基于单片机的彩灯控制系统开发开题报告
2020-04-23 19:40:33
1. 研究目的与意义（文献综述）
彩灯，作为元宵佳节的民俗表征物，体现着华夏民族的文化精神。彩灯作为艺术精品，它不但凝聚了中华彩灯文化的精华，更以其新的文化品位和艺术魅力名扬四海，彩灯已经成为具有可持续发展能力的特色文化产业。彩灯文化的兴盛离不开民间俗尚的长久积淀，彩灯也以其自身的产生和发展参与了民族性格的生成和塑造。彩灯与正月十五元宵节有密切联系。由于造物技术的成熟和思想意识的复杂及审美能力的提高，逐渐丰富了人们的物质生活和精神生活，也提出了把某些文化内涵丰富、附加艺术价值厚重并有特殊意味的用器、物品，作为装饰、说明和权威等的需要。这样，就使某些器物除了具有生活实用的价值外，还具有满足精神需求的功能。在不同的民俗活动中，不同的器物以其鲜明、生动、形象，增添了民俗活动的兴味。所以元宵节也称作灯节，彩灯的艺术感染力不言而喻。彩灯艺术带有鲜明的传统手工技能性和社会风俗特征，是值得我们珍视的非物质文化遗产。彩灯长久地受到民众的青睐和喜爱，是因为它标志着节日，装扮出喜庆祥和的狂欢气息。彩灯不仅是节日间烘托气氛，庆祝节日的重要工具，也是日常生活中的一种重要装饰品。大到重要的国际盛事，国际活动，小到家庭装饰，个人的日常用品，彩灯装饰无处不在。在古代，由于技术及生活条件的限制，它除了装饰，还有照明的作用，也叫做灯笼。由纸或者绢作为灯笼的外皮，骨架通常使用竹或木条制作，中间放上蜡烛，成为照明或装饰工具。而现在，随着生活条件的提高和技术的发展，用纸和木条制作的彩灯已经越来越少了。现代的彩灯一般由各种颜色的小灯泡或LED灯组合在一起做装饰作用。彩灯的形式和种类也得到了巨大的发展，形式丰富多样，颜色五彩斑斓，应用的场合也越来越多。尤其是现代的光学，材料加工等各方面的科技进步，将传统的彩灯艺术与现代的科学技术结合起来，可以让彩灯焕发出更大的魅力。所以怎样研究使彩灯的效果更佳的漂亮，更加的样式多样话，就成了我们主要的研究对象。综合考虑智能彩灯在生产生活中的需要，以单片机为基础，分析彩灯设计的方案，相应的彩灯控制实现部分电路的设计，分析和比较系统的各种控制方法，优化控制策略，总结出切实可行的控制策略，设计出符合需求的控制程序，实现单片机多样彩灯智能化操作的目标 。
2. 研究的基本内容与方案
| （1）硬件电路的设计 本次设计是一个8x8x8的三维彩灯系统，由512个LED灯构建的三维LED点阵模块及相应的控制系统构成。系统通过 二维8×8的LED驱动电路控制xy基面，依次沿z轴方向实现8次扫描。恰好完成一次整体的8×8×8 LED从 底面到最高面的扫描。整体模型用z、y、z三轴模拟，其x轴控制锁存器使能端，y轴控制锁存器数据端.x,y轴控制xy基面，z轴控制层面。利用人眼的视觉暂留效应，分时段刷新每一层面数据就可达到立 体显示的动静态效果。 本次设计采用51单片机作为控制芯片，ULN2803作为整体LED的8位共阴极驱动芯片以增强驱动电流的能力。采用8片规格完全相同的锁存器74HC573对LED阳极端口控制，可实现图形稳定显示、动态快速变换、亮度逐级可调等功能。
图1 系统整体框图 在本次设计中由于LED灯需要选择不同的颜色，所以LED需要不同的供电电压 。所以在设计中选择DA0832芯片来控制电压大小。由程序选择电压大小，然后芯片将数字量转换为模拟量电压输出，给LED等供电，让LED显示不同的色。 由于本设计中LED较多，单片机本身的驱动能力显得不足，考虑到ULN2803模块具有较强的带负载能力，因此使用该芯片驱动LED灯。
图2 ULN2803模块驱动电路 本设计采用74HC573模块对y轴进行并行输入并行输出控制。其具有以下优点：(1)具备高阻 态功能。输出既不是高电平，也不是低电平，而是高阻抗状态，在这种状态下．可将多个芯片并联输出，同时控 制；(2)具备数据锁存功能，当输入的数据消失时，在芯 片的输出端数据仍然保持；(3)具备数据缓冲功能，可加强电路的驱动能力。
图3 74HC573 模块驱动电路 （2） LED发光控制 LED灯通常由半导体材料制成，且工作电压低，能主动发光具有一定的亮度，亮度又能通过电流或电压调节。所以可以通过改变双脚LED灯两端的电压使LED发出不同颜色的光。双脚LED灯一脚接在74HC573模块的输出端，另一端接在DA0832芯片的输出端，可以由程序决定DA芯片的输出电压，从而改变LED灯两端电压，使它发出不同的颜色。由74HC573模块选中哪一个LED亮，由程序和DA芯片控制亮什么颜色。由于实际考虑和单片机的限制不能每个LED都接一个DA芯片单独控制，所以将LED灯分为8层，每层64个LED由一个DA输出端控制，即如果同一层有多个LED灯亮时，它们都显示同一种颜色。在LED图案设计时可以设计在立方灯棱上，面上及立体灯光的变化，展现出不同的灯光变化。 在灯光图案控制方面采用红外线模块，在程序设计时预先设计几种LED发光图案，由红外模块选择执行那种发光图案。还可以设计自定义的发光图案，由红外模块控制器输入数据，每组数据由四位数字组成，前三位数字选定LED灯，最后一位数字选定发光颜色。由多组数据组成一个发光图案，由LED显示。 （3）程序编写
本次设计LED点阵模块是在二维的基础上通过层叠加原理实现的，因此可将三维8×8×8模型看作是64×8的平面模型，即对应的xy面与z面的相互作用 模型。其中64为xy平面的LED灯，一片74HC573芯片输出端为8 位，恰好设计8片74HC573芯片控制64个LED灯。8为z轴，用一片ULN2803芯片控制。因此64×8对应了全部的512位即512个LED灯。每一位采用状态0或l可对其进行亮或灭控制，实现三维LED灯的发光或熄灭。此设计采用x、y、z三轴三维模型模拟，其中任意 LED灯的坐标为LED(x，y，z)，坐标范围均为0—7。当要(3，4，5)点坐标灯亮，控制其z=4处平面灯全亮即输入端口为高电平1，其余为低电平0。y=3处平面灯全亮即输入端口为高电平l，其余为低电平0；x=2处平面输入端口对y=3处平面数据进行锁存即由高电平1变为 低电平0，这样便可实现LED(3，4，5)坐标灯保持高亮， 其余灯熄灭。74HC573选择哪一个或几个LED灯亮，，选中的LED灯一端输入高电平。LED灯另一端电压由DA芯片决定。DA芯片将程序决定的数字量电压转换为模拟量输出，加到LED另一端。两个电压共同决定LED灯亮的颜色。通过点可实现线、面、体以及两两结合组成的各种三维立体动静态图形显示.
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3. 研究计划与安排
第 1－3周：查阅相关文献资料，明确研究内容，了解研究所需的序的功能要求，确定方案，完成开题报告
第4－6周：完成英语论文翻译和硬件电路的设计，以及各子程序的编写；
第7－10周：完成日常程序的编写；
第11－12周：完成系统仿真测试调试工作；
4. 参考文献（12篇以上）
[1]刘小平，李志远.单片机版光立方的制作[j].无线电，2010.
[2]杨清德.led驱动电路设计与工程施工案例精讲[m].北京：化学工业出版社，2010
[3] 危鑫，阳泳，孟阳.基于at89c52的光立方设计[j]
