3D空間立體顯示系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

南 陽 理 工 學 院 本科生畢業(yè)設計（論文）學 院：電子與電氣工程學院專 業(yè)：電氣工程及其自動化學 生： 申 浩 指導教師： 曹 婷 完成日期 2014 年 5 月II南陽理工學院本科生畢業(yè)設計（論文）3D空間立體顯示系統(tǒng)設計與實現(xiàn)Design and Implementation of the 3D Space Stereo Display System總 計： 32 頁表 格： 1 個插 圖 ： 24 幅南 陽 理 工 學 院 本 科 畢 業(yè) 設 計（論文）3D空間立體顯示系統(tǒng)設計與實現(xiàn)Design and Implementation of the 3D Space Stereo Display System學 院： 電子與電氣工程學院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 學 生 姓 名： 申 浩 學 號： 105090740053 指 導 教 師（職稱）： 曹婷（講師） 評 閱 教 師： 完 成 日 期： 南陽理工學院Nanyang Institute of Technology3D空間立體顯示系統(tǒng)設計與實現(xiàn)3D空間立體顯示系統(tǒng)設計與實現(xiàn) 電氣工程及其自動化專業(yè) 申浩摘要 3D空間立體顯示系統(tǒng)是一個長、寬、高由888個LED燈組成的真實3D立方體顯示。LED具有“高光效、高顯色性、高可靠和低成本”，其最大的特點，就是可以以此為平臺更加高效經(jīng)濟的研究3D顯示技術。本設計以單片機為控制核心，來實現(xiàn)各種顯示效果。它除了可以顯示平面上的效果還可以顯示3D圖形，展示不同的造型和圖案,具有豐富的視覺效果。本系統(tǒng)主要完成了3D空間立體顯示的原理、硬件電路設計、軟件設計、系統(tǒng)測試與調試等內(nèi)容，在此基礎上，借助Altium Designer軟件繪制原理圖再做出相應的PCB電路板，完成系統(tǒng)調試，并針對具體問題做出相應分析，最終實現(xiàn)了3D圖形顯示，并進行了部分功能擴展。關鍵詞 3D空間立體顯示系統(tǒng)；單片機；印刷電路板；3D圖形顯示Design and Implementation of the 3D Space Stereo Display SystemElectrical Engineering and Automation Specialty SHEN HaoAbstract: 3D Space Stereo Display System, CUBE8, is a real 3D cube display, which is like an array composed by 888 LED lamp.LED has characteristics of thehigh light efficiency, high color, high reliability and low cost.What its greatest feature is that it can be more efficient and economical for research 3D display technology.This design based on micro-controller control as the core, to achieve a variety of display. It can be displayed in addition to the effect on the plane can also display 3D graphics, showing different shapes and patterns, with rich visual effects. The system completed the principle of 3D Space Stereo Display System, hardware design, software design, system testing and debugging, etc.on this basis, In this foundation, we can draw up the schematic diagram with Altium Designer software, then make the corresponding PCB electric circuit board, subsequently builds the material object, completes the system debugging, and aims at the concrete question to make the reasonable analysis, finally has realized the 3D graphical display, and carried out some function extensions. Key words: 3D space stereo display dystem; micro-controller; printed circuit board; 3D graphics 目 錄1 引言11.1 課題研究背景及意義11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢11.3 論文組織結構安排11.3.1 主要設計內(nèi)容21.3.2 論文結構22 系統(tǒng)總體設計22.1 3D空間立體顯示控制原理22.2 系統(tǒng)設計方案22.3 主要元器件介紹32.4 系統(tǒng)模塊設計72.4.1 單片機最小系統(tǒng)設計72.4.2 供電系統(tǒng)及電源接口模塊設計72.4.3 USB轉TTL模塊設計82.4.4 層控制電路模塊設計92.4.5 按鍵電路模塊設計102.4.6 行列選擇電路模塊設計102.5 PCB設計123 系統(tǒng)硬件設計134 系統(tǒng)軟件設計164.1 軟件設計平臺164.2 軟件功能結構175 系統(tǒng)調試205.1 硬件調試205.2 軟件調215.3 系統(tǒng)測試結果與分析215.3.1 測試結果分析215.3.2 效果展示21結束語24參考文獻25附錄26致謝323D空間立體顯示系統(tǒng)設計與實現(xiàn)1 引言1.1 課題研究背景及意義所謂“3D空間立體顯示系統(tǒng)”：就是在平面LED基礎上發(fā)展起來的新的顯示技術，通過復雜的程序控制，在三維空間能夠顯示具有立體感的圖形、動畫等。3D空間立體顯示系統(tǒng)是由LED燈組成，由于發(fā)光二級管質量比較穩(wěn)定，使用壽命長，不用頻繁地去更換，能減少成本，更節(jié)能。在網(wǎng)上可以看到用各種色彩的LED制作出來的各種熱賣的光體形狀，包括長方體、立方體、不則形狀等，形狀和色彩多樣，很漂亮。本次采用LED燈制作立方體，即3D空間立體顯示系統(tǒng)。3D空間立體顯示技術作為一種特殊的顯示資源，已用于一些廣告行業(yè)、家庭、娛樂廳、會議室、大型演唱會、城市地標廣場等場所的布置和裝飾，還可以用于更廣泛方面，具有廣闊的應用前景1。3D空間立體顯示技術的研究極具創(chuàng)意和啟發(fā)，而且可以低成本、高效益地研究未來的3D技術。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢3D空間立體顯示技術在北京奧運會以及上海無線電展世博會都有相關應用。其在2009年國慶聯(lián)歡晚會上面世，由四千多棵光藝高科技“發(fā)光樹”組成。它以精美璀璨、千變?nèi)f化、動感流暢的表演,成為當晚天安門廣場的視覺核心2?！?D空間立體顯示系統(tǒng)”是由4028棵“發(fā)光樹”組成的方形“地面視頻”區(qū)域，可以根據(jù)愛國歌曲的不同內(nèi)容，展示不同的造型和圖案，吸引了眾多人的眼球。2011年9月3日，在上海舉辦的中國無線電展上，3D空間立體顯示系統(tǒng)被擺放在無線電雜志的展臺上。同時“3D空間立體顯示”手電筒也在在上海世博會主題館、中國館得到使用。目前在國內(nèi)外，人們越來越注重于節(jié)能燈的使用，而LED燈已經(jīng)在歐洲以及德國眾多地方的照明行業(yè)首屈一指，因此在這個大的背景下使用LED燈作為研究，更是順應潮流。此外，3D空間立體顯示技術的研究還可應用于未來的3D手機、3D電視機等，其研究在未來很有市場3。1.3 論文組織結構安排本設計采用橫向為8顆LED，縱向也為8顆，總共8層，組成8*8*8的LED立方體。硬件主要分為三個模塊：控制模塊、I/O擴展模塊、驅動模塊和顯示模塊等。主控芯片選用宏晶科技公司生產(chǎn)的增強型8052單片機STC12C5A60S2，擴展和驅動電路主要采用74HC573芯片，顯示模塊為8*8*8的光立方。采用延時控制的方式，單片機由Keil編寫的控制程序控制LED的亮滅，使整個3D空間立體顯示系統(tǒng)動態(tài)展現(xiàn)多種造型和圖案，產(chǎn)生絢麗多彩的顯示效果。1.3.1 主要設計內(nèi)容本文主要介紹系統(tǒng)設計方案、控制模塊設計、驅動模塊設計、顯示模塊設計、電源模塊設計以及系統(tǒng)調試等。1.3.2 論文結構第一章為引言部分，簡要介紹了3D空間立體顯示技術研究背景和意義、國內(nèi)外的一些應用和現(xiàn)狀以及主要內(nèi)容的介紹等。第二章為總體設計部分，主要說明了總體設計思路、3D空間立體顯示控制顯示原理和系統(tǒng)的控制方案，主要元器件的介紹說明，各個模塊的設計。第三章為硬件部分設計，包括單片機控制電路的設計、3D空間立體顯示的模型設計等。第四章為軟件設計，包括軟件設計流程圖，軟件設計程序等。第五章為軟硬件調試，包括后期軟件調試，以及整體效果調試。2 系統(tǒng)總體設計2.1 3D空間立體顯示控制原理3D空間立體顯示系統(tǒng)其功能相當于三維顯示器，只不過它是由LED燈組成的三維的立方體。3D空間立體顯示系統(tǒng)顯示的原理簡單的說就是用單片機控制512個LED燈，在不同時刻點亮要顯示圖案位置所在的燈，利用人眼余輝效應，可以看到比較完整的顯示圖案或動畫了4。其原理如下：3D空間立體顯示系統(tǒng)從下到上共8層，每一層64個LED的負極接到一起，第一層64個正極單獨引出，第二層的每個正極分別接到它對應第一層正極，第三層的正極接第二層的正極。就是豎著看是8個接到一個正極上。連在一起的是陰極，這樣焊接起來。3D空間立體顯示系統(tǒng)引出8 個層引出線加上64個正極引出線，共引出72根線，因此只需對這72根引出線控制即可5。單片機先送出8字節(jié)數(shù)據(jù)，即64位，再選擇第一層，點亮或熄滅第一層的64個LED，然后再送出8字節(jié)數(shù)據(jù)，選擇第二層，依次類推。到第8層后，再到第一層，接著循環(huán)。就是用單片機的定時中斷掃描，只要控制這64個正極引出線使其能夠自由變換，然后再通過控制每個層依次點亮即可，由于我們眼睛的視覺暫留，使我們感覺看到的東西是一起再亮的。這樣我們就看到了一個完整的圖案了。2.2 系統(tǒng)設計方案本設計采用層整體控制的思路，每層只引出一個引腳，那么，我們的電路設計的基本原理知道了。如何讓一個引腳來當64個燈的“總開關”呢？只要將64個燈陽極或陰極連在一起，在連到這個引腳上即可。那么如何用16個引腳來控制這64個燈的另外64個引腳呢？此設計采用了74HC573暫存的方法，來分別把64個燈的亮滅信息存到這個上面，然后再一起輸出到燈上，這樣我們通過查詢相應芯片的型號可以確定基本電路。 圖1 系統(tǒng)結構圖 如上圖1所示，系統(tǒng)的整體結構圖是以STC12C5A60S2單片機為核心，包括驅動模塊、電源模塊、接口模塊、鍵盤模塊以及顯示模塊。2.3 主要元器件介紹（1）STC12C5A60S2單片機STC12C5A60S2是宏晶科技推出的一款1T增強型51單片機，此芯片集成了各種高性能工業(yè)標準接口，并且與傳統(tǒng)51在資源布局上有完全的兼容性，大部分傳統(tǒng)51的程序可以直接移植過來使用，無需修改，與傳統(tǒng)51不同的是，STC12C5A60S2時1T內(nèi)核，速度是傳統(tǒng)51單片機的12倍，速度快，性能穩(wěn)定，是一款高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機。另外，它自帶A/D轉換功能，無需外設A/D轉換模塊，而且儲存空間大6，可以存儲足夠多的圖片顯示程序。如下圖2所示為STC12C5A60S2單片機的引腳定義圖和封裝圖，各引腳功能不同，P0、P1、P2和P3口在常規(guī)狀態(tài)下是雙向I/O口，其余的并且有的引腳有雙功能。這里只對第二功能說明。而P1和P3口都有第二功能，如下表1所示。表1 第二功能引腳號第二功能P1.0T2(定時/計數(shù)器2外部計數(shù)脈沖輸入),時鐘輸出P1.1T2EX(定時/計數(shù)器2捕獲/重裝觸發(fā)和方向控制)P1.5MOSI（在系統(tǒng)編程用）P1.6MISO（在系統(tǒng)編程用）P1.7SCK（在系統(tǒng)編程用）P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2INT0()外中斷0P3.3INT1()外中斷1P3.4T0(定時/計數(shù)器0)P3.5T1(定時/計數(shù)器1)P3.6WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） 圖2 STC12C5A60S2RD引腳圖以及封裝圖 （2）74HC573鎖存器 圖3 74HC573引腳圖 如圖3所示為74HC573 鎖存器的引腳分布圖，可用于列控制。OE的專業(yè)術語為三態(tài)允許控制端（低電平有效），通常叫作輸出使能端。1D8D 為數(shù)據(jù)輸入端；1Q8Q為數(shù)據(jù)輸出端；LE為鎖存允許端，或叫鎖存控制端。真值表用來表示數(shù)字電路或者數(shù)字芯片工作狀態(tài)的直觀特性7。如表2所示，真值表中字母的含義即H-高電平、L-低電平、X-任意電平、Z-高阻態(tài)。也就是既不是高電平也不是低電平，而它的電平狀態(tài)由與它相連接的其他電氣狀態(tài)決定；Q0-上次的電平狀態(tài)。由圖4可看出，當OE為高電平時，無論LE與D端為何種電平狀態(tài)，其輸出都為高阻態(tài)。很明顯，此時該芯片處于不可控制狀態(tài)。而我們將74HC573接入電路是必須要控制它的，由此在設計電路時就必須將OE接低電平。當OE為低電平時，LE為H時，D與Q同時為H或L；而當LE為L時，無論D保持何種電平狀態(tài)，Q都保持上一次的數(shù)據(jù)狀態(tài)。也就是說，當LE為高電平時，Q端數(shù)據(jù)緊隨D端數(shù)據(jù)而變化；當LE為低電平時Q端數(shù)據(jù)保持LE端變化為低電平之前Q端的數(shù)據(jù)狀態(tài)。在開發(fā)板上，LE端與單片機的引腳相連，再將鎖存器的輸入端與單片機的的某組I/O口相連，便可通過控制鎖存器的鎖存端與鎖存器的數(shù)據(jù)輸入端的數(shù)據(jù)來改變鎖存器的數(shù)據(jù)輸出端的數(shù)據(jù)狀態(tài)8。（3）ULN2803達林頓管ULN2803為八重達林頓晶體管陣列用于層控制,如圖5所示引腳1，2，3，4，5，6，7，8為輸入，對應的腳18，17，16，15，14，13，12，11為輸出。10腳為8路輸出的續(xù)流二極管公共端。輸入電壓 5V，TTL和5V的CMOS電路可直接驅動。輸出500MA、50V9。因為輸出是集電極開路，所以輸出接負載，負載的另一端得接正電源。應用是9腳接地。當輸入為0時，輸出達林頓管截止，負載無電流。輸入為高電平時，輸出達林頓管飽和，負載就有電流流入輸出口。10腳在驅動感性負載時用的，驅動感性負載時10腳接負載電源+10。 圖5 ULN2803封裝圖和引腳圖ULN2803是集成達林頓管IC，內(nèi)部還集成了一個消線圈反電動勢的二極管，可用來驅動繼電器。它是雙列16腳封裝,NPN晶體管矩陣,最大驅動電壓為50V,電流為500mA,輸入電壓為5V,適用于TTL COMS,由達林頓管組成驅動電路。 ULN是集成達林頓管IC,內(nèi)部還集成了一個消線圈反電動勢的二極管,它的輸出端允許通過電流為200mA，飽和壓降VCE 約1V左右，耐壓約為36V。用戶輸出口的外接負載可根據(jù)以上參數(shù)估算。采用集電極開路輸出，輸出電流大，故可直接驅動繼電器或固體繼電器，也可直接驅動低壓燈泡。通常單片機驅動ULN2803時，上拉2K的電阻較為合適，同時，COM引腳應該懸空或接電源。 圖6 PL2303引腳圖 圖7 PL2303芯片封裝圖（4）PL2303PL2303是一種高度集成的RS232-USB接口轉換器，該器件作為USB/RS232雙向轉換器，一方面從主機接收USB數(shù)據(jù)并將其轉換為RS232信息流格式發(fā)送給外設；另一方面從RS232外設接收數(shù)據(jù)轉換為USB數(shù)據(jù)格式傳送回主機11。其各引腳的定義和封裝圖如上圖6，圖7所示。2.4 系統(tǒng)模塊設計2.4.1 單片機最小系統(tǒng)設計考慮到單片機的最小系統(tǒng)節(jié)約成本和可以滿足需要使用的功能，并且考慮到內(nèi)存容量的問題，綜合選用STC12C5A60S2單片機，其最小系統(tǒng)如圖8所示。包括時鐘電路、按鍵電平復位電路、串口下載電路、外圍接口電路、喇叭及單片機外圍器件。其中復位電路由一個10K電阻和10uF電容組成，極為經(jīng)典。晶振采用12M，和兩個22pF電容組成時鐘電路。而喇叭則由一個PNP三極管驅動，電源為+5V電壓。圖8 單片機最小系統(tǒng)圖2.4.2 供電系統(tǒng)及電源接口模塊設計系統(tǒng)分為兩種供電方式，一種即最小系統(tǒng)板供電，它給單片機單獨供電，本系統(tǒng)采用LM7805和LM2940供電，這兩款芯片紋波小，線性好，電流大，能保證單片機及器件穩(wěn)定長時間工作，是理想的元器件。而外圍器件供電主要是，提供達林頓管層選時以及74HC573位選時的供電等，而電源接口采用適配器供電，如下圖9所示，輸入輸出端分別接一個100uF進行濾波，防止電路中電壓突變，減小紋波，而分別接0.1uF電容則是為了消除尖峰脈沖，防止擊穿芯片，給電路穩(wěn)定性帶來影響。兩個芯片輸出端分別有LED指示燈，可以隨時查看是否正常工作，甚至還能從燈的亮度判斷負載大小變化。圖9 供電系統(tǒng)圖2.4.3 USB轉TTL模塊設計 USB轉TTL電平設計主要目的是通過PL2303芯片將USB數(shù)據(jù)轉換為單片機可用的串口數(shù)據(jù)，以供下載程序時使用，本系統(tǒng)將USB下載電路單獨分來，具體電路如圖10所示，同時將引腳TXD和RXD單獨引出，可以非常方便使用。另外，PL2303外圍電阻電容均采用貼片封裝，因為其性能好，穩(wěn)定性強，誤差比一般的電阻電容要小，精確度高，可以大大提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。圖10 USB轉TTL電平電路2.4.4 層控制電路模塊設計 本系統(tǒng)的層控制采用達林頓管ULN2803A來實現(xiàn)選擇哪一層。這個電路設計較為簡單，只要控制其中要顯示的層引腳就能選通相應的層。本系統(tǒng)使用P3口來控制層選通，值得注意的是，P3口必須要有10K上拉電阻，電壓為+5V,否則效果非常不好。另外，ULN2803A輸出端要串聯(lián)330歐姆電阻，防止電流過大燒毀LED，具體電路如圖11所示。圖11 層控制電路2.4.5 按鍵電路模塊設計 設計按鍵電路主要目的是當3D空間立體顯示系統(tǒng)顯示動畫時可以采用按鍵切換顯示的動畫，而也可以不用，直接顯示全部動畫，主要是看如何編寫程序。按鍵電路如圖12所示，通過LED燈的亮滅可以判斷哪個按鍵被按下，效果非常明顯，可以用來調試程序等。圖12 按鍵電路2.4.6 行列選擇電路模塊設計系統(tǒng)采用8個74HC573實現(xiàn)行列的控制，如圖13所示，采用了74HC573暫存的方法，來分別把64個燈的亮滅信息存到這個上面，然后再一起輸出到燈上，這樣通過查詢相應芯片的型號可以確定基本電路。而本次設計是采用P0口為使能控制，選擇哪一個74HC573通，而P2口送燈的亮滅信息到74HC573中鎖存起來。本部分值得注意的是PCB板繪制時8個74HC573的布局以及布線方式，因為它們都是信號線，非常容易受到外部干擾，如強電磁場，信號折射等，所以在布線時要特別注意，不能使用自動布線，而要手動布線，要將干擾降低到最小。同時也可以采用一些方法來達到類似的效果，例如雙面敷銅接地，增大接地面積，強弱電路分離，信號線遠離高頻信號源。 圖13 行列選擇電路系統(tǒng)總原理設計圖如下圖14所示，包括單片機最小系統(tǒng)、按鍵電路、USB下載電路、層控制電路、行列控制電路、供電電路以及外圍接口電路等。 圖14 系統(tǒng)總體原理圖2.5 PCB設計 在畫PCB電路板時，要兼顧到布局要求，布局原則，布局順序，以及一些常用的布局方法等。（1）元器件布局要求：保證電路功能和性能指標；滿足工藝性、檢測、維修等方面的要求；元器件排列整齊、疏密得當，兼顧美觀性。 （2）元器件布局原則：排列方位盡可能與原理圖一致，布線方向最好與電路圖走線方向一致；PCB四周留有5-10mm空隙不布器件；布局的元器件應有利于發(fā)熱元器件散熱；高頻時，要考慮元器件之間的分布參數(shù)，一般電路應盡可能使元器件平行排列；高、低壓之間要隔離，隔離距離與承受的耐壓有關。對于單面PCB，每個元器件引腳獨占用一個焊盤，且元器件不可上下交叉，相鄰兩元器件之間要保持一定間距，不得過小或碰接。 （3）元器件布局順序：先放置占用面積較大的元器件；先集成后分立；先主后次，多塊集成電路時先放置主電路。 （4）常用元器件的布局方法：可調元件應放在印制板上便于調節(jié)的地方；質量超過15g的元器件應當用支架，大功率器件最好裝在整機的機箱底板上，熱敏元件應遠離發(fā)熱元件；對于管狀元器件一般采用平放，對于集成電路要確定定位槽放置的方位是否正確。系統(tǒng)的PCB圖是按照原理圖，然后再合理的布局設計出PCB圖，這個系統(tǒng)元器件不是很多，因此采用雙層的設計，元器件合理分布在頂層和底層板面上。然后布線，布線的時候要遵循一些原則，如印制線的走向要盡可能取直，以短為佳，不要繞遠；印制線的彎折要走線平滑自然，連接處用圓角，避免用直角；雙面板上的印制線，兩面的導線應避免相互平行；作為電路輸人與輸出用的印制導線應盡量避免相互平行，且在這些導線之間最好加接地線；印制線作地線盡可能多地保留銅箔作公共地線，且布置在PCB的邊緣。大面積銅箔使用時最好鏤空成柵格，有利于排除銅箔與基板間粘合劑受熱產(chǎn)生的揮發(fā)性氣體；導線寬度超過3mm時中間留槽，以利于焊接。此外還要考慮元器件合理排列問題等。綜合考慮本次設計如下圖15所示。經(jīng)過系統(tǒng)軟硬件調試證明，系統(tǒng)硬件電路穩(wěn)定，PCB元器件布局合理，整體來看比較整潔好看，同時能有效降低元件間的相互干擾。另外，本板是雙層板，采用大面積敷銅接地，極大地提高了抗干擾能力。絲印層標記清晰，能清楚地看到“南陽理工學院”的?；铡？偟膩碚f，該PCB設計合理，能完全滿足本系統(tǒng)的設計需求，穩(wěn)定性很強。 圖15 PCB圖3 系統(tǒng)硬件設計3D空間立體顯示系統(tǒng)制作過程：v 彎折LED燈本次3D空間立體顯示系統(tǒng)采用高亮藍色燈，制作步驟如下所示： （1）水平折彎LED燈（如圖16所示）：基本徒手可以完成，為了焊接的整齊性，要保證角度的統(tǒng)一。 （2）垂直折彎：可借助尖嘴鉗，目的是讓陰極擺出發(fā)光體一部，使其可以與其上下的LED進行搭接。 圖16 LED彎折圖v 制作底層支架為了在骨架焊接時穩(wěn)固一點，所以首先制作底板支撐光架，底板采用泡沫板，首先自己畫一個8*8的直徑為5mm的圓的布局圖，圓用黑色實心表示，打印出來并平貼在泡沫板上面，然后把黑色圓實心挖去，剩下的圖以備用（如圖17所示）。圖17 泡沫板v 搭建光立方體搭建LED骨架是按照先一排，再一層都焊接好，最后到體。但是在每一層焊好后，要對LED燈測試，因為焊接的時候，烙鐵溫度高容易損壞LED燈。并且層與層之間的連接也要測試燈的好壞。到最后全部測試一次。最終焊接的圖如圖18所示： 圖18 3D空間立體顯示系統(tǒng)骨架圖v 搭建控制底板控制底板的原理圖是在Altium Designer軟件上完成的，經(jīng)過導入完成PCB的繪制，本板采用雙面板設計，兩面覆銅，布局合理，抗干擾性強，整體穩(wěn)定性高，性能良好，需完成元器件的焊接工作。具體控制底板如圖19所示：圖19 3D空間立體顯示系統(tǒng)控制底板圖v 整體實物圖最終完成制作的實物圖如下圖20所示，左側為系統(tǒng)LED骨架，右側為控制板。圖20 完整實物圖4 系統(tǒng)軟件設計4.1 軟件設計平臺Keil是德國Keil公司（現(xiàn)已并入ARM 公司）開發(fā)的微控制器軟件開發(fā)平臺，是目前ARM內(nèi)核單片機開發(fā)的主流工具。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調試器在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（uVision）將這些功能組合在一起。uVision當前最高版本是uVision4,它的界面和常用的微軟VC+的界面相似，界面友好，易學易用，在調試程序，軟件仿真方面也有很強大的功能。圖21 Keil MDK開發(fā)環(huán)境uVision4 IDE是一款集編輯，編譯和項目管理于一身的基于窗口的軟件開發(fā)環(huán)境。uVision4集成了C語言編譯器，宏編譯，鏈接/定位，以及HEX文件產(chǎn)生器。如圖21所示，是它的一個典型的調試窗口，它主要包括以下幾個窗口：l 工程區(qū)：用于訪問文件組和文件，調試是可以查看CPU寄存器。l 輸出窗口：顯示編譯結果，以便快速查找錯誤的地方，同時還是調試命令輸入輸出窗口，也可以用于顯示查找結果。l 內(nèi)存窗口：顯示指定地址內(nèi)村里的內(nèi)容。查看和調用l 堆棧窗口：用于查看和修改變量的值，并且現(xiàn)實當前函數(shù)調用。l 代碼窗口：用于查看和編輯源文件。l 外設對話框：檢查微控制的片上外設的狀態(tài)。l 使用Keil來開發(fā)嵌入式軟件，開發(fā)周期和其他的平臺軟件開發(fā)周期是差不多的，大致有以下幾個步驟：l 創(chuàng)建一個工程，選擇一塊目標芯片，并且做一些必要的工程配置。l 編寫C或者匯編源文件。l 編譯應用程序。l 修改源程序中的錯誤。l 聯(lián)機調試。4.2 軟件功能結構軟件設計包括按鍵程序、主程序和顯示程序三大部分，軟件功能結構框圖如圖22所示。主程序通過調用按鍵查詢程序來判斷待顯示的圖案及花樣，主程序則調用相對應的顯示程序送到控制端口。 圖22 軟件功能結構框圖系統(tǒng)采用C語言編寫，按照模塊化的設計思路設計程序。首先分析程序所要實現(xiàn)的功能，程序要實現(xiàn)可靜態(tài)顯示、動態(tài)顯示和三維立體顯示。通過按鍵控制程序選擇不同的顯示程序進行顯示。主程序的工作流程如圖23所示。程序開始時首先要對單片機進行初始化設置，其中初始化設置的內(nèi)容包括：中斷優(yōu)先級的設定，中斷初始化，定時器初始化，各I/O口功能的設定等。把各子程序寫為一個可單獨執(zhí)行的完整子程序段，各子程序編譯無錯誤后再下載到單片機進行仿真驗證，這兩項都通過后再將所有的程序整合到一起，形成一個完整的程序再進行編譯和仿真驗證。 圖23 主程序流程圖3D空間立體顯示系統(tǒng)的程序顯示的內(nèi)容除了常規(guī)的挨個點亮、層點亮、全點亮等，還移植了多個flash顯示動畫，效果動感絢爛，很有節(jié)奏感。主要功能函數(shù)分析（1）初始化函數(shù)分析：對單片機定時器設置。因此，程序可以在固定的時間更新使用的中斷函數(shù)。void sinter() IE=0x82; /中斷允許控制寄存器 /1000 0010 /| |_ET0定時器中允許 /|_EA開所有中斷 TCON=0x01;/定時器與外部中斷控制寄存器 /0000 0001 / |_外部中斷IT0為0下降沿觸發(fā) /定時器計數(shù)器的控制寄存器 TH0=0xc0; /定時器計數(shù)器0高字節(jié) /1100 0000 TL0=0; /定時器計數(shù)器0低字節(jié) TR0=1; /啟動T0計數(shù),默認方式0工作 （2）主函數(shù)函數(shù)分析：在主函數(shù)中直接調用動畫顯示函數(shù)。/*主函數(shù)*/void main() P3 =0x00; /第一層:每一層的陽極連在一起P2=0x00;P0=0x00; delay1ms(1000);delay1ms(1000);P0=0xff; /初始化，選通所有，寫0，關二極管！ P2=0x00;once(); /挨個點亮rank();/挨行點亮layer();/挨行點亮sinter(); /系統(tǒng)初始化while(1) clear(0); /數(shù)組display清零if(K1=0) flash_1();/動畫的效果是：顯示阿拉伯數(shù)字 clear(0); if(K2=0) flash_2(); /動畫的效果是往返。 flash_3(); /動畫的效果是_從左到右，一次一豎層一豎層點亮。 flash_4(); /樓梯狀點亮_行；然后，進行移動。 flash_5(); /金字塔型點亮_豎層；然后，來回縮放進行移動。 clear(0);if(K3=0) flash_6(); /首先，層讓外圍轉一圈，然后天上下雨。if(K4=0) flash_7(); /四面八方繞光立方，然后成三棱柱型旋轉。if(K5=0) flash_10(); / 八個角落的四方體，進行旋轉起來的動畫效果！! clear (0); if(K6=0)flash_11(); /顯示單層的紅旗飄飄上下跌宕，然后是2行的漫無邊際游蕩，最后是繁星閃爍！ 5 系統(tǒng)調試控制電路板的安裝與調試在整個系統(tǒng)制作中占有重要位置，它是把理論付諸實踐的過程，也是把紙面電路設計轉變?yōu)閷嶋H產(chǎn)品的必經(jīng)階段。系統(tǒng)調試可以分為硬件調試和軟件調試。5.1 硬件調試硬件調試即當搭建好電路板之后，要對整個電路測試，試驗和測試常用的儀器有：萬用表、穩(wěn)壓電源、示波器、邏輯分析儀等。（1）調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。若電路經(jīng)過上述檢查，確認無誤后，可轉入靜態(tài)檢測與測試。（2） 靜態(tài)檢測與測試斷開輸入信號，把經(jīng)過準確測量的電源接入電路，用萬用表電壓檔檢測電源電壓，觀察有無異?，F(xiàn)象，如冒煙、異常氣體、手摸元器件發(fā)燙、電源短路等。若發(fā)現(xiàn)異常情況，立即切斷電源，排除故障；若無異常情況，分別測量各關鍵點直流電壓，如靜態(tài)工作點、數(shù)字電路輸入端和輸出端的高、低電平值及邏輯關系等是否在正常工作狀態(tài)下，如不符，則調整電路元器件參數(shù)、更換元器件等，使電路最終工作在適合的狀態(tài)。（3） 動態(tài)檢測和測試動態(tài)測試是在靜態(tài)測試的基礎上進行的，測試的方法是在電路的輸入端加上所需的信號源，并循著信號的方向逐級檢測各有關點的波形、參數(shù)和性能指標是否滿足設計要求，如有必要對電路參數(shù)作進一步調整。若發(fā)現(xiàn)問題，要設法找出原因，排除故障后，繼續(xù)檢測電路至沒有錯誤。 5.2 軟件調試本設計程序較為復雜，所以在編寫程序和測試時出現(xiàn)了相對較多的問題，最后經(jīng)過多次模塊子程序的修改，一步一步的完成，最終解決了軟件上出現(xiàn)的問題。如燒入程序后，LED顯示屏顯示閃動，而且亮度不均勻。對此首先要對測用的延時進行逐漸修改，就可以解決顯示閃動問題。其次，由于本設計使用動態(tài)掃描的方式顯示圖形，動態(tài)掃描很快，人眼無法看出，但是在測試顯示程序時，如果不在返回時屏蔽掉最后的附值，則會出現(xiàn)很亮或殘影的現(xiàn)象，所以在顯示的后面加了屏蔽滅燈指令。本次軟件設計以keil Vision4軟件為平臺進行程序編譯的，當程序編譯完成后生成HEX文件，在使用STC-ISP工具下載到單片機中，然后就可以進行顯示了。5.3 系統(tǒng)測試結果與分析5.3.1 測試結果分析（1）在測試中遇到發(fā)光二極管不亮、亮度不高時，首先使用測量儀器對電路進行測試，觀察是否存在漏焊、虛焊或者元件損壞。（2）LED顯示屏顯示不正常，還有亮度不夠，首先使用測量儀器對電路進行測試，觀察電路是否存在短路現(xiàn)象，查看燒寫的程序是否正確無誤，對程序中易影響顯示的部分進行認真檢查和修改。5.3.2 效果展示下面是幾種不同圖案顯示的效果，如圖24所示。 圖24 顯示效果圖經(jīng)過多天的軟硬件的設計和制作，已經(jīng)完成了基本的構架，從效果上來看，顯示結果還是比較滿意的，可以看出硬件電路基本穩(wěn)定，顯示結果清晰無串擾，說明PCB布局合理，各器件間沒有干擾，雖然效果不錯，但是還需經(jīng)一步的調試和分析才能使系統(tǒng)更加完善。結束語本設計一改傳統(tǒng)的平面流水燈的風格，而是從平面向立體發(fā)展，通過更寬廣的三維空間呈現(xiàn)出更加絢麗的效果，直接沖擊著人們的審美視覺，不再停留在乏味的平面成像。設計并采用更加優(yōu)越的STC12C5A60S2單片機，使系統(tǒng)具有更強大的功能和驅動能力。再者，從平面向立體這符合科技發(fā)展的要求，適應主流。3D空間立體顯示系統(tǒng)主體部分由512個LED組成，在制作過程中鍛煉了動手焊接能力，并以低成本，智能化產(chǎn)品對實現(xiàn)經(jīng)濟利益、商業(yè)價值的形成具有積極的推動作用。將512個LED從點到線，從線到面的搭建以及無數(shù)次的調試，最終有了好的結果。硬件基本上很穩(wěn)定，顯示亮度均勻，充足，可顯示圖形和簡單的文字，并且顯示結果穩(wěn)定，無串擾，通過不同程序的編寫，可以實現(xiàn)更優(yōu)圖形的顯示。在完成畢業(yè)設計的過程中也存在一些問題：沒有考慮仿真軟件是一個理想的仿真環(huán)境，而實際連接的電路板與仿真現(xiàn)象有差異，導致在仿真軟件中能良好運行的程序出現(xiàn)顯示問題。3D空間立體顯示系統(tǒng)在以后的設計中，可以制作出不同的模型，不僅僅是正方形，還可以制作出人們能夠構想出的任意形狀，燈光的顏色也可以任意配置，要是加上音頻動感隨動就更好了。也可以制作成為動態(tài)運動、旋轉的架構，還可以將光立方的幾個面制作成類似電影的畫面的效果，人們就可以從四個平面的地方來看電影了。3D空間顯示系統(tǒng)還可以拓展的方面很廣，這里僅僅說了幾點。 參考文獻1 白明國慶60周年聯(lián)歡晚會“光立方”的設計與實施J設備與科技，2009(6):21-23 2 何麗歐奧運五環(huán)彩燈旋轉閃爍控制電路的設計制作J科技信息，2012(24):349-3503 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P17;/-顯示內(nèi)容-uchar idata display88;/*-字符庫-*/*rank:A,1,2,3,4,I,心,U*/Uchar.codetable_cha88=0x51,0x51,0x51,0x4a,0x4a,0x4a,0x44,0x44,0x18,0x1c,0x18,0x18,0x18,0x18,0x18,0x3c,0x3c,0x66,0x66,0x30,0x18,0xc,0x6,0xf6,0x3c,0x66,0x60,0x38,0x60,0x60,0x66,0x3c,0x30,0x38,0x3c,0x3e,0x36,0x7e,0x30,0x30,0x3c,0x3c,0x18,0x18,0x18,0x18,0x3c,0x3c,0x66,0xff,0xff,0xff,0x7e,0x3c,0x18,0x18,0x66,0x66,0x66,0x66,0x66,0x66,0x7e,0x3c; /*the IDEASOFT*/uchar code table_id40=0x81,0xff,0x81,0x00,0xff,0x81,0x81,0x7e,0x00,0xff,0x89,0x89,0x00,0xf8,0x27,0x27,0xf8,0x00,0x8f,0x89,0x89,0xf9,0x00,0xff,0x81,0x81,0xff,0x00,0xff,0x09,0x09,0x09,0x01,0x0,0x01,0x01,0xff,0x01,0x01,0x00;/*railway*/uch