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作者：内蒙古民族大学 王思乐 王剑亮 赵彦东

指导教师：周昆鹏 崔健

　 作品简介 

　　1、研究背景和作品特色：

　　现代社会中利用LED进行显示开发的应用越来越多，小到商店的门牌显示，大到整个建筑外表的灯光装饰。但是现在的显示平台多以二维平面的LED显示较多，大多数光立方尽管非常漂亮，但是实际功能不强。我们打破了传统单色光立方的设计方案，弥补了单色光立方的缺陷和不足。

　　本作品所设计的多功能演示仪是以双基色LED为显示基础，构成一个具有3D效果的显示模块，用以显示用户想显示的各类模型。该显示模块集成了16×16×16双基色LED立方体，可以使用红外，独立按键来进行控制，并采用真彩触摸屏来进行人机交互，还可以在触摸屏上绘图实现模型的实时立体显示功能。

　　另外，数学、物理、化学等学科也有很多教学模型，传统的教具数量很多，所占空间较大，讲授时不方便，利用本作品所设计的模型显示仪可以把各教学模型存储于一个系统内，所需空间小，讲授时可直接进行调用显示，既方便又美观。

　　如果把本作品放置到广场上或者公园里，还可以作为装饰灯，既可以显示一些广告模型又起到点缀环境的作用，一举两得。

　　2、功能、结构与使用说明：

　　本作品的结构框图如图1所示。具有以下功能特点：

　　(1) 本作品采用16×16×16位的双基色LED立方体显示系统，可以显示最多三种颜色，显示效果美观大方。

　　(2) 功能强大，可将模型取模后将图形显示于16×16×16位的双基色LED立方体显示模块上，具有普通显示模块无法比拟的三维动态显示的优势。

　　(3) 可操作性强，采用触摸屏作为人机交互途径，可通过触摸屏对用户想显示的模型取模并进行实时显示，这是以往的LED显示模型中没有的。

　　(4) 本作品可使用红外遥控方式来进行模型的选择，在需要时只需通过红外遥控的方式即可读取模型显示;采用串入并出的数据传送方式，极大地节省了I/O的占用，最大限度实现对CPU资源的充分利用;采用外扩数据存储芯片，将每个模型的代码存储到存储芯片上，减少CPU内存占用。需要添加新模型时，只需将数据下载到存储芯片中，或使用触摸屏自定义图形后保存即可。

　　平台选型说明

　　设计说明

　　1、设计原理

　　LED立方体驱动模块：

　　(1) 图2为LED立方体示意图。

　　采用专用LED驱动芯片，16位移位锁存器MBI5026CP(配TD62M8600F驱动电路，8路，输出电流范围：2-4A)。具有输出电流调整端口，(必须)通过外接电阻来调节IO口输出电流的大小。其中32片MBI5026CP吸收电流，具有外接电阻调节吸收电流大小功能，来驱动阴极512个引脚，TD62M8600F是八位输入输出电流驱动芯片，用两片驱动16层的阳极， 每一层的256个LED 阴极512个引脚对应32片MBI5026CP 32×16 = 512 个引脚吸收阴极电流，构成一层的显示，16层之间切换层，来构成立体显示多功能动态模型演示仪。

　　以8×8位的LED显示面为例介绍一下原理。如图3所示，8×8×8的光立方由8层这样布局的LED组成，每层位置排列一致。每层LED的阳极全部接到一起，然后接到译码器的输出接口电路进行层与层之间的扫描。各层同一位置的LED的阴极都连接一起。各阴极再与相关的驱动芯片引脚相连接，利用驱动芯片输出的高低电平来控制LED的亮灭。

　　(2) 4线-16线译码器：74HC154，反码输出(也可由2片74HC138级联得到)，用来连接TD62M8600F的输入实现层与层之间切换。

　　(3) 本作品接口电路和驱动电路原理图以及PCB采用Altium Designer电路设计软件进行设计。图4和图5是本作品的原理图(部分)，其中32片MBI5026CP 原理图中有8个，其他24个与图中MBI5026CP相同原理图。

　　PCB的设计采用双面板设计，PCB图如图6所示。

　　焊接好部分器件的PCB实物图如图8所示。

　　2、设计方案

　　(1) CPU核心控制模块：本演示仪的CPU采用增强型MCS-51单片机STC15F2K60S2，该单片机指令代码完全兼容传统的8051单片机，但运行速度是普通单片机的8-12倍。

　　(2) LED选型： = 5mm，雾状，草帽形，红蓝光(可显示三种颜色：红色、蓝色、品红色)，三引脚共阳LED 4096个，8192个阴极引脚，4096个阳极，我们把256 LED阳极连连接构成一个层，这样一层有层512个阴极引脚，1个阳极引脚，这样把16个这样的层的阴极对应相连接整体就是512个阴极引脚，16个阳极引脚。通过控制16阳极512个阴极实现多功能动态模型演示仪整体设计原理。

　　(3) 本作品采用由点到面、由面到体的设计思想来进行设计与验证。先把16个双基色LED进行焊接成一个LED行，然后进行测试，测试通过后再进行下一步，把16行LED进行焊接来组成LED面，再进行测试，焊接完16层LED面并测试通过后完来成LED立方体的焊接。

　　图7为由256个双基色LED通过模板焊接而成的LED面，整个立方体就是由16个这样的LED面所组成的。

　　图9和图10为彩屏实时控制模块和LED面进行连接测试的实物图，通过对比可以看出，触摸屏能很好的控制LED的亮灭来显示所取的模型形状。

　　图11为焊接好后的LED立方体以及PCB板的整体连接图。4片PCB驱动板，每个板子有8片MBI5026CP，共32片，512个引脚。图12为焊接好以后的双基色LED立方体的实物图，黑色连接线部分是连接两片TD62M8600F芯片的输出，数字芯片74HC154在连接TD62M8600F芯片的输入，用以实现层之间切换，74HC154用单片机控制每次一个引脚低电平。

　　3、整体实物图

　　图13为多功能动态模型演示仪实物图。亚克力板材具有透光率高，坚固耐磨的优点，因此这里采用透明亚克力板材作为外壳，起到保护LED立方体的作用，同时使演示仪更加美观、耐用。

　　(a) 装饰前 (b) 装饰后

　　4、主要核心技术

　　(1) LED立方体的驱动控制：

　　① LED驱动芯片选型：MBI5026CP驱动芯片、4线-16线译码器等。

　　② 驱动方法研究：决定驱动芯片的数量以及占用CPU系统IO口的数量，以及连线后系统的速度。

　　③ 扩流驱动电路：TD62M8600F。

　　④ LED立方体亮度的调节。

　　(2) CPU系统设计方案：

　　采用主处理器1+处理器2设计：考虑整体运行速度以及协处理器芯片选型(初定STM32系列MCU，大部分IO口可容忍5V电平)。两处理器间以串口进行通信。

　　(3) LCD模块设计方案：

　　① 触摸彩屏。

　　② LCD模块的控制方式以及显示的具体内容。

　　5、作品的应用

　　(1) 作品在实验方面的应用

　　实验在教学中起着举足轻重的作用，它不但可以帮助学生理解一些抽象的概念，也可以提高学生的动手能力。实验效果的提高也就大大提高了教学效果。

　　例如图14(a)所示的物理学中原子模型，电子在绕原子核不停地转动，教师一般无法找到合适的教具进行动作的演示而只能通过口头讲述或通过幻灯片演示二维动画来帮助学生理解。使学生只能抽象的建立起原子模型，至于原子核与电子的关系以及如何绕动的问题无法更加生动的表现出来。

　　通过本演示仪就可以在三维上动态演示出原子核以及电子的关系，由于原子模型中的电子是围绕原子核运动的，静态图片无法完全显示，故这里没有列出本显示仪的显示模型，而是列出另外一个比较有代表性的地球磁感线模型，如图14(b)所示。

　　在高中数学的立体几何的分析中，空间立体感是很难建立起来的。立体图形在不同角度所展示的样子是不同的，更加困难的是其内部分析。上课时教师需要在黑板上画出一个或多个不同的视图才可以讲述清楚图形的结构，这往往需要耗费大量时间。但是立体感不好的学生往往还是不能很好的建立立体模型。

　　本演示仪可以显示立体几何中的各种图形，使学生非常直观的看清楚立体图形的各个方面，还可以通过设置LED的亮灭以及不同的颜色区分来显示立体图形的的剖面图、俯视图等，节省了教师画图的时间，同时也帮助学生快速理解并建立空间立体模型。图15为基于多功能动态模型演示仪的一立体模型的演示图，可以看出，该立体模型演示清晰、方便、效果良好，在各个方向均能很好的看到模型效果，达到了预期的教学目的。

　　本作品用于学校数学、物理、化学、生物等学科某些基本教学模型的显示与演示，对提高学生的学习兴趣和学习效率有很大的作用，同时也减轻了任课教师的工作量。由于演示仪体积较小，而可以演示多种不同学科的教学模型，可以用于体积较大的教学用具的模型演示，这在一定程度上也节约了教学用具的占地面积，提高了仪器利用率。

　　(2) 作品在广告及装饰方面的应用

　　本作品课作为广告灯来使用。比如，显示某品牌的一个商标，普通的LED广告牌是二维显示的，显示广告只限于一个平面内，而利用该演示仪可以显示立体的商标图案，并且可以做到动态旋转显示，使消费者在各个方向都能看到所显示的商标广告，这是平面LED广告屏无法做到的。

　　滚动播放字幕功能在商品广告方面也大有可为。人们都有好奇的心理，本演示仪目前在生活中非常少见，可以在人多的公共场所摆放，播放三色的动态广告，可以很好的吸引人们的注意力，达到广而告之的目的。

　　图16为本演示仪显示的苹果公司的标志。图17为滚动字幕广告显示功能。图18为富有蒙古族特色蒙古包模型的显示。

　　通过以上应用可以看出，本作品能够实现二维LED显示模块以及单色LED光立方所不能实现的功能，能很好的用于广告的显示。

　　此外，本作品还可以作为装饰灯放置于人流量大的地方，如广场、商场、公园等，既可以显示一些广告模型又起到点缀环境的作用，一举两得。