| 标题 | 基于单片机实现全彩光立方体的设计方案 |
| 范文 | 毛莉君 张燕 [摘 要]单片机因其功能强大、性价比高、体积小、质量小、抗干扰能力强、对环境要求低、价格低廉、灵活性强，被广泛应用于多个领域。本文基于单片机整体知识构架，将单片机硬件按照三大模块，并且运用不同的技术，满足全彩光立方體设计的技术，以实现立体设计效果。 [关键词]STC89C52单片机；74HC573锁存器；LED显示 [中图分类号]TP368.1 [文献标识码]A 1 绪论 随着时代的发展，“光立方”受到社会各界关注，并且成为全球高度认可的技术。“光立方”实际上是一种显示技术，设计程序比较复杂，通过三维空间显示具有立体感的图形、动画等。光立方体由LED灯组成，由于发光二极管质量高、使用寿命长，不用频繁更换，能减少成本，而且更节能。光立方属于一种特殊的显示资源，应用广泛，不仅能用于广告行业、会议室，还能用于家庭、娱乐厅、大型演唱会以及城市地标广场等场地的布置和装饰，未来的应用将更加广泛，并且具有广阔的应用前景。 光立方体的设计与制作独特，别具一格，由传统的平面转向立体发展，通过三维空间显示出来的效果更加绚丽，能够对人们的审美视觉形成很大的冲击，不再只是停留在乏味的平面成像方面。当前光立方的主体主要是由64个LED等组成，成本低、智能化，其研究极具创意和启发，而且可以低成本、高效益地研究未来的3D技术。我国LED显示屏产业的技术相对来说比较先进，主要产品和核心技术与国际水平基本能够保持一致，工艺采用贴片技术，随着科技不断进步不断地提高工艺水平，使其能够完全达到国际水平，甚至超过国际水平。 2 工作原理 本方案的设计原理：有4个4×4点阵，再用4个引脚来当充当各个4×4点阵的“开关”。本设计采用的方法是HC573暂存法，也就是通过HC573暂存法来将64个灯的亮与灭的信息进行保存且一起输出，这64个输出能够引脚控制64个灯，并且每层灯的阴极将被一起链接到单片机上，每一个单片机控制每一层的灯。也就是每一个单片机控制着芯片STC89C52，实现64个灯的亮与灭，比如单片机设计为制P0、P1、P2、P3，进而实现灯X、Y、Z空间立体的显示情况。 LED光立方体由主控模块、驱动模块、显示模块三个模块组成。（扩展内容）利用单片控制LED点阵显示的原理和控制技术，来制作控制光立方显示。通过编写程序控制不同LED的显示，显示所要显示的内容。根据人眼的视觉暂留效应，设置每幅画面的延迟时间使连续的一系列画面呈现动态。 3 方案设计 3.1 光立方体的核心电路 控制部分是整个系统的核心部分。因为单片机具有丰富的指令的类型，接口性能很强，运行速度很快，被广泛应用于工业控制，如通信设备、家电电器、智能仪表等。同时，单片机具有低能耗低电压的特点。 而应用最广泛的单片机便是STC的STC89C52系列，能适用于大数量的LED灯的电路，所以在设计中选择增强型的STC89C52作为核心控制器。 3.2 I/O口扩展芯片的选择 74HC573 跟74LS573的管脚相同。但是两者存在显著差异。如果使用74LS573，可能会出现锁存的使用功能降低，因此，基于这样的情势，可能导致难以出现数据建立时间和保持时间一致，从而出现锁存的情况。而如果使用74HC573，可以实现4块74HC573能够共用16个I/O口，可能出现很多的数据会被并行写入芯片之中，进而出现延迟时间减少，从而更好地符合设计的需求。因此，本文认为，选取74HC573作为列线驱动I＼O口扩展芯片更合适。 3.3 层控制驱动器 光立方是由64个LED组成，所以需要把电流放大才能驱动整个立方体。 方案一：用ULN2803作为光立方层驱动电路，因为ULN2803具有保护二极管共阴极的作用，可以更好地保护光立方体工作。方案二：5V的固体继电器对于焊接时温度要求高，且导通后管压降较大。基于以上分析，选择ULN2803作为层面控制机器。 3.4 LED发光二极管 由于对于不同外观和整体形状的美观需要，就需要加强LED 灯的选择，本文认为所比较合适的LED等主要是雾状蓝光的，主要再远出于高亮等相比雾灯过于刺眼，雾灯的选择更加合适。2*5*7白发蓝雾状长脚方块形散光磨砂用光立方LED发光管，白色的蓝雾给人若隐若现的感觉，长脚便于焊接。实现效果非常好。 4 硬件整体设计的简要分析及功能概述 4.1 整体设计概述 3D LED具有不同的设计思路，具体来说，设计思路如图1所示。3DLED的电路设计复杂，大体上包括主要的三个组成部分，第一部分是核心控制电路，第二部分是显示驱动器，还有一部分是通信电路。其中，核心控制电路部分主要包括一个CPU和一些外围电路。整个电路设计，将核心控制电路部分设计成一个上位机，负责控制整个电路运行，与PC机的串行通讯，以及通过显示屏部分发送一些命令。本次设计将以此方案为指导思想展开具体的硬件电路设计。 4.2 单片机简介 单片机，又被称为微处理器，是指在一块硅片上集中形成了各种部件的微型机，主要包括几个部分：CPU，即中央处理器；RAM，即数据存储器；ROM，即程序存储器；定时器/计数器；多种I/O接口电路。 单片机最小系统包括时钟电路，以及复位电路。两者工作过程中所需要的控制信号由不同的单片机进行控制。 4.2.1 时钟电路的设计。时钟电路设计采用的是不同设计思路，时钟电路所用的频率也不一样，主要使用12MHZ，时钟电路的电容大小也不一样，两者C1、C2的电容值分别取30pF，对于调频有着微小的作用。 4.2.2 复位电路的设计。本设计采用的复位电路方式主要是手动按键电平复位方式，实现电路之间的连接，具体设计见图2。 4.3 74HC573芯片介绍与连接电路图 74HC573 跟74LS573的管脚一样。器件的输入是和标准CMOS 输出兼容的；加上拉电阻，它们能和HC/ALSTTL 输出兼容。 5 硬件电路的搭建与连接 在完成了程序的编写工作后，接下来将进行硬件电路的测试，这里说的硬件电路，并不单单是指程序本身，还包括其他方面。测试和开发一样，也是一项技术性很强的工作，有着很多的技巧。测试是硬件电路质量保证的主要活动之一，因此，測试的质量直接影响作品的质量。 5.1 单片机与74HC573连接线路图 这个链接线路图中，首先需要通过porter平台，在平台里面画出单片机，实现STC89C52以及芯片74HC573之间的连接图连接，从而使其能够转变成PCB图，进而能够将图实现在PCB板上面，按照图纸将各个元器件进行焊接，不过在实际操作中PCB板的制作比较复杂，故使用洞洞板制作。 5.2 LED灯焊接连接 将4个LED焊接为一组，需要用钳子将LED的正极扭弯，这样将全部LED焊接成4个一组的LED灯排待用。焊接时有一些注意事项，比如说尽量不要过多使用助焊剂，可能会粘到LED的表面上，进而影响LED灯的外观设计。焊机避免正负2极短路。 5.3 整体的具体实物 整个光立方的链接主要是用排线和杜邦线连接而成，有助于实现方便拆和安装，但是实际操作过程中设计的程序比较繁琐，也容易出现一些错误，甚至有些时候会出现接触不良的状况，具体的整体实物图。 6 结论 总而言之，基于单片机可以实现全彩立方体，但是设计过程中要注意各系统的有机组合，避免一些不利的事项，进而更加有效地实现LED灯的效果。本次光立方的设计主要基于单片机原理，达到了更好的设计效果。 [参考文献] [1] 张毅刚.新编MCS-51单片机应用设计[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2003. [2] 朱兆优.单片机原理及应用[M].北京：电子工业出版社，2010. [3] 欧阳斌林.单片机原理及应用[M].北京：中国水利水电出版社，2016. [4] 文哲雄.用单片机控制的LED显示屏[J].佛山科学技术学院学报（自然科学版），1995（S1）. [5] 付晓光.单片机原理与实用技术[M].北京：清华大学出版社，2015. [6] 关积珍.LED显示屏发展状况及趋势[J].世界产品与技术，2000（02）. |
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