Bello N. ^(1,**){ }^{1, *} 与 Muhammed A. A. ^(2){ }^{2} ^(12){ }^{12} 尼日利亚埃多州贝宁市,贝宁大学电气/电子工程系,邮政信箱 1154。通讯作者邮箱:nosabello@uniben.edu, abudu.muhammed@uniben.edu
为实现这一目标,设计采用 LED 阵列快速生成连续静态画面(称为帧),通过视觉暂留效应形成动画效果。该立方体的灵感源自贝宁大学先前完成的项目,以及市售成品的展示视频——这些产品既有整机出售,也提供套件供用户自行组装。无论是贝宁大学团队的设计方案还是商业成品,都激励我们打造出比现有任何设计更宏大、更精美的模型。
2.0 材料与方法
本研究在构建 LED 立方体、电路设计与 PCB 布局的仿真以及开发用于控制微控制器的固件过程中,需要若干材料。鉴于本文讨论按时间顺序展开,我们将首先介绍用于构建 LED 立方体的工具与材料,包括中密度纤维板(MDF)、1 米至 3 英尺卷尺、铜线、砂纸、电烙铁、焊锡、吸锡器、钳子、剪线钳、铅笔、数字万用表、刀具、剪刀、印刷电路板(PCB)、硬纸板、螺丝刀、钉子、有机玻璃板、钻孔机以及带夹子的 9 伏高压电池。整个设计分为以下两大主要部分: 一) 硬件部分
a. LED 立方体阵列 b. 电路设计 ii) 软件部分
硬件设计包括 LED 立方体阵列与电路设计。针对三维 LED 立方体阵列的设计,该 LED 构建为一个 16 xx16 xx1616 \times 16 \times 16 立方体,包含 4,096 颗直径 5 毫米的 LED,每颗 LED 由四引脚 RGB LED 组成。立方体结构遵循文献[12]中 8xx8xx88 \times 8 \times 8 LED 立方体的相同排列方式。每层 LED 立方体由 256 颗 LED 构成,随后将这 16 层级联形成立方体。LED 尽可能均匀分布以实现对称尺寸。立方体阵列
由于立方体的体积发生了变化,其所需的功率也随之改变。系统中消耗大部分电流的组件是 LED 灯。该立方体采用多路复用技术,因此在任何时刻仅有一个水平层(平面)能被激活。一个平面最多包含 16 xx1616 \times 16 个 LED 灯,即 256 个同时耗电的 LED。所用超高亮度 LED 的额定电流为 30 毫安。但需特别注意的是,由于人眼对红、绿、蓝光的敏感度不同,为确保整体亮度均匀,必须通过 LED 中的红、绿、蓝路径分别通以不同电流值。红色 LED 的压降约为 2 伏,绿色和蓝色 LED 则分别为 2 伏和 3 伏。在电源设计中,为实现均匀亮度,我们为红、绿、蓝 LED 分别选定了 50mA,25mA50 \mathrm{~mA}, 25 \mathrm{~mA} 毫安、32 毫安的理想工作电流。每颗 LED 灯珠(内含 3 个 LED)点亮时,单个 LED 最大消耗电流为 50 毫安,整个平面最多有 256 xx3256 \times 3 个 LED 灯珠同时发光。 LED 立方体所需的最大电流计算如下:
单层 LED 数量 xx\times 每颗 LED 的最大电流 256 xx3xx0.05=38.4 A256 \times 3 \times 0.05=38.4 A.
立方体显示控制的 C 程序修改主要集中在优化及控制单元编程逻辑调整上,其 FFT 逻辑仍与 8xx8xx88 \times 8 \times 8 LED 立方体保持一致。优化后的控制逻辑流程图如图 2 所示。
图 2. LED 立方体显示流程图
3.0. 结果与讨论
LED 立方体的构建分阶段进行。每个阶段开始前,确保备齐所需的施工工具、使用材料及电气元件。LED 立方体的组装过程极为繁琐,需要耐心与细致操作,期间需小心处理 LED 以避免不必要的损坏。如前所述,我们将整个项目分为两大主要阶段实施:硬件构建(包括 LED 阵列及电路设计与布局)和软件构建。图 5 与图 6 展示了 LED 立方体的构建阶段。
贝洛·N.与穆罕默德·A. A./《科技研究期刊》
2024 年第 6 卷第 2 期 第 185-199 页
图 3. 夹具
图 4. LED 立方体的单层/切片结构
图 7 展示了完全组装好的 LED 立方体。如图 8 所示,该立方体被安装在一个玻璃外壳中,既美观又起到保护作用。
焊接完成后,使用数字万用表对印刷电路板(PCB)上的电子元件进行测试,以确认电路功能是否正常及连通性良好。测试采用模块化与时间顺序相结合的方式,即在构建过程中逐一对设计的每个特定阶段进行独立测试。这种方法能彻底避免级联错误(早期构建错误导致后续多重问题),并将任何故障精准定位至具体硬件或软件功能模块。通过模块化与分阶段测试,我们以最高效的方式发现并修正了错误。主要测试的硬件组件为 LED 灯,测试目的仅为确认其基本功能。每个 LED 测试包含红、绿、蓝三色的"亮/灭"状态检查。所有 LED 在焊接至立方体结构前均单独测试,焊接后再次逐一验证。此举既确保 LED 处于正常工作状态,又能识别 LED 立方体布线中存在的任何问题。 立方体采用逐层焊接的方式,每添加一个平面之前都会进行测试。最终,在将每个平面整合至立方体结构后,会对当时已构建的整个立方体进行全面检测。
LC 控制板与阴极驱动板是 LED 立方体的核心组件,负责调控电流、亮度及色彩。这些参数均需对各通道进行独立测试。通过校准通道,确保所有 LED 在每一条驱动通道及设备上呈现一致的色彩与亮度表现。
[10] Benchoff, B. 2012 “4096 颗 LED 打造史上最大 LED 立方体”,《自适应计算》[在线] 可访问:http://hackaday.com/2012/10/21/4096-LEDs-means-the-biggest-LED-Cube-ever/ (访问于 2015-06-11)
[11] Alberts, M., Clark, J., Li, A. 和 Walker, I. (2012), 动态动画立方体。
[12] Bello N. 与 Muhammed A. A. (2022) 设计并构建了一个 8xx8xx88 \times 8 \times 8 RGB LED 立方体。《NIPES 科学与技术研究期刊》卷,第 24 页。