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作者：重庆科技学院 唐俊冰 许奎 叶良俊
指导教师：吴云君

　　作品简介

　　一、作品照片　　

 　　二、开发背景
　　目前的LED显示屏采用了低电压扫描驱动，具有耗电少、使用寿命长、成本低、亮度高、视角大、可视距离远、防水、规格品种多等优点，可以满足各种不同应用场景的需求，发展前景非常广阔，被公认为最具增长潜力也是发展最快的LED应用市场。2008年LED显示屏市场规模约100亿元。随着北京奥运会、上海世博会、广州亚运会等重大赛会的举办和筹备，体育场馆、机场、车站、银行、医院、公共广场、商业场所、居民社区的大面积应用。
　　随着LED的大面积应用和推广，人们对LED显示屏的需求已经不仅仅是显示一个平面的图像、视频或则文字，而是逐渐需要其拥有更炫的显示效果、更强的立体性和动态性。

　　三、结构说明
　　创意旋转光立方硬件结构图如下图所示，本系统主要包含如下几部分：
　　1.16×16LED点阵;
　　2.STC15F2K61S2单片机最小系统;
　　3.外部直流大功率稳压电源、电池电源及LM2596稳压模块;
　　4.霍尔传感器及磁铁;
　　5.高转速大功率直流电机;
　　6.旋转结构支撑基座。
　　本系统将LED点阵、单片机最小系统以及电源模块集中到一个统一的模块上，然后利用直流电机驱动该模块整体旋转，并利用霍尔传感器检测外部信号，从而实现旋转，将LED点阵转化为立体显示效果。　　

 　　四、功能与使用说明
　　4.1 功能
　　1.显示立体图像;
　　2.显示文本或者文字;
　　3.显示基本的三维立体动画效果;
　　4.随着外接环境参数的改变而变换显示方式或者内容。

　　4.2 使用说明书
　　1. 创意旋转光立方位置的正确放置
　　由于本系统旋转会产生很大的离心力，因此我们选用的底座比较重，因此在使用是需放置在一个表面光滑的平面上，并且该平面必须为水平平面，否则会在使用过程中达不到最好的效果甚至造成预想不到的后果。
　　2. 系统的上电过程
　　本系统电源分为两部分，第一部分为单片机最小系统和LED点阵系统电源，第二部分为外部直流驱动电源。在系统启动时，首先应该开启单片机最小系统电源和LED点阵系统电源，在看到LED点阵上面显示出字符或者图形之后再开启外部直流电机驱动电源，以确保系统的正常运行和正常的显示效果。
　　3.创意旋转光立方工作过程
　　本作品分为几部分显示内容，包括字符、图形、动画，上电过程之后，系统会根据内部参数和外部环境的变化，自动的切换显示内容，所有的显示内容均为立体的或者是动态的，人可以在旋转体周围360°范围内移动，整个范围内都会看到完整的立体的图像、动画或字符。
　　4.操作规范
　　在系统运行之前，必须按照以上要求执行所有操作。在运行过程中，由于系统处于高速旋转当中，具有一定的危险性，因此，操作人员必须离旋转体50CM以外，以防被挂擦而受伤。在电源接入时，必须正确的接入电源正负极，否则会使系统损坏或者烧坏。给系统和电机接入的直流电必须经过严格的电压、电流和纹波限制，电压和电流不稳均会导致系统工作不正常。

　　平台选型说明

　　系统平台选型
　　本创意旋转光立方选用STC15F2K61S2开发板为核心控制平台(单片机硬引脚封装如下图所示)。其具有如下特点：
　　1. 61K字节片内片内Flash程序存储器，擦写次数10万次以上;
　　2. 片内大容量2048字节的SRAM;
　　3. 大容量片内EEPROM，擦写次数10 万次数以上;
　　4. 共8 通道10 位高速ADC，速度可达30 万次/秒，3 路PWM 还可当3 路D/A使用;
　　5. 共3通道捕获/比较单元(CCP/PWM/PCA)
　　6. 内部高可靠复位，8级可选复位门槛电压，彻底省掉外部复位电路;
　　7. 内部高精度R/C 时钟，内部时钟从5MHz～35MHz可选，相当于普通8051的60MHz～420MHz;
　　8. 两组高速异步串行通信端口(可同时使用)，可在5 组管脚之间进行切换，分时复用可当5组串口使用。
　　9. 一组高速异步串行通信端口SPI。　　

 　　设计说明

　　一、硬件原理
　　本作品以STC15F2K61S2芯片为控制核心，采用自制的高亮度16×16LED显示屏、大功率直流电机、霍尔传感器、蓄电池以及LM2596稳压电源模块
　　2.1 STC15F2K61S2单片机最小系统
　　STC15F2K61S2单片机最小系统电路原理图如下图所示，根据我们本题目的需要，我们采用STC15F2K61S2单片机，自行设计了一个单片机最小系统。如原理图所示，我们根据其特征，对每一个输入输出引脚
        设置了上拉电阻，并且将单片机每一个引脚都单独引出，然后自己采用
　　电路板雕刻机雕刻出了最小系统电路板。本系统我们采用的是STC15F2K61S2单片机的30M的内部时钟频率，同时预留了电源接口和霍尔传感器接口，方便我们本系统功能的实现，并且极大的简化了繁杂的外部电路。　　

 　　2.2 LM2596稳压电源电路
　　LM2596系列是3A电流输出降压开关型集成稳压芯片，它内含固定频率振荡器(150KHZ)，和基准稳压器(1.23v)，并具有完善的保护电路：电流限制、热关断电路等。利用该器件只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路。具有最大输出电流3A ，最高输入电压37V，输出电压5V(还包含3.3V、12V和ADJ)，最大输出电压37V、震荡频率150KHZ、转换效率75%~88%(不同电压输出时的转换效率不同)、工作温度范围-40℃~+125℃ 以及低功耗/正常两种工作模式。
　　此处，根据我们的硬件消耗计算出需要一个能够提供大电流的、稳压效果好以及纹波系数小的稳压芯片，通过几种稳压芯片的对比，最终我们选择了LM2596集成稳压芯片，并且根据本系统的需要，我们自行设计了稳压模块的外围电路(见图3所示)，另外扩展了输入和输出插脚数量，可以同时给几路模块提供5V的电压源。在电路设计中，我们采用了电容对输出电压信号进行高频滤波，使最后得到的输出稳压电压处于很低的频率，并且减小了频率波动。
　　电路中同时也采用了电感进行电压的整流，使得得到的电压波动幅值很小，输出电压稳定，适合我们系统的要求。　　

 　　2.3 LED点阵显示屏
　　创意旋转光立方采用的是16×16的LED点阵(如下图所示)，此处，为了使得旋转出来体现的立体效果更加的明显更加的炫目，我们采用了高亮度LED，并且放弃了传统的圆点型而采用的是方形的LED灯。在LED显示译码技术上，我们采用的是74HC595的串入并出的芯片，此芯片采用单线接收数据，并将串行数据转换为八位的数据通过并口输出。　　

 　　二、软件原理
　　创意旋转光立方的软件结构流程图如图所示：　　

 　　三、硬件PCB图
　　1.稳压电源模块　　

 　　2.最小系统原理图　　

 　　作品特色

　　作品特色及创新
　　本创意旋转光立方虽然到目前为止仍然在不断的改进，但也取得了一定的特色和良好的效果，该作品主要有以下特色及创新点：
　　1.将平面的LED点阵通过电机驱动旋转起来，构成了一个三维立体的点阵，使得点阵可以显示出立体的效果;
　　2.能够显示立体的和动态的动画、文字和图形，并且能够根据外部环境的改变而改变显示的内容;
　　3.显示的动态的动画、文字和图形均为环绕式，人在旋转体周围360°范围内均能够清晰的看到完整的动画、文字和图形;
　　4.采用矩形外观的高亮度LED，并且发蓝色光，使得旋转显示出的效果更加具有立体感，色彩效果更为炫目;

系统演示视频：http://v.eepw.com.cn/video/play/id/2344