作者：內(nèi)蒙古民族大學物理與電子信息學院 王思樂 朱明想 劉堯哉
指導教師：孫曉為

　　作品簡介

　　開發(fā)背景和功能使用說明：
　　該作品的設(shè)計思路來源于現(xiàn)代人追求新鮮的特點,人們的在傳統(tǒng)廣告信息轟炸下逐漸的視覺疲勞,越來越激發(fā)不了人消費群體的消費欲望。在此背景下，我們設(shè)計了可以顯示3D圖形的光立方，通過光立方實時的三維立體的顯示廣告，不停的變換立體圖形效果達到引起消費者注意的目的，不僅可以使商家的商標和廣告唯美的變換，還可以使消費者更愿意發(fā)時間去欣賞它，實時的了解商家要表達的信息。
　　我們的光立方主要功能是在整體上實現(xiàn)畫面立體的顯示，實現(xiàn)動態(tài)的實時3D顯示效果，同時可以根據(jù)要求改變程序的數(shù)組部分就可實現(xiàn)畫面的自主定義，也可自己寫更多美輪美奐的圖形。即可顯示出我們想要的3維立體圖形，字母，數(shù)字，也可實現(xiàn)圖形字母數(shù)字的來回變換，移動和交替的變換，達到不間斷的變換效果。
　　注:
　　由于此次時間倉促，我們的PCB畫出后，沒有時間再去發(fā)到工廠制作，所以此次的74LS259控制主板使用萬用板全部手工焊接。

　　結(jié)構(gòu)說明：
　　1、硬件設(shè)計：
　　硬件系統(tǒng)設(shè)計框圖如下　　

 　　2、軟件設(shè)計：
　　軟件設(shè)計框圖如下　　

 　　圖片：　　

 　　平臺選型說明

　　由于此次選擇的項目是光立方，考慮到本作品的設(shè)計最低要求和可行性，同時由于大賽的51開發(fā)板成本低，并且大賽提供的51單片機內(nèi)部頻率高，IO口豐富，且內(nèi)部Flash程序存儲器大，完全可以實現(xiàn)對光立方的控制。所以我們選擇了單片機開發(fā)板(以STC15F2K61S2芯片為控制核心)這套開發(fā)板，基于STC15F2K61S2的所含的功能，我們通過外接的部分引腳擴展，在開發(fā)板上的直接調(diào)試，然后通過外界電路可以簡單快捷的調(diào)試和觀察效果。所以此次光立方制作是基于STC15f2K61S2單片機平臺設(shè)計的。

　　設(shè)計說明

　　一、系統(tǒng)設(shè)計
　　1、硬件設(shè)計：
　　硬件系統(tǒng)設(shè)計框圖如下　　

 　　2、軟件設(shè)計：
　　軟件系統(tǒng)設(shè)計框圖如下　　

 　　二、功能模塊設(shè)計
　　(一)硬件模塊設(shè)計
　　1、LED組合燈的驅(qū)動芯片74LS259芯片如下圖　　

 　　2、引腳概述　　

 　　3、74LS259控制主板模塊：結(jié)合大賽51開發(fā)板，所用電路原理圖如下(只畫出大賽所用單片機IAP15F2K61S2,開發(fā)板電路未畫)　　

 　　4、硬件原理分析：結(jié)合以上原理圖,在實際的電路搭建中，所有的電路主板共用了一個電源，經(jīng)過穩(wěn)壓后，在5V左右變化，采用的三極管參數(shù)為：
　　9013 結(jié)構(gòu)：NPN
　　低頻管 放大倍數(shù)30-90
　　集電極-基電壓 40V
　　集電極-發(fā)射極電壓 20V
　　射極-基極電壓 5V
　　集電極電流 500mA
　　耗散功率 625mW
　　特怔頻率 最小 150MHZ
　　放大倍數(shù)：D64-91 E78-112 F96-135 G122-166 H144-220 I190-300　　

 　　該型號的二極管工作電流在20至40mA，而74ls259提供的理論最大輸出電流為36mA,所以74ls259的輸出電流足夠點亮該二極管，為了提高二極管的亮度，同時為了合理的利用現(xiàn)有的器件。
　　所以利用三極管的放大電流和開關(guān)的作用，在一個二極管分支(包含64個二極管)的組合中我們把每行8個二極管的陰極共接到一個三極管上，這樣一共八行二極管接到三極管，三極管接到P1口。再把每列八個二極管的陽極共接到一起，通過74LS259譯碼器連接到P2.5—P2.7這三個IO口。然后利用矩陣鍵盤的原理，在選通該分支電路工作時，就可以選擇好行后，再選擇列，以達到控制單個二極管的亮滅。 通過P3口來選擇二極管的分支。
　　在焊接二極管的分支的過程中完全按照原理圖的原理來焊接，然后按照排列的規(guī)律把八個8x8LED點陣連接在一個底座電路板上組合成立體的效果。

　　(二)軟件模塊設(shè)計：
　　首先是該系統(tǒng)的驅(qū)動程序的編寫，經(jīng)過分析我們總結(jié)出了兩種方法。
　　方法一：一種完全是依靠數(shù)組來實現(xiàn)，即用十六進制的數(shù)組以八個LED管為單位，例如0x01來控制P2口，輸出到立方體的電路上即表示立方體的y軸的第一列整個給出高電平(可參考圖5中的電路原理圖)，然后再給P3口一個十六進制數(shù)例如0x01，即可控制大家的y軸上的第一個燈亮(相當于給了該二極管一個低電平)。這樣就可完全以數(shù)組的形式來控制立方體中任意對應(yīng)的二極管的亮滅。我們的x，y，z軸的定義如下 圖(從正面看)?！　?/p>

 　　方法二：利用循環(huán)的程序來實現(xiàn)，即用到某個燈亮時直接給高電平即可，例如要然x軸的一排八個LED燈全亮，利用for語句一次給P2口的P01到平7口依次賦高電平同時給P31口高電平即可。

　　三、總結(jié)
　　1、硬件：
　　在硬件上的驅(qū)動部分我們利用了74LS259在3-8譯碼器工作狀態(tài)時，每輸出一個地址時八個輸出引腳中只有一個引腳輸出高電平的特點，除去了輸出錯誤碼和亂碼的可能，因為每次只可能單獨的控制一個y軸上的坐標點。同時大大簡化了其他的附加電路，在二極管的陰極我們只需加一個三極管就可同時時實現(xiàn)放大電流與控制二極管的導通兩項功能，充分的利用了三極管的特性。這些特點滿足了簡單的控制和簡單的用軟件去實現(xiàn)我們想要的各種圖形，為以后的軟件開發(fā)和大型開發(fā)打下了基礎(chǔ)，也大大節(jié)省了電路成本。但我們也看到了該電路的局限性，適合早期的開發(fā)和調(diào)試，當加大該立方體的體積時，即增加LED的數(shù)目時，我們的電路就需要更多的單片機的外接引腳來控制，同時電路的制作復雜程度也會上升。

　　2、軟件：
　　在軟件上我們開發(fā)上我們用了兩套的開發(fā)驅(qū)動，一套專用于顯示圖形和實現(xiàn)圖形旋轉(zhuǎn)的程序，即以數(shù)組為基礎(chǔ)的驅(qū)動。另一套專用于實現(xiàn)簡單的測試和基本演示的功能，同時以這套驅(qū)動為基礎(chǔ)可寫出更多的靜態(tài)的圖形效果，程序源碼見該文檔的附件。但我們也看到了我們的驅(qū)動各有優(yōu)缺點，第一套的驅(qū)動程序可以增加LED的亮度，控制簡單，每次只需改動數(shù)組內(nèi)容即可，但是非常的占用單片機有限的內(nèi)存。第二套驅(qū)動大部分是以循環(huán)的方式來實現(xiàn)我們想要的效果，控制相對簡單但是隨著循環(huán)的次數(shù)增加LED整體的亮度會有所下降，而且隨著顯示圖形的復雜度增加，使用此驅(qū)動的算法復雜度也會增加，使程序變的晦澀難以理解。所以我們根據(jù)不同的情況使用不同驅(qū)動，以求達到最佳效率。

　　四、不足之處
　　由于比賽時間限制，此次光立方為8*8*8的光立方，所以顯示的畫面和圖形受限，只顯示一些比較簡單的商標和圖形3維立體效果。當硬件電路擴大時，使用更多的led，做成16*16*16或者更為復雜的光立方時，可以實現(xiàn)更多復雜商標和圖形的立體變換顯示。原理是相通的。但是硬件電路的復雜度會急劇上升，所以以后如何用更加簡單的硬件電路來實現(xiàn)光立方，是我們以后要考慮的問題。

　　五、附件：(c語言源代碼)
　　注：由于代碼長度上千行，所以只貼出了主函數(shù)和驅(qū)動部分
　　/*****此驅(qū)動函數(shù)實現(xiàn)通過循環(huán)控制led來實現(xiàn)圖形的變換和移動**********/
　　void BBLED( uchar x , uchar y , uchar z ) // 列的LED控制 x為x軸的燈從0~7，
　　// y為y軸的控制從0~7，z為z軸的燈為十進制從0~7
　　//可單獨控制一個燈的亮滅
　　{
　　P3 = 255 - (1 << z); //2的z次冪 _nop_();
　　P25 = y-( y>> 1 << 1 ); //y對二取余
　　P26 = (y>>1)-( (y>>1) >> 1 <<1 ); //y對二取模，對二取余
　　P27 = (y>>2); //y對四取模
　　_nop_();
　　_nop_();
　　P1 = (1 << x) ;
　　delay10us(); //10延時毫秒
　　P1 = 0x00;
　　_nop_();
　　}
　　/*********此驅(qū)動函數(shù)實現(xiàn)通過數(shù)組來實現(xiàn)圖形的變換和移動**************/
　　void led2(uchar address,uchar rowlig,uint Brightness) //rowlig表示所亮的行，address
　　//表示每一列的地址,一共64列. Brightness表示亮度，所賦值越大，亮度越大
　　{
　　/************************最外層28列地址**************************************/
　　if(0<=address&&address<8) { P1=0; P3=z[address]; P2=0xff; P1=x[rowlig]; delay_us(Brightness);P1=0;}
　　if(8<=address&&address<15) { P1=0; P3=0x7f; P2=y[address-7]; P1=x[rowlig]; 
elay_us(Brightness);P1=0;}
　　if(15<=address&&address<22) { P1=0; P3=z[21-address]; P2=0x1f; P1=x[rowlig]; delay_us(Brightness);P1=0;}
　　if(22<=address&&address<28) { P1=0; P3=0xfe; P2=y[28-address]; P1=x[rowlig]; delay_us(Brightness);P1=0;}
　　/***************************次外層20列地址****************************/
　　if(28<=address&&address<34) { P1=0; P3=z[address-27]; P2=0xdf; P1=x[rowlig]; delay_us(Brightness);P1=0;}
　　if(34<=address&&address<39) { P1=0; P3=0xbf; P2=y[address-32]; P1=x[rowlig]; delay_us(Brightness);P1=0;}
　　if(39<=address&&address<44) { P1=0; P3=z[44-address]; P2=0x3f; P1=x[rowlig]; delay_us(Brightness);P1=0;}
　　if(44<=address&&address<48) { P1=0; P3=0xfd; P2=y[49-address]; P1=x[rowlig]; delay_us(Brightness);P1=0;}
　　/*********************倒數(shù)第二層12列地址**********************/
　　if(48<=address&&address<52) { P1=0; P3=z[address-46]; P2=0xbf; P1=x[rowlig]; delay_us(Brightness);P1=0;}
　　if(52<=address&&address<55) { P1=0; P3=0xdf; P2=y[address-49]; P1=x[rowlig]; delay_us(Brightness);P1=0;}
　　if(55<=address&&address<58) { P1=0; P3=z[59-address]; P2=0x5f; P1=x[rowlig]; delay_us(Brightness);P1=0;}
　　if(58<=address&&address<60) { P1=0; P3=0xfb; P2=y[62-address]; P1=x[rowlig]; delay_us(Brightness);P1=0;}
　　/************************最內(nèi)層4列地址**********************/
　　if(60<=address&&address<62) { P1=0; P3=z[address-57]; P2=0x9f; P1=x[rowlig]; delay_us(Brightness);P1=0;}
　　if(62==address) { P1=0; P3=0xef; P2=0x7f; P1=x[rowlig]; delay_us(Brightness);P1=0;}
　　if(63==address) { P1=0; P3=0xf7; P2=0x7f; P1=x[rowlig]; delay_us(Brightness);P1=0;}
　　}
　　/*********主函數(shù)**************/
　　void main()
　　{
　　uchar nn; //nn控制每個圖形函數(shù)的循環(huán)次數(shù)
　　P1 = 0X00; //初始化
　　P2 = 0X00;
　　P3 = 0XFF;
　　init ();
　　while(1)
　　{
　　daojishi(); //倒計時
　　nn=2;
　　jinzhi(); //金字塔
　　zenduo(); //用于銜接下個圖形
　　ledall(); //全亮
　　mtoo0() ; //以立方體的形式從邊緣到中心
　　while(nn--)
　　mtoo2(); //從中心到邊緣來回縮放
　　mtoo3(); //實現(xiàn)立方塊從中心到邊緣的放大再縮小效果
　　jiansao(); //銜接函數(shù)
　　utod(); //單排led從下到上再從上到下的單排循環(huán)
　　qtoh(); //單排led從前到后再從后到前的單排循環(huán)
　　rtol(); //單排led從右到左后再在從左到右
　　jianduo1(); //銜接函數(shù)
　　nn=2;
　　while(nn--)
　　ledall(); //全亮函數(shù)
　　jiansao(); //銜接函數(shù)
　　fungus(); // 蘑菇圖形
　　nn=3;
　　while(nn--)
　　tu2(); //繞著光立方縱向轉(zhuǎn)
　　tu3(78); //繞著光立方橫向轉(zhuǎn)
　　nn=150;
　　while(nn--) //亮一排led
　　for(row=0;row<8;row++)
　　for(cen=0;cen<8;cen++)
　　led(cen,row,0);
　　appletu1(); //引出蘋果
　　pwuxin(); //引出五星
　　nn=6;
　　while(nn--)
　　roll(wuxin,29); //五角星中心旋轉(zhuǎn)
　　nn=3;
　　while(nn--)
　　roll(xin,29); //心形中心旋轉(zhuǎn)
　　nn=2;
　　while(nn--)
　　roll(shan,29); //扇形繞中心旋轉(zhuǎn)
　　roll(apple2,105); //蘋果繞中心旋轉(zhuǎn)
　　dayin(); //打印蘋果
　　zhuan1(apple,30,140); //蘋果繞外層旋轉(zhuǎn)
　　jp(); //蘋果消失
　　jie(); //銜接蘋果與箭頭
　　roll(jiantou1,65); //箭頭旋轉(zhuǎn)
　　picmo(); // 信號以排移動
　　zhuan1(jiantou,20,69); //箭頭繞環(huán)
　　nn=3;
　　while(nn--)
　　play1(); //stc商標
　　link(); //銜接圖形
　　nn=2;
　　while(nn--)
　　move();
　　flag(); //流動旗幟one
　　link1(); //銜接圖形
　　nn=3;
　　while(nn--)
　　mtoo1(); //以排的形式從中心到邊緣
　　dove(); // 扇形旋轉(zhuǎn)
　　nn=8;
　　while(nn--)
　　xuzu(); //順時針旋轉(zhuǎn)圖形
　　nn=3;
　　while(nn--)
　　tu1(); //三角體變換
　　flag2(); //流動旗幟two
　　jcube(); //銜接cube
　　cube(); //四角光立方移動
　　play2(); //顯示年月日
　　while(1)
　　butterfly(); // 蝴蝶圖形
　　}
　　}

　　作品特色

　　一、光立方在LED行業(yè)中的運用：
　　1、LED顯示屏面積過大，造成幕墻式的視覺阻隔。
　　2、LED顯示屏播放的內(nèi)容過分商業(yè)化造成觀看人群的拒看心理。
　　所以光立方獨特地3維立體顯示效果，更會吸引人群的注意力，使消費者愿意花時間去欣賞它，實時的了解商家要表達的信息。

　　二、光立方的創(chuàng)新
　　立體led光立方是不同于傳統(tǒng)led廣告牌，它創(chuàng)新的支持3維立體顯示效果，可以從任意角度看到內(nèi)部的顯示字，所有的字都可以在現(xiàn)實界面以內(nèi)任意變化和移動，放一些變幻莫測的畫面，這將是一種改變廣告?zhèn)髅叫Ч男录夹g(shù)。
　　這種廣告牌炫酷效果超好，是未來LED的發(fā)現(xiàn)趨勢，而且成本能有效控制。

系統(tǒng)演示視頻：http://v.eepw.com.cn/video/play/id/2329