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| 本文作者： 李王 | 2016-01-29 17:31 |
本文作者李王，创客马拉松深大站参赛选手，深职院大二学生。本文详细介绍了他自己DIY的一款“8X8X8”点阵3D显示器（下图）的全部制作过程。
3Dcube8（光立方）是一个由LED组成的3D显示器，是一个集实际型 、经济型、性价比高的艺术品， 它不仅仅局限于装饰，更是能够帮助更好的学习C语言实际应用、满足单片机爱好者对单片机的研究的个好工具。3Dcube8有多种规格，常见的有单色4*4*4、单色8*8*8、RGB全彩光立方等。其中前者是这之中最简单的，制作难度和成本最高的是采用RGB的全彩光立方，这里我选择制作单色8*8*8。
1、项目材料简介：
Led的选择：市面上有很多种发光二极管，按形状分方形和圆形草帽状、按效果又有高亮雾面等区别。考虑到美观和降低制作难度，我选择了3mm长脚高亮雾面发光二级管，长脚的最大优势就是可以作为支架，省时省力。
驱动方式利用人眼视觉暂留特性，利用逐层扫描的方式，来达到显示各种图案的目的。常见的coms锁存器（cmos发热低，优先选择）有74hc573和74hc595，前者为并入，后者串入。因为不需要光立方的级联设计，所以采用573锁存器。
主控芯片选择较多，有常见的AVR、STC、ARDUINO 等。根据之前学过的课程，我们决定采用stc系列的STC89c5A60S2增强型单片机作为主控芯片。之所以不选89C52等芯片，不是因为他们的运算速度不够，主要原因是它们的片上flash太小，难以满足需求，其次是因为自己有闲置的STC89C5A60S2，片上内存大，运算速度1T，即充分利用资源节省成本，又可以实现所需要的功能需求。最后就是附属配件 usb转ttl串口的stc下载线。选择采用cp2102作为usb转串口芯片方案，下载STC单片机完胜PL2303方案，最高下载速度可达115200波特率。
2、详细制作步骤
一. 电路设计
1. 软件部分
实验环境：AD13，
该部分我们在altlium designer 13上完成,及用 altlium designer 13画出所有原理图,然后生成PCB,最后将PCB图发给工厂,制造出对应的电路板.
a. 控制模块——单片机最小系统
b. 驱动电路——p口接8片573le端
在驱动电路上，图中的电阻都是150r的限流电阻,限流电阻130r为理论值.大于这个小于这个都可以。限流电阻r=(vcc-vf)/i，Vcc电源电压，Vf为led的正向电压降，I为led的工作电流，I大了,就亮，小了就会偏暗。
到此,光立方的原理部分就结束了,接下来就该做PCB部分了.全部原理图如下图所示:
c. PCB图的生成
我们将完成的原理图(图4)导入到PCB项目里,并进行合理的布局,然后开始布线,最后覆铜（如图5，图6）保存文件并将文件发给PCB板制造工厂。接下来就是短暂的等待。
在此期间我们可以进行下一步的制作。
2. 硬件部分
a. 显示电路 ——led点阵屏的制作
现将选定的LED灯弯曲成图7的样子，再按照图8将LED灯焊接在一起，一共需要焊接512个，共8片，每片64个。单片焊接完成如图9，图10,8片焊接结束如图11 图12。将8片LED按照8X8X8排列在一起，如图13图14。
将LED灯焊接完成后，相信我们定做的PCB板也完成了，那么接下来我们开始焊接电路板，因为电路板上都是贴片，元器件非常小，所以在焊接过程中我们可以选用镊子夹住元器件，先在电路板上固定一只管脚，在逐一将其焊接…… 
到此，我们的焊接部分全部结束，接下来又要开始软件部分，不过在进行软件部分以前，我们需要吧焊接好的LED灯插入到PCB正面上的排母里，如图17、图18。 
3.软件部分
所需软件：keil4.0、STC-ISPv4.80
这里主要是将程序烧录到单片机内，当然，这需要经过很多次的调试才能完成，呈现出自己想要的效果，感觉这是一个巨大工程，不过只要有恒心，一切都不是事，哈哈……下图是程序中的一小小小部分
补充：程序的设计分为4部分
1. 初始化部分
主要是设置对应的中断，定时工作方式。
2. 显示部分
把立方体看作8位数码管，每个面即为一个数码管，每个面的显示原理是和8X8点阵是完全一样的，保证这段程序正确的，可以直接调用。查表的方式是自0起递增的，每次加1，每个画面查表64次。当然，实际的情况是要小于65536的，控制程序的代码也会占用rom空间，就会导致了画面次数减少，所以，要想在有限的空间内显示更多的画面，就得尽量把程序写的简短。c语言可以直接定义16位变量。
3. 中断部分
为了达到动画效果切换时间可准确调节性，画面的切换用中断方式。把时间通过一个变量来表示，这样每次只需修改一个变量，就可以设置动画的速度了。每次发送中断后，查表的变量就加64(i=i+64)，然后返回显示程序继续显示，中断程序只做变量的计算，改变的是查表的地址。
4. 循环
程序循环，循环的条件是i变量不满足动画显示的上限值。比如做八个画面，那么i的的值不满足8X64时，就继续显示，满足就清零从新开始。
显示循环
主题的显示程序，应该是一个死循环，一直在显示一个画面，只有中断产生的时候，改变了查表的变量，才切换一次动画。每个画面都显示后，注意修正变量，能使其显示同一个画面，不管是查表的变量还是Z轴，Y轴的控制变量，都要进行初始化，直到中断的产生才改变查表的变量数值。
经过多次反复的调试，终于成功了，达到了我们想要的结果，可是那么高大上的东西，总要有个外壳吧，为了方便，实惠，我们选用3D打印机自己做咯，首先我们3D建模软件（这里使用soildwork，也可以使用其他，如3DMax等）画出相应尺寸的模型（如图19然后使用cura设定打印参数，最后将文件导入打印机，开始打印，几个小时之后，就可得到我们想要的模型了，如图20）
到了这里，我们的单色8*8*8光立方也就结束了，套上外壳并插上电源，期待已久的画面瞬间亮瞎了我的眼睛 好咯，接下来让我们一起来欣赏那动人的画面
视频演示：
项目补充：
1. 测试方案
a、在8片点阵屏搭建完成之后采用点阵屏整面点亮方式检查每一面LED的通电情况，有过亮、过暗或者完全不亮的及时拆换。
b、检查电路板的焊点和飞线是否有虚焊或者漏焊情况，元件正负极有无颠倒情况。
c,、电路组装采用整体组装整体测试方式。
d、烧录测试程序，检查光立方的全亮状态下有没坏点。
2. 注意事项
a、搭建LED一定要主要，焊接温度和静电问题！
以上情况，会照成LED损坏，和LED微亮的情况。
（距离LED灯头 3mm左右 电烙铁 放在上面加锡。5-10秒LED就会坏的，尽量焊接一个点在3秒左右，就算一次不成功也没事等他冷却了，在焊接）。电烙铁接地处理里没有地的，在电烙铁头铁壳上绑一根电线，脚踩在水泥地板上线踩在脚下。
b、 LED的间距
LED间距为20M，就是刚刚好标准洞洞板9个孔间距。
3.后期制作
在后期，我们将继续对光立方进行更深入的研究与制作，做出更大更绚丽的光立方。
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