跟着音乐跳舞的光立方结题报告要点Word下载.docx

1、3D 图形的编程也是很巧妙的事情，并不只是简单地把几个2D 的图形叠加起来这么简单。设计3D 图形，需要有新的思维方式，发现三维空间中点、线、面、体的算法规律。在程序中运用循环、判断语句、参数逻辑运算等方法，用最少的语句达到最佳的显示效果。一改以往的平面显示效果，采用全新的立体显示，展示3D的超炫表现力，让人享受各种视觉上的冲击，迎合3D显示时代的到来。光立方为一个立体LED点阵。本项目制作并实现了一个8*8*8的光立方，较之平时常见的LED点阵屏，其拥有独特的特点：1、8*8*8的LED阵列立体显示器；2、连贯的图形显示效果，浑然一体，一气呵成；3、超炫的立体动态显示，多种显示样式；4、FF

2、T运算，能随着音乐不断变化模式，给人一种“舞动”的美感。1.2 LED灯的选用LED发光体的体积越小，光立方整体的通透性就越好，也就是说后排的LED就越不容易被前排的LED挡住；而另一方面，发光体越大，越容易看到光点，例如使用直径更大的LED或是使用雾面而非光面的LED。这二者是有一定的相互矛盾的关系。此外还要注意LED光点的可视角度，雾面LED要比光面LED要大，而草帽头LED的可视角度又比普通窄体的LED要大。另外，一样可以根据摆放位置，角度，将LED的朝向进行改变（默认是朝天的），以获得更好的观感。本项目使用的LED为台湾产的3MM、圆头、蓝色、雾状散光LED，其最大电流为20mA，电压

3、范围3.0-3.5V，波长460-465nm，亮度，1000mcd，发光角度120度，正极的引脚长度为27mm，负极的为25mm。实物图如图1.1所示： 图2.1 选用的LED灯1.3光立方的焊接为了保持整体的通透性、立体感，3D8光立方没有设计额外的LED支架，所有搭接直接使用LED自身的管脚。注意：正负引脚的夹角一定是90。弯折后的LED灯如图1.2所示： 图1.2 弯折后的LED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，我们需要8 片8*8 的LED 阵列，8*8*8=512LED，分为8层，每层8列，每列8个LED灯，列内共阴，层内共阳。焊接直接在LED管脚上进

4、行。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。每一束焊接的效果如图1.3所示： 图1.3 每一列的焊接示意图我们可以把它分为8个层，如图1.4所示；每层含64个LED灯，如图1.4所示。我们只要控制这64个灯使其能够自由变换，然后再通过控制每个层依次点亮即可，由于我们眼睛的视觉暂留（大概50ms至200ms），使我们感觉看到的东西是一起再亮的。这样我们就看到了一个完整的个体。 图1.4 光立方层结构示意图 图1.5 光立方每层结构示意图整个光立方焊接完后如图1.6所示： 图1.6 焊接完后的光立方 第二章 模块设计2.1 总体方案选择 本项目

5、首先要实现光立方的立体扫描，产生出特定的显示效果。此外还要求显示效果能依音乐的改变而改变，给人一种随着音乐“跳舞”的感觉，这就要求对音乐进行采集。对音乐采集可以采用外部ATD芯片，或者选用内带ATD功能的MCU。本项目使用的主控为Atmega16，其内部自,8路10位精度的模数转换器。因此，整体功能结构可表示如下：音频功放 图2.1 系统结构框图2.2 主控的最小系统 本项目中使用的主控为Atmega16。Atmega16是一款高性能、低功耗的8位AVR微处理器，采用先进的RISC结构，含16K字节的系统内可编程Flash和512 字节的EEPROM。Atmega16的外设特点为： 两个具有独

6、立预分频器和比较器功能的8 位定时器/ 计数器 一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16 位定时器/ 计数器 具有独立振荡器的实时计数器RTC 四通道PWM 8路10位ADC，2 个具有可编程增益（1x, 10x, 或200x）的差分通道 两个可编程的串行USART 可工作于主机/ 从机模式的SPI 串行接口 具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器 片内模拟比较器 片内经过标定的RC 振荡器 32 个可编程的I/O 口Atmega16的最小系统主要包括复位电路、外部振荡器电路和AD模块电源等，电路原理图如图2.2所示： 图2.2 Atmega16最小系统2.3 光立方控制模块光立方的扫描控制

7、使用了两片74HC238译码器和8片74HC573锁存器，其中一片74HC238通过地址译码实现光立方的层选，另外一片74HC238用来实现光立方的列选，LED灯的亮灭通过74HC573暂存器暂存的方法，每片74HC573分别用来控制一列LED灯，通过层选和列选信号的切换来实现每个LED灯的扫描，通过不同的扫描顺序实现不同的动态效果。光立方控制的电路原理图如图2.3所示： 图2.3 光立方控制原理图2.4 OTL音频功放模块OTL是英文Output Transformerless的简写，意思是无输出变压器，其采用推挽方式而不用输出变压器的功率放大器。OTL体积小，电路简单，易于集成，是常用的简

8、便型音频功放。本项目设计的OTL如图2.4所示： 图2.4 OTL音频功放2.5 串口通信模块 为使MCU与上位机通信，可以使用串口通信。为此需要设计串口通信模块。 串行通信被广泛用于数据交换中。Atmega16单片机通过复用的PD0和PD1两个管脚与其他设备实现串行数据交换。当设计好串行口工作模式和波特率后，在发送数据时，只要把数据载入UDR中，串行口就会自动将数据发送出去；在接收数据时，串行口接收下来的数据保存在UDR中以供程序读取。 由于电脑串口RS232电平是（-10v +10v），而一般的单片机应用系统的信号电压是TTL电平（0 +5v）,MAX232 就是用来进行电平转换的。MAX

9、232符合TIA/EIA-232-F标准，该器件包含2 驱动器、2 接收器和一个电压发生器电路提供TIA/EIA-232-F 电平。每一个接收器将TIA/EIA-232-F电平转换成TTL/CMOS 电平。每一个发送器将TTL/CMOS电平转换成TIA/EIA-232-F电平。MAX232的主要特点：1、单5V 电源工作2、LinBiCMOSTM 工艺技术3、两个驱动器及两个接收器4、30V 输入电平5、低电源电流：典型值是8mA 串口通信模块的电路原理图如图2.5所示： 图2.5 串口通信电路原理图 第三章 软件开发3.1 光立方的动态显示 光立方虽然不同于平时常见的LED点阵屏，但其原理还

10、是一样的，都是通过对LED的快速扫描，利用人眼视觉暂留效应，以达到动态显示的效果。只不过设计3D 图形，需要有新的思维方式，发现三维空间中点、线、面、体的算法规律。在程序中运用循环、判断语句、参数逻辑运算等方法，用最少的语句达到最佳的显示效果。要实现光立方的动态扫描，那么首先得先点亮一个灯，然后通过快速依次点亮想显示图形的每一个灯，即可得到动态显示图形。本项目中的光立方为层共阳型的，那么束为低电平点亮，那么点亮一个灯的程序如下所示：#define P0 PORTB#define P1 PORTCvoid light（char ceng,char shu） /点亮一个灯 P1=ceng; P0=

11、（1shu）; for（m=0;m=2fmax），采样之后的数字信号才能完整地保留了原始信号中的信息。46.08KHz2*20KHz，符合采样定理的要求。AD结果寄存器采用左对齐方式，因为正常情况ATMEGA16的AD采样频率最大为15KHz，现采样频率至少为声音频率（20KHz）的两倍，即40KHz，所以结果精度不高，也为了有充裕时间进行AD采样，所以只读取ADCH寄存器的值，舍去结果寄存器的末两位。注意在差分模式下，最高位为符号位，所以结果范围为-128+127。参考电压采用内部2.56V参考电压（因为耳机的差分输出电压最高为2V）。现令采样频率为40KHz，则AD转换间隔为t=25us，

12、使用定时器触发方式，每隔25us触发一次AD。采样样本为32个，则频率间隔为40KHz/（32-1）=1.3KHz。FFT运算后，取前面的17（32/2+1）个值，其中第一个值代表直流电压值，亦去掉。最终取结果的X116。本项目中的上位机使用VB开发，上位机的处理频率最大只为1KHz（1ms），而声音的采样频率为40KHz，且AD中如果采用连续转换模式的话，在采样频率为40KHz时，则波特率至少为：BUAD=40K*32（采样点数）*8（每个数的位数）=10240000bps，Atmega16的串口通信根本无法达到如此速率。 故应该间隔发送，不能采用连续发送。现如果每5ms（200Hz）发送一

13、次，一次采样32个点，那么波特率为:200*32*8=51200bps，那么可以设计AVR的串口通信速率为115200bps。串口初始化的函数如下所示：void UART_Init（unsigned int baud） /*默认设置帧格式:异步模式 8 个数据位, 1个停止位*/ UCSRC &= （18）;/* 设置波特率*/ UBRRL = （unsigned char）baud; UCSRB = （1RXCIE）|（1RXEN）|（1TXEN）; /*接收中断使能,接收器与发送器使能*/ 当为UART_Init（5）时，串口通信速率为115200bps。串口通信的发送和接收函数分别为：

14、void write（char data） while（!（UCSRA & （1UDRE）;/* 等待发送缓冲器为空 */ UDR=data;/* 将数据放入缓冲器，发送数据 */ unsigned char read（void）RXC）; /* 等待接收数据*/ return UDR;/* 从缓冲器中获取并返回数据*/ 采样后的AD值采用统一发送方式，其函数如下所示： void send（） for（i=0;i= J Then GoTo L1190 TR = REX（J） TI = IMX（J） REX（J） = REX（i） IMX（J） = IMX（i） REX（i） = TR IMX（

15、i） = TIL1190: K = ND2L1200: If K J Then GoTo L1240 J = J - K K = K / 2 GoTo L1200L1240: J = J + KNext iFor L = 1 To M LE = CInt（2 L） LE2 = LE / 2 UR = 1 UI = 0 SR = Cos（PI / LE2） SI = -Sin（PI / LE2） For J = 1 To LE2 JM1 = J - 1 For i = JM1 To NM1 Step LE IP = i + LE2 TR = REX（IP） * UR - IMX（IP） * UI

16、 TI = REX（IP） * UI + IMX（IP） * UR REX（IP） = REX（i） - TR IMX（IP） = IMX（i） - TI REX（i） = REX（i） + TR IMX（i） = IMX（i） + TI Next i TR = UR UR = TR * SR - UI * SI UI = TR * SI + UI * SR Next JNext L 第四章 结束语 通过半年的学习和努力，终于成功实现了本项目要求。在本项目的过程中，光立方的制作对焊接和布局提出了一定要求，其次是FFT的学习与应用。经过本次制作，进一步加深了点阵的扫描控制，也学会了如何将理论联系

17、实际，把所学的书本知识应用到实际运用中去。每一次的项目制作，都让自己有一种新的收获，这便是经验逐步积累的过程。希望以后能够参与更多的项目中去，学习更多的知识和经验。 附件下位机程序清单：/*主控为ATMEGA16单片机，采用外部晶振11.0592MHz，选用AD时钟分频因子为16，则AD时钟=691.2KHz。因为差分AD转换需要15个AD时钟，则采样频率最大为691.2KHz/15=46.08KHz（=2*20KHz）。结果寄存器采用左对齐方式，因为正常情况下ATMEGA16的AD采样频率最大为15KHz，现采样频率至少为声音频率（20KHz）的两倍，即40KHz，所以结果精度不高，也为了有

18、充裕时间进行AD采样，所以只读取ADCH寄存器的值，舍去结果寄存器的末两位。注意在差分模式下，最高位为符号位，所以结果范围现为-128+127。采样样本为32个，则频谱的频率间隔为20KHz/（16-1）=1.3333KHz。最终取结果的X116。*/#include macros.hstdlib.h/p1高位:层 P1低位:面 p0:束#define N 32/#define delay 200unsigned char delay=200;unsigned char m;unsigned char i;char count=0,num=0,flag=0,index=0;char ad_data=0,valueN=0,resultN/2+1=0;char const spin1416=0x07,0,0x06,1,0x05,2,0x04,3,0x03,4,0x02,5,0x01,6,0x00,7, 0x06,0,0x06,1,0x05,2,0x04,3,0x03,4,0x02,5,0x01,6,0x01,7, 0x05,0,0x05,1,0x05,2,0x04,3,0x03,4,0x02,5,0x02,6,0x02,7， 0x04,0,0x04,1,0x04,2,0x04,3