杨永刚
【摘要】本文主要介绍了3D光立方的设计思路和制作流程，3D光立方采用了8X8X8共计512个LED组成的阵列，本次设计制作一个三维的发光二极管立方显示体，能够通过编写程序来实现对每一个LED亮和灭的控制，从而可以显示多种多样的图案，具有很高的观赏性，通过制作3D光立方，能提高动手设计能力和对电路的分析能力。
【关键词】3D光立方;电路制作;LED
1.背景与意义
随着人们生活水平的不断提高，3D效果的欣赏已经成了人们的追求，美轮美奂的观赏让人醉心不已，给人带来无比宽松舒适的美感。3D技术已进应用于教学，医学，地下采矿，空中导航等领域。但就目前的发展，3D还不能够普及到人们的生活中，这也就萌发了人们对于3D的设计。本次设计制作一个三维的发光二极管立方显示体，能够通过编写程序来实现对每一个LED亮和灭的控制，从而可以显示多种多样的图案。因此，对发光二极管进行控制，使其显示出不同的花样，带给未来3D技术的科技体验。
2.系统电路设计
本电路设计大体上可以分电源、处理系统、输出显示、输入控制四部分组成。其结构框图如图1所示。
图1 3D光立方电路设计框图
电源供电部分采用一块集成稳压器CW7805，把市电经变压器降压输入电路，而后整流送到稳压器稳压输出作为工作电压。不仅功率上可以满足系统需要，不需要更换电源，并且比较轻便，使用更加安全可靠。
输入控制部分采用按键开关，主要用于切换不同的显示模式。
单片机控制电路是该系统的核心部分，主要控制着LED灯的显示间隔、方式、变换等。
输出控制采用74HC573芯片作为控制光立方的I＼O口扩展芯片，以拓展单片机的输出口，采用动态显示模式，按照图文运动的特点又可以分为闪烁、平移、旋转、缩放等多种显示模式。可以通过一定的算法从原来的显示数据直接生成，再结合输出控制电路，这样程序书写就不会过于繁琐和重复，而且对核心控制器的内存空间要求不高。
LED显示阵列是由8X8X8共计512个LED组成光立方显示屏。
3.3D光立方的工作原理
本设计介绍一个3D LED光立方显示屏的制作，利用单片控制LED点阵显示的原理和控制技术，来制作控制光立方显示。通过编写程序控制不同LED的显示，显示所要显示的内容。根据人眼的视觉暂留效应，设置每幅画面的延迟时间使连续的一系列画面呈现动态。最终达到所要显示的内容。每个灯都是由层控制端和列控制端共同决定亮或灭。
在三维光立方中采用动态扫描显示，这种显示方式巧妙地利用了人眼的视觉暂留特性。将连续的几帧画面高速的循环显示，只要帧速率高于24帧/秒，人眼看起来就是一个完整的，相对静止的画面。最典型的例子就是电影放映机。在电子领域中，因为这种动态扫描显示方式极大的缩减了发光单元的信号线数量，因此在LED显示技术中被广泛使用。
4.3D光立方搭接
为了保持整体的通透性、立体感，3D8光立方因为没有设计额外的LED支架，所有搭接直接使用LED自身的管脚。
准备一块木板，在上面打孔，分布均匀，孔径以配合LED为准。将折弯好的LED插入一排插入以后，其阴极正好可以搭接在一起。进行焊接，实现共阴极的操作。
将垂直各面依次插到面包板上面，以后，将露出的阳极引脚横向折90°，是其可以与其前后同一高度（同一层）的阳极进行焊接，实现各8x8平面的层共阴。实现层共阴以后，我们就得到了共计8条对阴极引线，通过漆包铜线，实现各层的阴极线与主板的连接。其中最頂层的对应最靠近DC电源插座。
5.硬件系统测试
5.1 LED亮度测试方法
使用两节常见的1.5V的干电池判断LED的阳极阴极。将万能面包板接通电源，将LED插入面包板的一对插孔内，其中靠近边缘的为阳极、另一个为阴极，观察其是否能被正常点亮，并可以改变限流电阻改变亮度，观察该型LED的可测亮度范围，建议从最低亮度开始，防止LED被烧毁。测试前不加电源的检查，对照电路图和实际线路检查连线是否正确，包括错接、少接、多接等;用万用表电阻档检查焊接和接插是否良好;元器件引脚之间有无短路;连接处有无接触不良;二极管、三极管、集成电路的电源正负极和电解电容的极性是否正确;电源供电包括极性、信号源连线是否正确;电源端对地是否存在短路（用万用表测量电阻）。若电路经过上述检查，确认无误后，可转入静态检测与测试。
5.2 静态检测与测试
断开输入信号，把经过准确测量的电源接入电路，用万用表电压档监测电源电压，观察有无异常现象。如冒烟、异常气味、手摸元器件发烫，电源短路等。如发现异常情况，立即切断电源，排除故障;如无异常情况，分别测量各关键点直流电压，如静态工作点、数字电路各输入端和输出端的高、低电平值及逻辑关系、放大电路输入、输出端直流电压等是否在正常工作状态下，如不符，则调整电路元器件参数、更换元器件等，使电路最终工作在合适的工作状态;对于放大电路还要用示波器观察是否有自激发生。
5.3 动态检测与测试
动态测试是在静态测试的基础上进行的，测试的方法地在电路的输入端加上所需的信号源，并循着信号的注射逐级检测各有关点的波形、参数和性能指标是否满足设计要求，如有必要对电路参数作进一步调整。若发现问题，要设法找出原因，排除故障后，继续检测完电路至没有错误。
5.4 测试注意事项
（1）正确使用测量仪器的接地端，仪器的接地端与电路的接地端要可靠连接;
（2）在信号较弱的输入端，尽可能使用屏蔽线连线，屏蔽线的外屏蔽层要接到公共地线上，在频率较高时要设法隔离连接线分布电容的影响，例如用示波器测量时应该使用示波器探头连接，以减少分布电容的影响;
（3）正确选择测量点和测量;认真观察记录实验过程，包括条件、现象、数据、波形、相位等;出现故障时要认真查找原因。
6.结论
经过多次的反复测试与分析，可以对电路的原理及功能更加熟悉，同时提高了动手设计能力以及对电路的分析能力。同时在软件的编程方面得到了提高，对所学的知识得到很大的巩固。在测试过程中遇见的问题，也通过不断的改正，最终得以实现设计要求的各项功能。
参考文献
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