陳慶朋，沈懌珩

(棗莊學(xué)院光電工程學(xué)院，山東棗莊　277160)

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太陽(yáng)能光立方的設(shè)計(jì)與制作

陳慶朋，沈懌珩

(棗莊學(xué)院光電工程學(xué)院，山東棗莊277160)

使用霧狀雙色LED作為光立方的基本組成單元，設(shè)計(jì)制作LED光立方本體結(jié)構(gòu)，用HTC12C5A60S2單片機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)整個(gè)LED光立方按要求進(jìn)行點(diǎn)亮.加入光敏太陽(yáng)能電池板及蓄電池，通過(guò)光敏元件控制燈的亮滅，對(duì)人體散發(fā)微量紅外線的監(jiān)控達(dá)到人至燈亮、人走燈暗的效果，節(jié)約了電能，避免了能源的浪費(fèi)，該設(shè)計(jì)為室內(nèi)照明、室外廣告牌等方面的應(yīng)用提供參考.

LED光立方；HTC單片機(jī)；太陽(yáng)能；光敏電阻①

0　引言

太陽(yáng)能是一種新型的環(huán)保能源，“光立方”是在LED平面的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的太陽(yáng)能新的顯示技術(shù)[1-3]，將單片機(jī)與光立方太陽(yáng)能技術(shù)結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)制作自動(dòng)控制的智能系統(tǒng)、節(jié)能系統(tǒng)是大家追求的目標(biāo)[4,5].本論文就基于單片機(jī)技術(shù)、太陽(yáng)能技術(shù)設(shè)計(jì)了一款光立方LED結(jié)構(gòu)用于控制燈的亮滅，起到節(jié)能環(huán)保的效果.

1　設(shè)計(jì)

1.1光立方LED電路連接

采用霧狀紅藍(lán)雙色超高亮長(zhǎng)腳LED.這種LED有三個(gè)引腳，分別控制LED燈亮紅燈、藍(lán)燈以及它的負(fù)極.第一步，找到每個(gè)LED燈的負(fù)極以及控制紅燈和藍(lán)燈的正極分別對(duì)應(yīng)哪一個(gè)引腳.第二步，對(duì)實(shí)驗(yàn)用的LED燈進(jìn)行檢測(cè)，確保每個(gè)LED燈都能夠點(diǎn)亮，LED燈之間的連接.

1.2單片機(jī)與光立方底層LED的連接電路

焊接好了最底層的四列LED燈之后，依據(jù)相同的共陰極焊接方法再焊接每列四個(gè)的LED燈組12組，這些LED燈組就是組成LED光立方的二級(jí)單元.焊接完成之后，運(yùn)用電源對(duì)每組LED燈組的焊接效果進(jìn)行檢測(cè)，避免出現(xiàn)虛焊.觀察對(duì)應(yīng)的LED燈是否被點(diǎn)亮，如果沒(méi)有點(diǎn)亮，則說(shuō)明此LED的負(fù)極引腳與前方LED的負(fù)極引腳在焊接過(guò)程中出現(xiàn)虛焊，需要重新進(jìn)行焊接.在所有的LED燈組都檢測(cè)無(wú)虛焊后，則進(jìn)行四層LED燈之間的焊接.先找到每一列燈組控制紅燈點(diǎn)亮和藍(lán)燈點(diǎn)亮的引腳，然后根據(jù)控制相同顏色的燈的引腳連接在一起的原則進(jìn)行焊接.由于垂直焊接的難度很大，不易焊接，所以制作過(guò)程中使用一塊萬(wàn)用板及一些排針輔助固定.具體方法是先在萬(wàn)用板上根據(jù)需要在一段距離的排孔上安裝排針，注意每個(gè)排針之間的距離要一致.之后，將兩組LED燈組橫向插到兩支排針中，然后將兩列LED燈組按照相同引腳連接的原則焊接起來(lái).

圖1　單個(gè)LED燈的處理方法

圖2　萬(wàn)用板及排針輔助焊接光立方支架

以上步驟完成后可以在兩層的基礎(chǔ)上焊接第三層和第四層，這樣焊接下來(lái)正好是16個(gè)LED ，也就是一面.

在四列四層的LED燈平面焊接完成后，就可以著手組裝LED光立方了.首先，由于LED燈的亮暗由三個(gè)引腳控制，所以64個(gè)燈可以分為兩組進(jìn)行控制，也就是說(shuō)每一層每一列的四個(gè)LED燈中，有兩個(gè)可以由同一正極信號(hào)進(jìn)行控制，然后再通過(guò)負(fù)極輸出信號(hào)的不同來(lái)進(jìn)行區(qū)分控制.根據(jù)這個(gè)思路，可以將光立方分為左右兩側(cè)，每一側(cè)由兩列四層LED燈組組成.這樣，一側(cè)LED燈組每層的8個(gè)LED燈的正極信號(hào)正好可以由單片機(jī)的8個(gè)引腳的輸出信號(hào)來(lái)控制，另一側(cè)與這一側(cè)控制成對(duì)稱關(guān)系.其次，是兩列LED燈組的負(fù)極的控制連接.由于每一側(cè)的兩列燈組是由不同的引腳控制的，所以每一層中的LED燈能夠由同一負(fù)極信號(hào)控制(在焊接每一層的LED燈時(shí)已經(jīng)將它們的負(fù)極焊接在一起了).

1.3各層LED與單片機(jī)的連接電路

光立方的主體支架焊接完成之后，最后一步就是將光立方支架與PCB板焊接起來(lái).這里首先說(shuō)明一下PCB板上的各零件的焊接以及布線情況.焊接在PCB板上的零件包括：40P芯片底座(安放單片機(jī))、11.0592M晶振(單片機(jī)計(jì)時(shí))、4個(gè)5MM七彩LED、4個(gè)1K電阻(為七彩LED燈分壓)、DC005座(DC005線插口，用于聯(lián)通電源)、2個(gè)22P瓷片電容、25V470UF電解電容.

接下來(lái)是PCB板的布線情況：

整個(gè)PCB板電路連接的如上圖3，板子上每個(gè)排母左側(cè)寫(xiě)B(tài)+的焊接的是雙色LED的藍(lán)色正極，R+焊接的是雙色LED的紅色正極，然后根據(jù)PCB板上的標(biāo)注將光立方支架最底層的LED燈的引腳插入相應(yīng)孔中并焊接完成.第二步是設(shè)置層控制.根據(jù)單片機(jī)的端口設(shè)置，本設(shè)計(jì)將P2.0-P2.7設(shè)為層控制線，因?yàn)閮蓚?cè)的LED燈組的控制是由同一正極的信號(hào)控制的，所以其負(fù)極必須有不同的負(fù)極信號(hào)進(jìn)行控制.左側(cè)最頂層(也就是第4層)的共陰極層控制線為P2.0，左側(cè)第2層的共陰極層控制線為P2.1，左側(cè)第3層的共陰極層控制線為P2.2，左側(cè)第4層(也就是最底層)的共陰極層控制線為P2.3，右側(cè)最頂層(也就是第4層)的共陰極層控制線為P2.4， 右側(cè)第3層的共陰極層控制線為P2.5，右側(cè)第2層的共陰極層控制線為P2.6，右側(cè)第1層(也就是最底層)的共陰極層控制線為P2.7.設(shè)置完成之后，就可以根據(jù)設(shè)置用電線將相應(yīng)的控制端口與LED燈層的負(fù)極連接起來(lái)了.最后，在單片機(jī)底座上插上STC12C5A60S2單片機(jī)，則光立方的硬件部分至此全部組裝完成.

圖3　PCB板布線圖　　　　　　圖4　焊接完成的光立方實(shí)物圖

根據(jù)PCB板及LED燈的整個(gè)連接情況，繪制電路圖如下：

1.4光控模塊的電路設(shè)計(jì)

本模塊設(shè)計(jì)主要采用光敏電阻串聯(lián)一個(gè)滑動(dòng)變阻器進(jìn)行分壓.該模塊的基本原理：白天，光照較強(qiáng)；光敏電阻阻值較小,與電阻比較分壓較小，單片機(jī)P1.0口電壓采樣.通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部自帶的AD轉(zhuǎn)換功能，進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，比較每次采樣的數(shù)值不同來(lái)判斷燈的開(kāi)與關(guān).

1.5控制模塊電路設(shè)計(jì)

該模塊主要使用熱釋電紅外處理芯片LP0001輸出信號(hào)控制；該模塊的工作原理：當(dāng)同時(shí)滿足有人體紅外信號(hào)與滿足光信號(hào)時(shí)，即單片機(jī)的P2.4口檢測(cè)到低電平，同時(shí)P1.0口采樣得到的數(shù)值同時(shí)滿足通過(guò)程序是單片的另一端口P2.0輸出低電平作為驅(qū)動(dòng)，控制繼電器的通斷來(lái)控制燈的開(kāi)關(guān).當(dāng)紅外人體檢測(cè)模塊、光控模塊同時(shí)滿足所設(shè)置條件時(shí)繼電器工作控制外圍燈亮，之后如不滿足發(fā)光條件，繼電器斷開(kāi)，燈不亮.如滿足條件繼電器控制燈繼續(xù)點(diǎn)亮.

2　系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

2.1LED光立方點(diǎn)亮控制部分的程序設(shè)計(jì)

對(duì)于光立方的整體程序設(shè)計(jì)思路，首先是對(duì)單片機(jī)的各個(gè)引腳進(jìn)行定義，本設(shè)計(jì)在硬件設(shè)計(jì)階段已經(jīng)對(duì)單片機(jī)的引腳信號(hào)與每個(gè)LED燈的亮滅建立了線性的聯(lián)系，具體的設(shè)置如表1：首先單片機(jī)的P0端口控制光立方LED的藍(lán)光部分的亮滅，對(duì)于P0口的8個(gè)引腳(P0.0—P0.7)控制兩個(gè)相對(duì)稱的LED燈.

圖5　整體電路圖

圖6　LED光立方程序設(shè)計(jì)流程圖

P0.0控制J1、J5P0.1控制J17、J8P0.2控制J9、J18P0.3控制J10、J19P0.4控制J3、J4P0.5控制J11、J14P0.6控制J12、J15P0.7控制J13、J16

同理，設(shè)置P3口控制LED燈的紅光部分的亮滅，P3口的8個(gè)引腳(P3.0—P3.7)控制如表2控制線，單片機(jī)的輸出信號(hào)稱為層控制信號(hào).層控制信號(hào)由P2端口(P2.0-P2.7)輸出，其具體的端口控制如下表3(具體的LED燈位置參見(jiàn)上圖)

表2　P3端口控制接口表

：

表3　P2端口控制接口表

單片機(jī)CPU要實(shí)現(xiàn)與外部設(shè)備進(jìn)行交流時(shí)，要在程序中使用中斷方式、查詢方式或無(wú)條件方式，本設(shè)計(jì)采用的是中斷方式.如何控制LED燈的亮與滅，設(shè)計(jì)對(duì)LED光立方的所有LED燈采用共陰極接法(下方四個(gè)七彩LED采用共陽(yáng)極接法)，所以當(dāng)需要讓LED燈亮哪種顏色的燈時(shí)，就將控制那個(gè)燈亮這種顏色的引腳置0，另一個(gè)則置1，負(fù)極也置1，就能發(fā)出需要的顏色的光了.所以，只要在程序運(yùn)用數(shù)組對(duì)每一個(gè)端口的輸出電位進(jìn)行設(shè)置，并在每一次執(zhí)行數(shù)組程序之后加上一定的延時(shí)程序即可.第四則是如何能夠控制LED燈光立方依據(jù)自身的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)來(lái)變化出更多的效果，本設(shè)計(jì)采用了對(duì)多個(gè)程序進(jìn)行合并，并在主程序和開(kāi)頭對(duì)每個(gè)程序所用到的符號(hào)進(jìn)行定義，使程序能夠按照順序依次執(zhí)行.最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)光立方的多種變換.

2.2供電控制系統(tǒng)工作效果

電路初始狀態(tài)如圖8，開(kāi)關(guān)位于電路左上方，位于電路中間位置的為電路的核心—熱釋電紅外處理芯片LP0001，用于對(duì)光敏電阻及人體感應(yīng)模塊的狀態(tài)進(jìn)行采樣、分析，滿足所有條件之后輸出一個(gè)低電平，繼電器開(kāi)關(guān)閉合，給光立方供電.

電源接通，用遮擋物遮住光敏電阻模擬晚上，同時(shí)人體感應(yīng)模塊接收到人體感應(yīng)信號(hào)，作為光源的發(fā)光二極管發(fā)出強(qiáng)光，如圖8所示

圖7　電路初始狀態(tài)

圖8　夜晚感應(yīng)到人體信號(hào)時(shí)，電路工作狀態(tài)

4　結(jié)論

LED光立方顯示各種點(diǎn)亮效果、能夠?qū)崿F(xiàn)太陽(yáng)能電池板對(duì)光立方的供電.文中依據(jù)以上功能，設(shè)計(jì)了硬件與整體電路，并根據(jù)硬件與整體電路設(shè)計(jì)了相應(yīng)的程序部分. 利用 STC12C5A60S2單片機(jī)的引腳輸出信號(hào)完成了對(duì)LED光立方的控制，根據(jù)程序?qū)崿F(xiàn)LED燈的各種點(diǎn)亮模式.運(yùn)用太陽(yáng)能電池板給光立方供電，并運(yùn)用太陽(yáng)能電池板自帶的光敏元件實(shí)現(xiàn)光立方的亮度控制.

[1]樓然苗.51 系列單片機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)例[M].北京:北京航空航天出版社,2003,3:56-59.

[2]唐俊翟.單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2003,9:79-98.

[3]劉瑞新.單片機(jī)原理及應(yīng)用教程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003,7:23-55.

[4]吳國(guó)經(jīng).單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)[M].北京:中國(guó)電力出版社,2004,1:67-77.

[5]李全利,遲榮強(qiáng).單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M].北京:高等教育出版社,2004,1:45-59.

[責(zé)任編輯：閆昕]

The Design and Manufacture of Solar Light Cube

CHENG Qing-peng，SHEN Yi-Heng

(School of Opto-Electronc Engineering, Zaozhuang University, Zaozhuang 277160,China)

As the first step of the design, a LED light cube structure will be made. Two-colored mist shape LED will be used as fundamental unit of the light cube. Then , an STC12C5A60S2 microcontroller will be added to it. By using it to control the LED, it is possible to light the whole light cube as demanded. Besides, a light - dependent solar cell panel and battery will be used, and through the photosensitive element machine control the lamp bright lights, by distributed on the human body infrared trace monitoring can achieve the effect to lights, lights go dark, can achieve energy saving purposes, to avoid the waste of energy.These make it has an prospect that It can be widely used in indoors lighting and outdoor advertisement board.

LEDlight cube；STC12C5A60S2microcontroller ；solar energy；photosensitive resistance

2016-08-10

棗莊學(xué)院“光電科學(xué)與技術(shù)”創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)(項(xiàng)目編號(hào)：4350308)；棗莊學(xué)院教改重點(diǎn)項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：1021402)；棗莊學(xué)院2016年大學(xué)生SRT項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：2016003).

陳慶朋(1961-)，男，山東棗莊人，棗莊學(xué)院光電工程學(xué)院教授，博士，主要從事光電科學(xué)與技術(shù)方面的研究.

O657.32

A

1004-7077(2016)05-0084-06