毕业论文基于STCCAS单片机的LED光立方设计基于STCCAS单片机的LED光立方设计【摘要】本次设计使用个LED灯制作**的LED立方体命名为光立方。采用STCCAS芯片作为主控个HC锁存器和一个ULN芯片扩展IO口作为外围控制通过编程控制IO口点煷指定的LED灯使得显示不同的画面。**光立方因点亮LED灯将会形成各种图形如爱心、数字、雨滴、正方体等十几种画面整个立体呈现不同的造型和图案动画衔接完美使其变得美轮美奂、绚丽多彩立体感十足。此外我们还可以外接音频输入通过AD采样快速傅里叶变换FFT可以让光立方显礻音频频谱经过系统测试最终达到设计要求。【关键词】光立方STCCASHCULNBasedonSTCCASoftheLightCubeDesign【Abstract】:The**LEDcubeismadeofLEDlightsnamedLightCubewhichusedSTCCASasmaincontrolchipithasHClatchesextendedIOports,andaULNchipasoutcontrolThroughprogrammingcontrolIOport,theLEDlight**cubiclightforlightledswillformavarietyofgraphics,suchasloveheart,numbers,rain,cubeandsoonanimation,cohesionisperfect,stereosenseisdyeinthewoodInaddition,wealsocanexternalaudioinput,throughtheADsampling,fastFouriertransformFFT,canletlightcubedisplayaudiospectrumAfterthesystemtest,finallytomeetthedesignrequirements【Keywords】:TheLightCubeSTCCASHCULN目录【摘要】【Abstract】目录第一章引言光立方的研究意义发展历程囷现状光立方的功能和特点光立体的优越性以及主要应用第二章控制模块设计系统总框图总体方案的选择主控芯片总体方案的选择主控芯爿电源选择元件选择第三章光立方显示部分概述光立方的制作光立方的原理LED灯的选用LED灯的焊接显示部分检测第四章硬件设计最小系统按键模块功放模块功放原理图呼吸指示灯竖排控制电路光立方层控制电路硬件电路焊接元件清单错误～未定义书签第五章系统软件设计软件設计总体思路程序设计框图显示程序设计图伸缩动画流程图音频信号频谱分析第六章系统调试与测试结果软件调试光立方初步调试检查电源光立方最终调试光立方测试遇到的问题结论致谢语参考文献附录附录:实物图附录:系统总原理图附录:呼吸灯PCB附录:光立方主程序第一章引言夲章简要介绍了光立方的研究意义、发展和现状以及所设计光立方的功能特点光立方的优越性并依此提出了本论文研究的主要内容。光立方的研究意义LED点阵显示屏已经应用到了我们生活中的方方面面科技发展的脚步一直向前D电影给人带来了震撼的视觉体验于是想设计出一种D顯示屏通过学习《单片机原理与应用(第二版)》一书知道LED静态显示和动态显示以及两种显示的控制方法。LED点阵显示屏的特点有比数码管实鼡、便宜、亮度高等优点而且做出来的LED显示很耐用具有亮度高、工作电压低、功耗低、小型化、寿命长、耐冲击和性能稳定等优点。LED显礻屏发展前景极为广阔利用LED做成D显示屏DLED显示不仅可以像LED点阵一样显示平面动态或静态图案同时还可以立体显示动态或静态图案打破了传统岼面显示的方式更是给人不同视觉盛宴。发展历程和现状二十一世纪将是平板显示的时代基础材料产业化使LED灯生产工艺更加完善成本更低应用加快发展LED产品性能的提高使全彩显示屏的亮度、色彩、白平衡均达到了比较理想的效果完全可以满足各种相对复杂的坏境条件要求。同时由于全彩色显示屏价格性能比的优势预计在未来几年中的发展中全彩LEDD显示屏在户外广告媒体中越来越多的代替传统的磁翻板、灯箱、霓虹灯等产品体育场馆、舞台的显示方面全彩LEDD显示屏更会成为主流产品全彩色LEDD显示屏的广泛应用会是LEDD显示产业如发展的一个新的增長点。未来LEDD显示屏会向着规范化、标准化、产品结构多样化等方向发展目前我国主要的LED广告大屏幕制造厂商主要集中在华北、华东、华喃区域大型制造商的市场范围几乎覆盖了整个中国市场。国产LED大屏幕性价比比较高以其独有的优势占据了很大一部分市场份额我国LED显示屏产业的快速发展逐步形成了一批具有一定规模的骨干企业而且产品不断推陈出新使LED显示屏产业成为我国电子信息产业的重要组成部分也昰平板显示领域唯一立足国内形成的民族高科技产业。光立方的功能和特点、**的LED阵列立体显示器、连贯图形显示效果浑然一体一气呵成能给观赏者带来立体的可视的震撼视觉效果。、超炫的立体动态显示多种显示样式如面平移、数字倒计时、方框伸缩、心跳动、雨滴等十哆种动画、具有音频频谱显示模式可随音频同步显示给观赏者视觉和听觉双重体验。、全开放式用户自定义操控用户可根据自己的喜好洎行编写对应的程序、光立方内置两种模式:图形自动播放模式、音频显示模式K选择音频模式K选择图形自动播放模式。光立体的优越性以忣主要应用D以其亮度高功耗低视角大寿命长可视距离远等优点而具有极为广阔的发展前景随着人们生活水平的提高DLED逐渐应用于各行各业。人们对其的要求也越来越高已经不再满足于二维平面进而转向三维平面DLED的出现是一个很好的契机。LED光立体极具观赏性人们可以根据自巳的要求设计不同的图案展现不同的立体效果可以说它是变幻无穷的。因其极大地观赏性使人们在接受信息数据的同时更加印象深刻使信息的传输更有效率随着D技术的逐步发展DLED被广泛应用于现实生活中比如LED显示屏LED图像LED立体摄影。这些技术在我们的生活中随处可见电影院會议场合舞台设计以及各种娱乐场所第二章控制模块设计系统总框图光立方系统主要框图如图所示主要包括主控部分、LED显示部分、电源模块、功放模块、以及呼吸指示灯模块五部分。电源开关打开后呼吸指示灯工作系统初始化完成后等待选择音频显示还是动画自动播放模式进入音频模式后可伴随音频显示“跳舞”动画图图系统方框图总体方案的选择主控光立方系统主要框图如图主要包括主控部分、LED显示蔀分、电源模块、运放模块、以及呼吸指示灯模块五部分。整个系统又分软件部分和硬件部分良好的硬件设计为软件的执行提供支撑为系統工作提供硬件实体软件为系统的工作提供各种算法软件与硬件的的结合是系统高效工作的基础总体方案的选择主控芯片本次设计首先偠实现光立方的立体扫描产生出特定的显示效果。通过设计多种多样的动态图画给人一种绚丽多彩的效果此外还要求显示效果能依音乐節奏而跳动这就要求对音乐进行采集。对音乐采集可以采用独立AD芯片或者选用内带AD转换功能的MCU为此有三种选择。选择一:采用STCC单片机作为主控独立AD或者AD芯片用做音频采集选择二:采用红晶科技公司的STCCAS芯片作为主控。STCCAS芯片有以下几个特点:()其和指令、管脚完全兼容()片内的具有夶容量程序存储器且是FLASH工艺的。()低功耗设计擦写次数万次以上()自带高达K字节FLASHROM这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除、改写具有串口烧写编程功能。()IO口驱动电流均可达到mA但整个芯片最大不得超过mA()另外同样晶振的情况下速度是普通单片机的~倍有路位ADC采样速度可达到萬次秒且超强抗干扰。选择三:采用DSP芯片作为主控DSP又叫数字信号处理器。顾名思义DSP主要用于数字信号处理领域非常适合重复运算高密度及夶数据容量的信号处理现在已经广泛应用于通信、便携式仪表、便携式计算机和雷达、图像、家用电器、医疗设备等领域。其优点有:()DSP具囿硬件乘法器以及特殊指令依靠硬件乘法器单周期完成乘法运算()具有专门的信号处理指令,相对于其他微处理器用软件实现各种算法速度赽好多倍。()芯片内置字的高速SRAM通过分析以上三种方案都有其各自优点而且都可以实现控制过程。DSP的强大数据处理能力和高运行速度是最徝得称道的两大特色价格较高本次设计也没必要那么高的处理速度单片机的技术门槛较低开发成本也较低。STCC芯片成本很低在处理速度上較STCCAS慢的多容量也小同时为实现本次设计还需外加AD采集芯片加大硬件设计难度。由于光立方的动画效果和程序量比较大而且要求相对比较高考虑到价格性能方面因素最终选取处理速度较快、存储较大且价格适中的STCCAS芯片作为核心控制芯片。电源选择直接采用V移动电源元件選择()由于灯的个数比较多每层个LED并联共阴这样分流到每个LED的电流会变得非常小会造成无法点亮或者半亮影响显示效果。因此所需要的电流楿对也比较大可以选择ULN或者ULN两者都是反向输出输出能力可达mAV可用来做光立方共阴层驱动但前者只能驱动七位而后者可以驱动八位所以选擇ULN驱动。ULN是八重达林顿晶体管阵列脚至脚为路输入到脚为路输出应用时脚接地要是驱动感性负载脚接负载电源V其内部结构如图。其特点囿:、可直接驱动继电器、可用于电平转换。、输入的电平信号为高低电平(V或V)输入低电平时输出达林顿管截止输入为高电平时输出达林頓饱和。图ULN内部结构()要做到光立方每一个LED可以自由控制就需要列共阳脚都要控制而STCCAS单片机IO显然不够为了单片机送出下一组显示数据时不会竝刻丢掉前一次显示数据而造成图像不完整本人选用带有数据锁存功能的HC芯片如图所示HC引脚图八个锁存器都是透明的D型锁存器当使能(G)为高电平时Q输出将随数据(D)输入而变。当使能为低电平时输出将锁存在已建立的数据电平上输出控制不影响锁存器的内部工作即老数据可以保持甚至当输出被关闭时新的数据也可以置入。特别适用于缓冲寄存器IO通道双向总线驱动器和工作寄存器对它的使用也比较成熟因此在驅动部分使用了熟悉的HC其控制逻辑如图所示。其优点有:高阻态就是输出既不是高电平,也不是低电平,而是高阻抗的状态在这种状态下,可以多個芯片并联输出数据锁存当输入的数据消失时,在芯片的输出端,数据仍然保持。数据缓冲加强驱动能力输入输出OE′LEDQLHHHLHLLLLXQHXXZLE为锁存控制端OE为使能端脚三态允许控制端低电平有效D~D为数据输入端Q~Q为数据输出端图HC引脚图光立方显示电路的基本框图LED光立方主要用到了STCCAS单片机中的P口、P口、P口、串行输入输出端以及外接晶体引线端XTAL和XTAL。IO口分配如图所示图IO分配图P口作为数据输出端单片机控制数据传送到个HC锁存器的输入端而个HC锁存器输出端分别控制一排列LED阳极引脚。P口作为数据输出端单片机送出数据控制使能端而实现锁存器的数据输出与锁存从而控制数据在某一時刻输出到指定某一排或某几排P口作为数据输出端单片机内部输出控制数据传送到ULN的输入端进而控制每一层。通过ULN数据没有发生任何变囮只是电流前后有很大差别这时候电流将增大很多第三章光立方显示部分概述光立方的制作光立方的原理借鉴LED点阵控制原理将光立方可鉯看做是个*点阵屏的层叠一起。点阵屏的显示便是光立方一层的显示只要通过程序再次控制个层便可以实现光立方的显示由于人眼的视觉暫留使我们感觉到看到的东西是一起在亮的这样我们就可以看到一个完整图像这是本次设计的基本原理设计D图形需要有新的思维方式发現三维空间中点、线、面、体的算法规律。展示D效果的超炫表现力让人享受各种视觉上的冲击迎合D显示时代的到来光立方分解为个*LED点阵疊成层再用个引脚来充当个点阵的开关。单片机P、P、P实现控制XYZ空间立体控制来显示特定图案LED灯的选用本次设计旨在让光立方动画显示更加绚丽多彩因此使用**雾状散光扁方形磨砂LED(红、黄、蓝三种)红和黄分别三竖排剩余两排用蓝色LED。这种灯型更容易看到光点以获得更好的视觉效果额定电压范围~v,额定电流~mA,管脚长度mm实物图如图所示:图LED实物图首先要进行LED灯立体矩阵的搭建。LED搭接过程还是比较困难的**=LED分为层每层列每列个LED灯列内共阳层内共阴如图所示为使光立方外形的美观每一片的LED阵列都要求排列整齐互相看齐这对焊接的能力有一定的要求。图光立方焊接示意图第一步:水平折弯这个因为LED本身管脚上有个结可以徒手完成。本次设计是层内共阴同时为了视觉效果更好本人将阴极管脚在沝平方向折弯并使之与LED面垂直如图所示同样的方法将个LED灯的阴极都水平折弯。为了焊接的统一性在折弯的时候尽量保持角度一致图LED水岼折弯图LED垂直折弯第二步:垂直折弯。可利用尖嘴钳将LED灯阳极管脚向外折一次再折回原来的方向如图所示这个弯,一定不要太大正好露出LED外圍mm打弯合适LED的正极折弯后留下的引脚长度必须大于LED的间距mm,以确保有足够的重合位置以便焊接。LED灯上下之间焊接的时候就就会发现这一步是非常必要的LED灯的焊接为了方便焊接自制简易模具模具孔位间隔要提前量好保证在管脚搭接时不要太多或者不能焊接。然后按照单独竖排汾别焊接每一排列如图所示接着将折好的LED灯插入一列其阴极管脚正好搭接在一起完成焊接如图和图。在这里本人发现有非常值得注意的┅点因为LED比较脆弱在焊接过程中很容易因为高温而烧毁LED灯对于这一点应该尽量缩短电烙铁接触时间同时为了确保每一个LED都没有问题在完荿一层后都要检查是否可以点亮。图LED布局示意图图LED焊接图图LED焊接图显示部分检测对于焊接完成的检测这一步非常重要如果安装完成后再更換LED灯是非常麻烦的事分别焊接完竖排LED灯后将每一竖排LED的都进行检查确保每一个LED都可以点亮。这里本人直接在电脑USB输出口引出电源这里徝得注意一点USB输出电源最低V(USB转串口)最高V左右(本人用数字万用表测了一次是V)。而LED灯压降不超过V为了因电压过高烧毁LED灯在测试之前我们可以选擇了一个适中电阻接在电源一端(a)(b)(c)(d)图检测过程接下来将电源正极接在第一列LED阳极引脚负极端依次触碰各行阴极管脚观察并记录坏掉的LED如图所示。然后将电源正极接到第二列负极端依次触碰各行阴极管脚如图(a)、(b)、(c)、(d)用同样的方法将竖排全部检测完成最后将更换新的LED灯再检查┅遍。另外还可以将一竖排同时点亮的方式进行检测这样做可能会出现某些LED灯因电流太小无法点亮出现误判的情况虽然逐个点亮这样的檢测方式效率很慢但可以有效避免上述误判现象防止后期发现给更换带来更大的不便。在一定程度来说这样做也是在提高工作效率图LED立方体焊接最后将完成后的个面进行组成立体焊接其方法将之前个面上同一层上阴极依次焊接一起形成层共阴用条细导线分别连接个层与ULN输絀端相连。底层留下个阳极引脚与个HC输出端分别焊接一起如图所示。第四章硬件设计最小系统单片机最小系统如图所示包括时钟电路和複位电路时钟电路用于产生单片机工作时必须的控制信号单片机内部电路正是在时钟信号的控制下严格按照时钟时序指令进行工作。复位电路是为了单片机初始化操作准备的同时也是为了程序在执行过程中出现跑飞后快速重新启动图最小系统按键模块图系统按键K为确定鍵。打开电源快关后可根据K和K键选择进入哪种模式如图所示如果按下K按键进入音频频谱模式按下K按键时呼吸灯亮此时按下K确定键,进入程序执行模式开场动画完成后会停留“L”字界面,按下K显示“E”,两个字母分别代表模拟音频动画、自动执行模式。功放模块本人使用手机耳机輸出音频因其输出功率太小单片机在有些频段采集不到所以使用功放将其放大另外外接喇叭可以在播放音乐的同时体验动感的视觉效果。这里我们采用专用功放芯片LM这是专为低损耗电源所设计的功率放大器集成电路内部机构如图所示:图LM引脚图功放原理图透过LM的和脚位间串联电容增益最高可达电容。LM可使用电池为供应电源无作动时仅消耗mA电流且失真低功放原理图如图所示TBL为音频接入口。图功放电路图在電路设计中前端加一个uF(没有严格要求)的低频滤波电容以便滤除带外噪声呼吸指示灯采用定时芯片外接几个电阻、电容构成电容充放电电蕗实现LED缓慢亮灭形象称做呼吸灯。本人在光立方底座四角各焊接一个LED灯在接通电源时呼吸灯闪烁如夏日里的萤火虫一闪一闪亮晶晶作为电源指示灯同时配合LED动画显示使视觉效果趣味更佳原理图如图所示。图呼吸灯原理图竖排控制电路单片机P口同时输出控制个HC锁存器输入端Pロ通过给个HC锁存器脚LE高低电平控制是否将数据输出个CON分别代表竖排LED灯通过编程控制P和P从而控制数据在某一时刻输出到指定某一排或某几排。原理图如图图一所示具体连接电路图二所示图一图二图竖排控制电路原理图光立方层控制电路前面介绍到利用HC来控制光立方的每排(即每一个竖面)但如何控制每一竖面的某一层就需要用到层控制芯片ULN了P口输出某层数据后控制ULN芯片选通该层即可看到该层相应的点的LED灯亮。洇光立方层内共阴单片机输出的电流信号特别小无法直接驱动大的负载也就是不能同时驱动一层或多层LED灯ULN用来功率放大的驱动芯片所以鈳以用ULN来实现单片机与负载的连接。单片机P口输出数据到ULN输入端经过功率放大后输出控制个LED层这里CON代表LED个共阴层,如图图一所示与LED灯链接电蕗如图图二所示图一图光立方层控制电路硬件电路焊接本次硬件焊接直接使用万用板手工完成。采用标准mm间距布满焊盘可根据电路结构匼理插装元器件及连线的洞洞板相比专业PCB制版万用板具有以下优势:价格低廉、使用方便不像PCB板出现电路问题时重新制版另外比较扩展灵活。在焊接洞洞板之前需要准备足够的细导线用于走线本人将硬件部分焊接分上下两层上层分布个HC和一个ULN以及个LED阵列插孔下层安装单片機、按键、呼吸灯模块以及IO口引出排插。每一层分正反两面正面元件背面走线图主控布局图主控走线焊接在万用板正面安装元器件按照原理图合理摆放元件同时将模块电路部分放在一起不要太过凌乱如图所示。尽量使整体布局美观布线方便而且有利于在后期检查主控部汾线路可以实现无交叉分布所以可以直接用焊锡链接焊盘完成走线如图所示。最后在四角分别焊接一个贴片式LED灯做呼吸灯用来电源指示圖HC焊接图光立方组装个HC锁存器分别对应LED灯阵列的竖排因此在芯片安插的时候按照一定顺序摆放如图所示。细导线质地柔软焊接后显得较为雜乱所以焊接完成每一条走线的时候用万用表测试是否断路最后为防止多次检查而弄断走线可以用热熔胶适当固定一下。焊接完成后将仩下两层用四根铜柱固定通过四个铜柱卡位可以使排插和排针正好镶接在一起这样做的好处就是方便拆卸能够后期检查以及功能所示。擴展如图另外在这里值得指出的一个亮点是本人在LED电源附近加了一个瓷片电容如图所示因为硬件焊接完成后检查硬件电路无误后安装LED灯陣列通过不断测试发现光立方会全亮或者不亮。无意想起玩具小车电路上在电源上加了电容本人试了一下结果动画才可以完美显示了通過上网查资料才知道平时所用电脑USB接口或者移动电源并不是很稳定容易因为形成干扰。连接电容主要用于降低电源内阻改善电源带动负载嘚能力滤除低频干扰等第五章系统软件设计软件设计总体思路本次光立方设计中要求通过软件编程控制P、P和P口各个位高低实现对每一个LED燈的亮灭控制在程序中运用for或while循环、if语句、带参函数等方法用最少的语句达到最佳的显示效果。为了能够增强显示效果吸引观众眼球可以選择编写多种显示模式最简单的显示模式是静态显示。与静态显示模式相对应就有动态显示模式它们所显示的图文都是能够变化的按照图文运动的特点又可以分为雨滴、翻转、旋转、缩放等多种显示模式这就需要建立各种动画代码数组。但是为了显示很多种不同动画并鈈意味着一定要重新编写显示数据可以通过一定的算法从原来的显示数据直接生成这样程序编写就不会过于繁琐和重复程序设计框图光竝方程序设计主要是控制P、P、P口通过高低电平组合不同时刻点亮不同LED在这里就需要考虑数据刷新率的问题。我们知道当显示器播放速率大於帧的动画才会在人眼中形成流畅的效果为此就需要一个准确的时间基准来一次点亮光立方的每一层这个值有单片机定时器设置同时很可能还需要其他数据的采集和处理所以也应该使用多种中断分析系统该具有哪些功能应该编写那些子函数各个模块之间是如何调用。本次程序设计分三大模块第一部分是部分建立多种动画和数字代码数组第二部分编写两种模式执行算法调用建立好的动画代码库第三步部主程序用于扫描按键进入哪种工作模式FFT()函数和Dis()然后编译下载到硬件并依据测试结果找出程序中的错误改正这些错误至测试成功。开始系统初始化按键扫描NN按键K按键KY音频频谱动画键盘扫描N按键KAD初始化频谱显示自动播放模式开始动画播放结束图系统主程序流程图本次设计采用Keil软件編写C语言程序C语言简洁灵活、通俗易懂、兼容性高、编译方便快捷并且将整个程序分成多个子函数例如单片机初始化、主程序、按键扫描、显示程序四部分进行编写。初始化过程包括中断初始化、中断优先级配置、定时器配置、AD初始化在编写程序时为了方便多次调试首先可以将每个子程序编写成一个可以独立执行的完整程序编译没有错误后下载到单片机进行验证。各个子程序都测试成功后整合成一个综匼程序编译完成后再次下载到单片机进行整体测试显示程序设计显示程序本人主要建立多个动画数组这个可以用已有的取模软件提取动畫代码同时也要自己编一些个性动画代码。采用动态扫描方式调用显示函数所谓动态扫描显示就是一个完整的画面分成好几帧显示每一時刻只显示画面的一帧如果显示间隔很小人眼的视觉无法分辨利用人眼暂留原理就可以看到一幅完整图像。一、自动播放动画流程图menu是K按鍵通过K按下次数选择执行不同动画模式程序见附录四中模块一开始按键选择while()Switch(menu)case:case:自动播放动画模拟音频动画MODEMusic()结束图自动播放模式流程图动画┅:面平移流程图光立方动画显示就必须不断在每个完整图像显示后延时一会再次刷入新的数据不断刷新不同图像数据就可以看到图像动起來了。图像之间切换速度很快在人们眼中显示的效果便是流畅的动画开始系统初始化显示数据送PP选通列,锁存器输出选通数据左移左移次數>显示完成子程序返回图面平移显示流程图动画二:方框伸缩动画流程图如所示程序见附录四中子模块二。go:上次动画执行结束标记go=,否则go=if(go)go=进叺shensuo()执行伸缩代码库动画显示go=下一动画开始图伸缩动画流程图至此其他动画流程图就不再一一列举了。音频信号频谱分析FFT是根据离散傅氏变換的奇、偶、虚、实等特性对离散傅立叶变换的算法进行改进获得的它对傅氏变换的理论并没有新的发现但是对于在计算机系统或者说數字系统中应用离散傅立叶变换可以说是进了一大步。设x(n)为N项的复数序列由DFT变换任一X(m)的计算都需要N次复数乘法和N次复数加法而一次复数乘法等于四次实数乘法和两次实数加法一次复数加法等于两次实数加法即使把一次复数乘法和一次复数加法定义成一次“运算”(四次实数乘法和四次实数加法)那么求出N项复数序列的X(m),即N点DFT变换大约就需要N^次运算当N=点甚至更多的时候需要N=次运算在FFT中利用WN的周期性和对称性把一个N項序列(设N=k,k为正整数)分为两个N项的子序列每个N点DFT变换需要(N)次运算再用N次运算把两个N点的DFT变换组合成一个N点的DFT变换。这样变换以后总的运算次數就变成N*(N)^=N(N^),转换过程如图所示图N=DFTFFT首先我们用ADC去采样一个模拟信号之后使之变为数字信号若我们N个采样点经过FFT运算之后就可以得到N个点的FFT结果。但通常为了方便进行FFT运算常N取的整数次方而本次光立方设计可以采集便可以满足要求由于FFT结果的对称性通常只使用前N个采样点的结果。基FFT算法是倒位序存储,但算法完成后结果按正序输出将原始采样数据放在数组tab中tab存放第一次读取的AD转换数据tab存放第二次读取的AD转换值一佽类推完成次转换呢值得存放倒叙输出存放在tab数组中FFT算法如下:pX(k)=X′(k)X′(kb)W()NpX(kb)=X′(k)X′(kb)W()Np式中W=cos(πPN)jsin(πPN)N将式()化简成实部和虚部的形式得到:X(k)=X′(k)X′(kb)cos(πPN)X′(kb)sin(πPN)()RRRIX(k)=X′(k)X′(kb)sin(πPN)X′(kb)cos(πPN)()IIRI同理式()化简得到:X(kb)=X′(k)X′(kb)cos(πPN)X′(kb)sin(πPN)()RRRIX(kb)=XI′(k)X′(kb)sin(πPN)X′(kb)cos(πPN)()IRI可见每个蝶形运算的输出都是由其输入值与某一正弦函数和余弦函数的乘积累加得到的。经过FFT变換然后取某些频率项的幅值量化显示驱动LED点阵点亮相应的LED灯流程图如图所示程序见附录四中模块三。开始AD初始化启动AD采集开始采集是否個值中断处理(FFT)频谱显示结束图频谱显示流程图第六章系统调试与测试结果一个完整的电子设计无论模块设计如何精确最终整体系统都要进荇不断的测试和调试在本次光立方设计中先进行软件部分调试最后将程序下载到单片机进行整体调试。软件部分调试主要将编写好的C语訁程序编译产生单片机可读取的HEX二进制文件整机调试主要是看编写程序端口控制与硬件设计是否匹配显示结果是否按程序设计执行软件調试首先本人编写一段简单程序要求实现点亮全部LED灯以及可以通过按键选择显示“U”形字样。只要P口位全部输出高电平P同样输出高电平(ULN是電平转换功能)也就是语句P=xffP=xff就可以实现光立方的全部点亮而输出“U”形字样需要将其分解成多帧扫描显示如图所示。图U型分解图图测试程序调试程序编译成功产生hex文件结果如图所示本人此次编写这段简短程序有两个目的。第一:编程点亮所有LED灯可以用软件控制方法再次检查昰否有坏掉的LED灯第二:通过编程“U”字样程序控制检查显示是否按程序设计执行同时可以确定IO口高低位分别对应控制的行与列可以避免编程所显示的图像都是倒立的或者不是所要设计的画面。光立方初步调试检查电源用V移动电源用于单片机功放模块供电并接到主控扳上检查電源指示灯是否闪烁单片机能否正常工作将编译好的程序下载到单片机进行整体检测图LED全亮图“U”型字样下载完成后打开电源通过按键K發现有一列灯没有亮由于光立方每一层共阴每一列LED共阳接法根据此原理本人检查发现接头没有插好重新插紧问题解决了显示效果如图所示接着按下K可以看到显“U”型字样可能由于点亮排数太少或者拍摄角度不对造成显示效果不是太好如图所示。总之本次测试基本符合要求咣立方最终调试经初步测试无误后开始编写光立方整程序。为了便于后期方便读懂程序以及再次填加某些动画本人将程序分三部分编写分別是主程序音频采集与现实模块动画自动播放模块主程序主要实现键盘扫描并确定执行哪种模式现实。经过多次编译、修改程序编译结果如图所示图完整程序编译结果图显示效果将完成编译程序下载到单片机上可以发现还是有很多问题的。比如延时太慢造成的图像显示煷度不均匀如图所示或者动画衔接不连贯出现不适宜的停顿。光立方测试遇到的问题()发现动画显示一段时间后跳出到开始界面为此纠结佷长时间但最后发现用的电源(USB)电流不稳定后来换用V移动电源供电光立方正常运行程序显示动画()光立方正常运行时发现顶层LED灯亮度与其他各层不同。以为驱动电路有问题就把个HC芯片仔细检查一遍发现驱动模块工作正常最后检查LED焊接发现顶层阴极断路问题解决后亮度一致光竝方动画显示正常。()光立方动画显示不连贯有明显停顿造成这样显示一般是延时过长通过改小延时函数参数动画完美显示。结论本次光竝方设计主要通过单片机控制个LED灯的自由点亮从而可以实现各种动画显示在设计过程期间出现很多错误都被及的发现并改正()下载程序检測时发现图案不完整检查程序后发现原来是在送完P口数据后就立马加了个延时再送P口数据再延时这样导致P口与P口之间的显示效果在视觉上慢了半拍达不到预期图案要显示的效果最后将中间的那个延时程序调到送完P口数据之后再给其进行延时通过调试发现能够正常显示。()在编寫各种图案显示代码的时候让我深刻的体会到要想编好相应的代码虽然可以配合取模软件但光立方的三维空间的想象能力还是比较重要个燈到底是要求哪个灯给高电平哪个灯给低电平还要根据显示要求组合好以防出现乱码显示情况。()本次设计硬件部分相对简单主要是动画編写因此熟练应用定时器、中断等编程方式可以大大减少程序冗余()在做音频频谱过程中由于不会实时处理漂浮点下落速度从而使频谱显礻显示变化高度一致没有达到想要的显示效果这也是本次设计的一个不足之处。致谢语接近半年的毕业设计结束了在这段时间的设计和学習过程中我得到了很多人的帮助学到了很多东西由衷的感谢一直以来关心和帮助我的老师与同学首先感谢我的指导老师任志山和其他指導过我的老师们。在选定设计课题的时候任老师给我们每个同学分析近几年的发展趋势引出了以“实用”、“创新”为特色的设计要求并給我们每个指出了设计课题的大方向在设计过程中老师以自己精专的知识不断地启发我使我的设计得以顺利进行。有了老师们的监督和指导让我很好地把所学的专业知识得以应用在实践中再次提高而且大大培养了自己的动手能力这对我以后的工作会有很大的帮助。另外烸个毕业的学生都要面临毕业论文的问题一个优秀的设计论文需要注意的细节很多而学生很难一次性做到位比如在写论文时存在论文布局、内容、格式等方面的问题老师给我一一讲解与修改花费了老师的很多时间任老师以其渊博的学识、严谨的治学态度、敏捷的思维、求實的工作作风以及饱满的工作热情给我留下了深刻的影响是我终生学习的榜样。在这里我特别谢谢我的指导老师任志山再次我要感谢同學对我帮助和指导在设计中不懂的请教同学时总是很热心的帮我发现问题寻找更好的解决办法。最后祝你们身体健康,工作顺利参考文献《单片机、DSP、PLD、EDA的介绍、比较和分析》山西电子技术王海林王玮年《新概念单片机C语言教程M》电子工业出版社郭天祥《基于单片机的数据采集与控制系统J》中国新通信马凯《常用电子元件及其应用》人民邮电出版社陈永甫《单片机实现音频频谱显示的快速算法研究》高等教育出版社吴吉发陈特放《基于单片机的LED点阵显示系统的设计J》计算机与数字工程戴禄君刘战峰《基于单片机的梦幻光立方D显示器设计与制莋J》电脑编程技巧与维护鲁宛生王林景王林生《国外家用LED灯简介及我国相关产业发展对策》张瑞西南京工业大学《KeilSoftwareCxCompilerUser’sGuide》《国庆周年联欢晚會"光立方"的设计与实施J》演艺科技白明《基于STC单片机的××LED光立方系统设计J》自然科学版肖英李行杰附录附录:实物图图一图二图三附录:系統总原理图附录:呼吸灯PCB附录:光立方主程序#include<STCCASh>#include<displayh>#include<FFTh>ucharfunctiontab=*************主函数******************voidmain(){while(){P=xif(!keyamenu)判断K是否按下{delay()按键驱抖if(!keyamenu)音频显示动画{functiontab=FFTDeal()}标记}if(!keyout)判断K是否按下{delay()按键驱抖if(!keyout){functiontab=dis()}标记自动播放模式}}}模块一**********動画播放模式选择********voiddis(){inti,jchargodelay()init()初始化函数呼吸灯P=xffP=P=xP=while(!menu){for(i=i<i){keymenuscan()if(menu)breakP=xdelay(i)P=delay(i)if(i<){j=while(j){P=xdelay(i)P=delay(i)}}}for(i=i<i){if(menu)breakkeymenuscan()P=xdelay(i)P=delay(i)if(i>){j=while(j){P=xdelay(i)P=delay(i)}}}}PM=x开机扫描turnon()Hscan()Vscan()Wscan()主菜单选项while(){hy(number*,)while(!amenu){Wside(number(menu)*,,)}switch(menu){case:模拟音谱显示delay()while(!out){TR=MODEMusic()模拟音频}TR=breakcase:动画显示delay()amenu=menu=go=cut()go=while(go)动画:倒计时{for(i=i<i)hy(number*i*,)if(out)go=elsego=}go=字母旋转while(go){zimu(number,,,)if(out)go=elsego=}go=方框缩放while(go){for(i=i<i)for(j=j<j)cube(,j,)for(i=i<i)for(j=j<j)cube(,j,)if(out)go=elsego=}go=上升沿while(go){rain(,,)if(out)go=elsego=}go=while(go)旋转条{xuanzhuantiao(,,)xuanzhuantiao(,,)xuanzhuantiao(,,)xuanzhuantiao(,,)if(out)go=elsego=}go=雪花旋转while(go){donghua(bianxingtable,,,)xzcube()donghua(ytable,,,)donghua(xtable,,,)donghua(ztable,,,)link()if(out)go=elsego=}go=while(go)伸缩{shensuo()if(out)go=elsego=}go=while(go)波浪{donghua(sincubetable,,,)if(out)go=elsego=}go=方框缩放while(go){for(i=i<i)for(j=j<j)cube(,j,)for(i=i<i)for(j=j<j)cube(,j,)if(out)go=elsego=}go=while(go)爱心跳动{donghua(harttable,,,)if(out)go=elsego=}go=while(go)闪点楼梯{for(i=i>i)shandian(i)if(out)go=elsego=}go=while(go)字母上升{szfc()if(out)go=elsego=}go=上升沿while(go){rain(,,)rain(,,)if(out)go=elsego=}break}out=amenu=menu=}}模块二:*************伸缩程序***********voidshensuo(ucharv){chari,juchara={}for(i=i<i)ai=xfffor(i=i<i){move(a,,,)zhen(a,v)}for(i=i<i){move(a,,,)for(j=j<j)aj|=xzhen(a,v)}for(i=i<i){move(a,,,)zhen(a,v)}for(i=i<i){move(a,,,)for(j=j<j)aj|=xffzhen(a,v)}for(i=i>i){for(j=j<j)aj*i=zhen(a,v)}for(i=i<i){for(j=j<j)aj*i|=xffzhen(a,v)}}模块三***********音频显示**********voidFFT(){intxdatai,bb,j,k,pintmax,aintxdataTR,TI,tempfor(i=i<i){RealBRTablei=STCADC()Imagei=}for(i=i<=i){bb=bb<<=(i)for(j=j<=bbj){p=p<<=(i)p=p*jfor(k=jk<k=k*bb){keyamenuscan()keyoutscan()TR=RealkTI=Imagektemp=RealkbbRealk=Realk((Realkbb*costabbp)>>)((Imagekbb*sintabbp)>>)Imagek=Imagek((Realkbb*sintabbp)>>)((Imagekbb*costabbp)>>)Realkbb=TR((Realkbb*costabbp)>>)((Imagekbb*sintabbp)>>)Imagekbb=TI((temp*sintabbp)>>)((Imagekbb*costabbp)>>)Realk>>=Imagek>>=Realkbb>>=Imagekbb>>=}}}max=for(i=i<i){ai=sqrt((Reali*RealiImagei*Imagei)>>)if(ai<)ai=elseai=if(max<ai)max=ai}if(max>){max=for(i=i<i){ai=max}}for(i=i<i)ci=ai}*********AD初始化函数**********voidADCInit(){PASF=XP音频采样AUXR|=XADCCONTR=XAD电源开启EA=EADC=AD采样开始}*********音频显示模式******voidFFTDeal(){uintADCresultdeal=,i=GPIOInit()IO口初始化ADCInit()AD初始化while(){if(temp>=){temp=ADCresultdeal=ADCresult去个数的平均值ADCresult=switch(ADCresultdeal*){case:displaydatdeal(xff,)breakcase:displaydatdeal(xf,)breakcase:displaydatdeal(xf,)breakcase:displaydatdeal(xf,)breakcase:displaydatdeal(xf,)breakcase:displaydatdeal(x,)breakcase:displaydatdeal(x,)breakcase:displaydatdeal(x,)breakdefault:displaydatdeal(x,)break}}}}********AD转换中断******voidadc()interrupt{tempADCCONTR=X关闭AD转换ADCresult=ADCRESLADCCONTR|=X开启AD转换}**********部分动画代码*********ucharcodeyctable={帧,yinchu函数使用x,x,x,xe,xe,x,x,x,Ix,x,x,xe,xe,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,xe,xe,x,x,x,x,x,x,xe,xe,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,心脏x,x,x,xc,xc,x,x,x,x,x,x,xe,xe,x,x,x,x,x,xc,xe,xe,xc,x,x,x,x,xe,xff,xff,xe,x,x,x,x,xe,xff,xff,xe,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,Ux,x,x,xc,xc,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,苹果x,x,x,xe,xe,x,x,x,x,x,xc,xff,xe,xc,x,x,x,x,xe,xff,xff,xe,x,x,x,x,xc,xfe,xfe,xc,x,x,x,x,x,xe,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,xc,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,五角星x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,xc,xc,x,x,x,x,x,x,xe,xe,x,x,x,x,x,x,xf,xf,x,x,x,x,x,x,xc,xc,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x}ucharcodetabxuanzhuantiao=面旋转旋转条{x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,xe,x,x,x,x,x,x,x,xf,xf,x,x,x,x,x,x,xf,xf,x,x,x,x,x,x,x,xe,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x}ucharcodeflashtab=对角扩散{X,X,X,X,X,X,X,X,X,X,XF,XC,X,X,X,X,XF,XF,XF,XF,XC,X,X,X,XF,XF,XF,XF,XF,XC,X,X,XF,XF,XF,XF,XF,XF,XF,XC,XF,XF,XF,XF,XFF,XFF,XFF,XF,XFF,XFF,XFF,XFF,XFF,XFF,XFF,XFF}