烧坏，因此本项工作完成后请认真检查每个灯的好坏，可以用万用笔等工具检测。以防止虚焊，或者焊接不牢靠灯问题。

图1-1-2 焊接好的单排二级管图

3.把焊好的一排二极管阳极焊接到一起，一共焊接八拍，形成一个8*8 的点阵块。先将俩个一排的二极管焊接到一起，焊接好的形状如图1-1-3

所示，点阵块的每一行阴极连接到一块，每一纵行焊接到一起相继连接 焊接而成。将LED从面到体的搭建 最后一个步骤是将已焊好的8个面进 行焊接，其方法是将之前8个面上的阴极对应位置依次焊接，最后留出 的8个阴极与ULN2803的输出端进行连接，LED的64阳极则与74hc573 的数据输出端依次连接。

图1-1-3 横排二极管焊接示意图

4.将没一排的二极管插到pcb板子上。

竖排插到数据输出口， 然后依次插入，插入之前要保证整齐均匀 最好焊接底座，这样可以在焊接完之后便于调整高度，使立方整体均匀 本系统由于用到较多的LED灯，对于焊接和调试造成一定的难度，512个 灯中只要有一个出问题替换工作将是非常的麻烦，必须把八层的LED拆 开再取出坏的LED重新焊接。在对电路检查时由于本设计电路版面较大， 检查起来并非易事，焊接好的光立方如图1-1-4所示，在焊接好之后，需

要进行检测，用万用表的二极管档检测，红表笔连接阳极，黑表笔连接阴 极，依次试触。在焊接好之后，可能会有断路的情况，所以保证每个二极 管都能亮。

图1-1-4 焊接好的实物图

2.将锁存器的数据输出端连接每一行的*个灯；（行控）

将所有的数据输出端连接到一起，相应的即D0连接下一个管子的D0，下一个管子的D0连接再下一个管子的D0，锁存器的连接情况如图1-2-1所示。以此类推把八个面做好以后就是把八个面一层一层的叠起来，在这里要注意的是必须用尺子量好各个角度的高度（我们做的间距为2厘米），必须使每一个面在同一水平面上，如下图所示：同样的每次焊完以后都要去检查测试每个灯是否会亮。 焊机好之后需要进行调试，主要是检查全部的灯是否正常工作：

（1）程序烧写进单片机之后，发现有两列没有点亮，还好两列的都在边上，进而如果换灯也相对容易，我们用排除法来检查电路，首先是检查灯的线路是否虚焊，断路，果真有一列的是断路了，把它接上后这一列也亮了。

（2）还剩下另外一列，我们用同样的方法来做，从驱动电路到显示的都没有问题，而且在输入那一列的电压也正常，我们就想不通了，是什么原因呢？我

们怀疑是不是有灯坏了，我们又一个一个的检查了这一列灯，但是全部都会亮，经过很细心的检查终于全亮了。

图1-2-1 锁存器输出与二极管连接图

3.每个所存器的输出使能单独引出(列控)：

每个管子的输出使能分别接到控制器上，就能实现对每个管子的控制输出。

图1-3-1 输出使能控制模块示意图

4.每一层的二极管的负极连接到一块，分别接8达林顿管的一个输出端（层控）：

图1-4-1 二极管和大岭顿管连接示意图

5.用由控制器控制光立方使之显示不同的图案；

二：总体框图和所用到的器件：

如图2-1所示，由控制器发出不同的指令，使光立方显示不同的形状。控制单元发出的指令包含三个部分：

控制器

图2-1 控制流程图

1，控制单元发出控制的数据指令；控制器发出各种各样的数据指令。送到数据口，等待输出使能。在输出使能之前一直保持

2，控制单元控制所存器的工作与否；使能时，数据口的数据被送到输出口处。即便使能无效，数据依然保持。

3，控制单元控制每一层亮灭。为电路提供回路。而且能够驱动较大的电流。

用到的器件：如表2-1 表2-1 所用到器件表

光立方 数据 层控 列控 名称 74hc573 Uln2803 发光二极管

个数 8 1 512 三：器件选择

1. 74hc573锁存器8个。用它来控制行和列。芯片如图二所示，功能，74hc573锁存器用来控制行和列，74hc573锁存器是透明的D型锁存器，当使能LE为高时，输出数据将随输入数据的变化而变化，当输出使能无效时，将保持上一个输入的数据，即便掉电也可以保持数据。在使用74hc573锁存器时，始终将芯片使能端接低电平，即始终使能74hc573锁存器。内部管脚分布如表3-1所示

表3-1 74hc573功能图

OE￣ 1D— 2D— 3D— 4D— 5D— 6D— 7D— 8D— GND 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 Vcc —1Q —2Q —3Q —4Q —5Q —6Q —7Q —8Q LE

2：uln2803八达林顿管一个。八路NPN达林顿管连接晶体管特别使用户低

逻辑数字电路（诸如TTL,CMOS,PMOS或NMOS）和较高的电流/电压要求之间的接口，广泛应用于计算机，工业和消费产品中的灯，继电器，打印机或其他类型的负载中。所有器件具有集电极开路输出和续流二相位极管，用于抑制越变。其内部原理图如图三所示：（注意内部管教和一般的芯片不同，9管教是地端，10管教接ＶＣＣ如图3-2：

图3-2 uln2803内部原理图

3. LED发光二极管

LED的种类繁多，按发光管发光颜色：红色、黄色、绿色、蓝色等：按发光管出光面特征：圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等;按发光管结构：全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等。 方案一：成品视觉效果考虑，本方案使用5mm白发红高亮LED、5mm白发黄高亮LED、5mm草帽白发蓝散光LED、5mm草帽白发绿散光LED;等两种型号四种颜色的LED组合使用。但在成品的最终调试的过程中发现不同型号的LED和同种型号不同颜色的LED所需要的电压和电流是不统一的，因为不同型号颜色的LED自身属性不同。本方案在最终调试的环节宣告失败。

方案二：从最终调试的可行性和光立方的整体效果考虑只使用同种型号相同颜色的LED继续探究，经分析LED发光体的体积越小，整体的通透性就越好，也就

是说后排的LED就越不容易被前排的LED挡住、而另一方面，发光体越大，越容易看到光点，LED光点的可视角度，雾面LED 要比光面LED要大，而草帽头LED的可视角度又比普通窄体的LED要大。根据摆放位置，角度等多方面考虑选择方形2*5*7白发蓝色雾面LED来获得更好的观感。 最后选择蓝色高亮二极管。

图3-3 高亮蓝色发光二极管图

四：功能模块

１：所存模块７４ｈｃ５７３如图4-1：所有的74hc573输出使能连接到控制器的８个ｉ／ｏ口。控制锁存器数据的输出。体现在光立方上就是控制Ｙ方向灯哪个亮。如，数据口为０ｘ００００时，锁存器的输出使能，数据就被送到输出口去了。新的数据也可以置入。这种电路可以驱动大电容或低阻抗负载，可以直接与系统总线接口并驱动总线，而不需要外接口。特别适用于缓冲寄存器，I/O 通道，双向总线驱动器和工作寄存器。

2：数据锁存：当输入的数据消失时，在芯片的输出端，数据仍然保持； 这个概念在并行数据扩展中经常使用到。

图4-1 锁存模块示意图

２：数据输入模块：控制器输入数据送到７４ｈｃ５７３的八个数据口。在使能输出前一直保持。知道使能输出后，才允许改变。如图4-2

图4-2 数据输入模块示意图

3：层控制模块。由八达林顿管构成。考虑到八达林顿管能够驱动电流较高。八路NPN达林顿连接晶体管阵系列特别适用于低逻辑电平数字电路（诸如TTL, CMOS或PMOS/NMOS）和较高的电流/电压要求之间的接口，广泛应用于计算机，工业用和消费类产品中的灯、继电器、打印锤或其它类似负载中。所有器件具有集电极开路输出和续流箱位二极管，用于抑制跃变。ULN2803的设计与标准TTL系列兼容，而ULN2804 最适于6至15伏高电平CMOS或PMOS。

图4-3 层控制模块示意图

五：总体pcb图：

图5-1 总体pcb原理图

注：图5-1中，没八个二极管代表每一排的8*8个二极管。

图5-1中，三个模块最终连接控制器中的3个i/o口上，在层控模块中，需要用到杜邦线将没一层的共地线和uln2803的输出口相连接.每一片74hc573的数

据口都用总线结构连接。每一片74hc573的输出使能连接到锁存模块处。这样就可以实现精确控制到单独的一个灯。在显示图案的时候，一个重要的思想就是使用扫描方法，领用人的视觉停留，每个灯亮玩在亮另一个，如此来回闪烁，使得人看上去的灯其实是一直亮的。

六：实物图及心得体会

焊接好的光立方如图6-1所示：

图6-1 光立方实物图

我们永远会记得2009年的庆祝60周年纪念日的那个晚上，由4028名表演者组成的光立方的图案，让世界人民感到耳目一新的感觉。光立方的出现使得整个晚会上升到一个很高的高度。那光立方的作用是很明显的，应用于现代的各种晚

会的场合，会使得晚会变得有意义而精彩。视觉上的冲击让人们会感到眼前一亮的感觉，相对于传统形式的晚会，带有高新科技的产品助阵会使得人们在精神上的生活变的精彩而又充足。

光立方的出现并不是偶然，而是社会发展的必然性，我们不能只活在过去式的生活里，科技的进步引领这时代的潮流，人们对科技产品的兴趣越来越浓厚，主要是其七彩颜色的变换，让人感觉处在一个神奇的王国当中，因为光立方通过LED灯的七彩颜色变换变的非常的美丽，其立体式的结构使得其渲染效果非常明显。光立方的出现具有划时代的意义，对于人们以后的生活方式有了很大的提高。

此次光立方的设计使用的是单片机控制，降低了成本。通过程序的编写使之能达到我们的要求，就像人的大脑，表达出人的思想。多彩多色的LED展现出的画面就是它们的语言，就科技性非常的高。创新能力不只是结构的变化，更在于我们是如何控制去展现它们。

实现光立方的控制重在程序。程序的逻辑很重要。一个好的程序即能很快的执行代码，又能节省资源。

所以，此次光立方设计可谓收获颇丰啊。