3D立方燈設計

蘇智華

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2016.24.023

摘 要：隨著現代生活水平的提高，節日裝飾彩燈已經應用的人們生活的方方面面。該設計基于STC12C5A60S2單片機，采用 8×8×8結構的512個LED彩燈構成的立方燈，驅動電路采用ULN2803和74HC595模塊。系統可顯示平面動態圖案，以及三維立體的動態圖案。并可添加不同的方案和花樣，根據輸入的音頻信號調整圖案顯示節奏。

關鍵詞：立方燈 單片機 三維 動態圖案

中圖分類號：TP391.41 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）08（c）-0023-02

科技發展的腳步一直在前進，從二極管、印刷液晶屏、黑白點陣到TFT彩屏時代再變換到LED顯示屏，LED現在已經應用到生活的方方面面。電子產品所擁有的高分辨率已經帶來了強悍的視覺沖擊，所以人們想出了從平面向立體發展，讓三維空間帶來更加強悍的感觀。所謂“光立方燈”是指在平面LED基礎搭建出來的一種新型顯像技術，改變了傳統平面顯示風格，通過程序設計，在三維空間顯示動畫，因此極大程度上震撼著人們的視覺。

1 系統設計方案

該設計基于STC12C5A60S2單片機，控制8×8×8結構的512個LED彩燈構成的立方燈進行平面動態圖案以及三維動態圖案顯示。系統由各模塊如圖1所示。

2 系統硬件設計

對于顯示模塊，有傳統和霧狀LED兩種，進行簡單對比發現，通常的LED光發散較為嚴重，兩個相鄰的LED燈亮了之后容易產生較大的互相影響，容易影響效果。白發霧狀藍燈作為立方燈的發光源，工作電流為2～10 mA之間，工作電壓是2.7～4.2 V。霧狀情況下很容易達到聚光的效果，在立方燈所有燈都點亮的情況下，做動畫和圖案展示的時候互相也不會產生影響。因此，設計采用霧狀LED。另外，LED連接限流電阻，以防某一瞬間電流過大而將LED燒壞。

單片機采用STC12C5A60S2，和傳統51單片機管腳相兼容，芯片本身擁有第六代加密技術，擁有超強抗干擾能力，內部集成度高，含有可靠的復位電路，相比8051快8～12倍。并且芯片內部含有A/D轉換，所以不需要額外在外部添加A/D轉換電路，就可以實現頻譜轉換。主控電路如圖2所示。

立方燈的驅動模塊主要是采用ULN2803和74HC595相互結合來控制LED的亮滅，通過這兩個芯片來分開控制某一層或者某一排的LED。

層控制采用ULN2803，如圖3所示。1-8管腳為輸入，相對應的管腳為18-11，為輸出管腳。10管腳為8路輸出，并且也是續流二極管共同適用的端口，輸出為500 mA，50 V，并且輸出情況是集電極開路，輸出的作用是用來接負載，相對應的負載另一端接正電壓。9管腳接地。輸出達林頓管截止的狀態是因為輸入為0，負載上面沒有電流。這個芯片輸出狀態為飽和時是因為輸入為高電平，負載當中的電流就會出現在輸入口中。需要驅動感性負載時候需要接入10管腳，用來接負載電源。

采用8個74HC595來構成行列的控制，利用其暫存功能將64個LED燈的亮滅信息存儲起來，然后通過燈的亮滅顯示進行輸出。使能控制端為P0口，選擇哪一個74HC595來通過，LED燈的亮滅信息是通過P3口來傳送，并經74HC595鎖寸。部分列控制電路如圖4所示。

3 系統軟件設計

系統主程序如圖5所示。系統能通過按鍵來切換所要顯示的圖案，并在8×8×8結構立方燈上進行顯示。

立方燈顯示程序采用的是數據掃描的方式進行數據段采集，首先采集光立方當中的某一列，然后按照數據表對應的i和i+7元素，然后顯示輸出時是由高至低顯示輸出的，使用單片機的輸出口，利用的是單片機向右移位的功能，輸出顯示要準確需要通過單片機的片選功能。顯示動態動畫的顯示流程圖如圖6所示。512個燈的亮滅信息都是分開控制的，這樣有利于各類動畫清晰顯示，并且用戶操作也可以簡單化，要想改變動畫只需要改變相應位置燈亮滅即可。

4 結語

該次設計的主控芯片為STC12C5A60S2，還有其他外圍相關電路構成了該系統，通過ULN2803和74HC595來構成驅動電路模塊，為LED立方燈提供行列驅動，應用普通晶體時鐘源構成時鐘信號電路。設計電路簡單，采用的材質為藍色霧面LED燈，用來造成立方體最佳視覺效果。在程序控制下，立方燈可以依據程序的編程改變動畫的效果，也可以采取輸入音樂的形式使得立方燈隨著音樂改變，主控芯片內含A/D轉換模塊，頻譜處理速度也快，可以直接輸入頻譜使LED產生圖案的變化，省去采用AT89S52控制時需要更改程序才可以控制LED燈的亮滅，顯示圖案連貫。

參考文獻

[1] 劉小平，李志遠.單片機版光立方的制作[J].無線電，2010，33（5）：550-552.

[2] 楊清德.LED驅動電路設計與工程施工案例精講[M].北京：化學工業出版社，2010.