基于單片機實現全彩光立方體的設計方案

毛莉君 張燕

[摘 要]單片機因其功能強大、性價比高、體積小、質量小、抗干擾能力強、對環境要求低、價格低廉、靈活性強，被廣泛應用于多個領域。本文基于單片機整體知識構架，將單片機硬件按照三大模塊，并且運用不同的技術，滿足全彩光立方體設計的技術，以實現立體設計效果。

[關鍵詞]STC89C52單片機；74HC573鎖存器；LED顯示

[中圖分類號]TP368.1 [文獻標識碼]A

1 緒論

隨著時代的發展，“光立方”受到社會各界關注，并且成為全球高度認可的技術。“光立方”實際上是一種顯示技術，設計程序比較復雜，通過三維空間顯示具有立體感的圖形、動畫等。光立方體由LED燈組成，由于發光二極管質量高、使用壽命長，不用頻繁更換，能減少成本，而且更節能。光立方屬于一種特殊的顯示資源，應用廣泛，不僅能用于廣告行業、會議室，還能用于家庭、娛樂廳、大型演唱會以及城市地標廣場等場地的布置和裝飾，未來的應用將更加廣泛，并且具有廣闊的應用前景。

光立方體的設計與制作獨特，別具一格，由傳統的平面轉向立體發展，通過三維空間顯示出來的效果更加絢麗，能夠對人們的審美視覺形成很大的沖擊，不再只是停留在乏味的平面成像方面。當前光立方的主體主要是由64個LED等組成，成本低、智能化，其研究極具創意和啟發，而且可以低成本、高效益地研究未來的3D技術。我國LED顯示屏產業的技術相對來說比較先進，主要產品和核心技術與國際水平基本能夠保持一致，工藝采用貼片技術，隨著科技不斷進步不斷地提高工藝水平，使其能夠完全達到國際水平，甚至超過國際水平。

2 工作原理

本方案的設計原理：有4個4×4點陣，再用4個引腳來當充當各個4×4點陣的“開關”。本設計采用的方法是HC573暫存法，也就是通過HC573暫存法來將64個燈的亮與滅的信息進行保存且一起輸出，這64個輸出能夠引腳控制64個燈，并且每層燈的陰極將被一起鏈接到單片機上，每一個單片機控制每一層的燈。也就是每一個單片機控制著芯片STC89C52，實現64個燈的亮與滅，比如單片機設計為制P0、P1、P2、P3，進而實現燈X、Y、Z空間立體的顯示情況。

LED光立方體由主控模塊、驅動模塊、顯示模塊三個模塊組成。（擴展內容）利用單片控制LED點陣顯示的原理和控制技術，來制作控制光立方顯示。通過編寫程序控制不同LED的顯示，顯示所要顯示的內容。根據人眼的視覺暫留效應，設置每幅畫面的延遲時間使連續的一系列畫面呈現動態。

3 方案設計

3.1 光立方體的核心電路

控制部分是整個系統的核心部分。因為單片機具有豐富的指令的類型，接口性能很強，運行速度很快，被廣泛應用于工業控制，如通信設備、家電電器、智能儀表等。同時，單片機具有低能耗低電壓的特點。

而應用最廣泛的單片機便是STC的STC89C52系列，能適用于大數量的LED燈的電路，所以在設計中選擇增強型的STC89C52作為核心控制器。

3.2 I/O口擴展芯片的選擇

74HC573 跟74LS573的管腳相同。但是兩者存在顯著差異。如果使用74LS573，可能會出現鎖存的使用功能降低，因此，基于這樣的情勢，可能導致難以出現數據建立時間和保持時間一致，從而出現鎖存的情況。而如果使用74HC573，可以實現4塊74HC573能夠共用16個I/O口，可能出現很多的數據會被并行寫入芯片之中，進而出現延遲時間減少，從而更好地符合設計的需求。因此，本文認為，選取74HC573作為列線驅動I＼O口擴展芯片更合適。

3.3 層控制驅動器

光立方是由64個LED組成，所以需要把電流放大才能驅動整個立方體。

方案一：用ULN2803作為光立方層驅動電路，因為ULN2803具有保護二極管共陰極的作用，可以更好地保護光立方體工作。方案二：5V的固體繼電器對于焊接時溫度要求高，且導通后管壓降較大。基于以上分析，選擇ULN2803作為層面控制機器。

3.4 LED發光二極管

由于對于不同外觀和整體形狀的美觀需要，就需要加強LED 燈的選擇，本文認為所比較合適的LED等主要是霧狀藍光的，主要再遠出于高亮等相比霧燈過于刺眼，霧燈的選擇更加合適。2*5*7白發藍霧狀長腳方塊形散光磨砂用光立方LED發光管，白色的藍霧給人若隱若現的感覺，長腳便于焊接。實現效果非常好。

4 硬件整體設計的簡要分析及功能概述

4.1 整體設計概述

3D LED具有不同的設計思路，具體來說，設計思路如圖1所示。3DLED的電路設計復雜，大體上包括主要的三個組成部分，第一部分是核心控制電路，第二部分是顯示驅動器，還有一部分是通信電路。其中，核心控制電路部分主要包括一個CPU和一些外圍電路。整個電路設計，將核心控制電路部分設計成一個上位機，負責控制整個電路運行，與PC機的串行通訊，以及通過顯示屏部分發送一些命令。本次設計將以此方案為指導思想展開具體的硬件電路設計。

4.2 單片機簡介

單片機，又被稱為微處理器，是指在一塊硅片上集中形成了各種部件的微型機，主要包括幾個部分：CPU，即中央處理器；RAM，即數據存儲器；ROM，即程序存儲器；定時器/計數器；多種I/O接口電路。

單片機最小系統包括時鐘電路，以及復位電路。兩者工作過程中所需要的控制信號由不同的單片機進行控制。

4.2.1 時鐘電路的設計。時鐘電路設計采用的是不同設計思路，時鐘電路所用的頻率也不一樣，主要使用12MHZ，時鐘電路的電容大小也不一樣，兩者C1、C2的電容值分別取30pF，對于調頻有著微小的作用。

4.2.2 復位電路的設計。本設計采用的復位電路方式主要是手動按鍵電平復位方式，實現電路之間的連接，具體設計見圖2。

4.3 74HC573芯片介紹與連接電路圖

74HC573 跟74LS573的管腳一樣。器件的輸入是和標準CMOS 輸出兼容的；加上拉電阻，它們能和HC/ALSTTL 輸出兼容。

5 硬件電路的搭建與連接

在完成了程序的編寫工作后，接下來將進行硬件電路的測試，這里說的硬件電路，并不單單是指程序本身，還包括其他方面。測試和開發一樣，也是一項技術性很強的工作，有著很多的技巧。測試是硬件電路質量保證的主要活動之一，因此，測試的質量直接影響作品的質量。

5.1 單片機與74HC573連接線路圖

這個鏈接線路圖中，首先需要通過porter平臺，在平臺里面畫出單片機，實現STC89C52以及芯片74HC573之間的連接圖連接，從而使其能夠轉變成PCB圖，進而能夠將圖實現在PCB板上面，按照圖紙將各個元器件進行焊接，不過在實際操作中PCB板的制作比較復雜，故使用洞洞板制作。

5.2 LED燈焊接連接

將4個LED焊接為一組，需要用鉗子將LED的正極扭彎，這樣將全部LED焊接成4個一組的LED燈排待用。焊接時有一些注意事項，比如說盡量不要過多使用助焊劑，可能會粘到LED的表面上，進而影響LED燈的外觀設計。焊機避免正負2極短路。

5.3 整體的具體實物

整個光立方的鏈接主要是用排線和杜邦線連接而成，有助于實現方便拆和安裝，但是實際操作過程中設計的程序比較繁瑣，也容易出現一些錯誤，甚至有些時候會出現接觸不良的狀況，具體的整體實物圖。

6 結論

總而言之，基于單片機可以實現全彩立方體，但是設計過程中要注意各系統的有機組合，避免一些不利的事項，進而更加有效地實現LED燈的效果。本次光立方的設計主要基于單片機原理，達到了更好的設計效果。

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