毛莉君 張燕

[摘 要]單片機(jī)因其功能強(qiáng)大、性價(jià)比高、體積小、質(zhì)量小、抗干擾能力強(qiáng)、對環(huán)境要求低、價(jià)格低廉、靈活性強(qiáng)，被廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。本文基于單片機(jī)整體知識構(gòu)架，將單片機(jī)硬件按照三大模塊，并且運(yùn)用不同的技術(shù)，滿足全彩光立方體設(shè)計(jì)的技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)立體設(shè)計(jì)效果。

[關(guān)鍵詞]STC89C52單片機(jī)；74HC573鎖存器；LED顯示

[中圖分類號]TP368.1 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

1 緒論

隨著時(shí)代的發(fā)展，“光立方”受到社會各界關(guān)注，并且成為全球高度認(rèn)可的技術(shù)?！肮饬⒎健睂?shí)際上是一種顯示技術(shù)，設(shè)計(jì)程序比較復(fù)雜，通過三維空間顯示具有立體感的圖形、動(dòng)畫等。光立方體由LED燈組成，由于發(fā)光二極管質(zhì)量高、使用壽命長，不用頻繁更換，能減少成本，而且更節(jié)能。光立方屬于一種特殊的顯示資源，應(yīng)用廣泛，不僅能用于廣告行業(yè)、會議室，還能用于家庭、娛樂廳、大型演唱會以及城市地標(biāo)廣場等場地的布置和裝飾，未來的應(yīng)用將更加廣泛，并且具有廣闊的應(yīng)用前景。

光立方體的設(shè)計(jì)與制作獨(dú)特，別具一格，由傳統(tǒng)的平面轉(zhuǎn)向立體發(fā)展，通過三維空間顯示出來的效果更加絢麗，能夠?qū)θ藗兊膶徝酪曈X形成很大的沖擊，不再只是停留在乏味的平面成像方面。當(dāng)前光立方的主體主要是由64個(gè)LED等組成，成本低、智能化，其研究極具創(chuàng)意和啟發(fā)，而且可以低成本、高效益地研究未來的3D技術(shù)。我國LED顯示屏產(chǎn)業(yè)的技術(shù)相對來說比較先進(jìn)，主要產(chǎn)品和核心技術(shù)與國際水平基本能夠保持一致，工藝采用貼片技術(shù)，隨著科技不斷進(jìn)步不斷地提高工藝水平，使其能夠完全達(dá)到國際水平，甚至超過國際水平。

2 工作原理

本方案的設(shè)計(jì)原理：有4個(gè)4×4點(diǎn)陣，再用4個(gè)引腳來當(dāng)充當(dāng)各個(gè)4×4點(diǎn)陣的“開關(guān)”。本設(shè)計(jì)采用的方法是HC573暫存法，也就是通過HC573暫存法來將64個(gè)燈的亮與滅的信息進(jìn)行保存且一起輸出，這64個(gè)輸出能夠引腳控制64個(gè)燈，并且每層燈的陰極將被一起鏈接到單片機(jī)上，每一個(gè)單片機(jī)控制每一層的燈。也就是每一個(gè)單片機(jī)控制著芯片STC89C52，實(shí)現(xiàn)64個(gè)燈的亮與滅，比如單片機(jī)設(shè)計(jì)為制P0、P1、P2、P3，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)燈X、Y、Z空間立體的顯示情況。

LED光立方體由主控模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、顯示模塊三個(gè)模塊組成。（擴(kuò)展內(nèi)容）利用單片控制LED點(diǎn)陣顯示的原理和控制技術(shù)，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(nèi)容。根據(jù)人眼的視覺暫留效應(yīng)，設(shè)置每幅畫面的延遲時(shí)間使連續(xù)的一系列畫面呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)。

3 方案設(shè)計(jì)

3.1 光立方體的核心電路

控制部分是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分。因?yàn)閱纹瑱C(jī)具有豐富的指令的類型，接口性能很強(qiáng)，運(yùn)行速度很快，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制，如通信設(shè)備、家電電器、智能儀表等。同時(shí)，單片機(jī)具有低能耗低電壓的特點(diǎn)。

而應(yīng)用最廣泛的單片機(jī)便是STC的STC89C52系列，能適用于大數(shù)量的LED燈的電路，所以在設(shè)計(jì)中選擇增強(qiáng)型的STC89C52作為核心控制器。

3.2 I/O口擴(kuò)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(xiàn)鎖存的使用功能降低，因此，基于這樣的情勢，可能導(dǎo)致難以出現(xiàn)數(shù)據(jù)建立時(shí)間和保持時(shí)間一致，從而出現(xiàn)鎖存的情況。而如果使用74HC573，可以實(shí)現(xiàn)4塊74HC573能夠共用16個(gè)I/O口，可能出現(xiàn)很多的數(shù)據(jù)會被并行寫入芯片之中，進(jìn)而出現(xiàn)延遲時(shí)間減少，從而更好地符合設(shè)計(jì)的需求。因此，本文認(rèn)為，選取74HC573作為列線驅(qū)動(dòng)I＼O口擴(kuò)展芯片更合適。

3.3 層控制驅(qū)動(dòng)器

光立方是由64個(gè)LED組成，所以需要把電流放大才能驅(qū)動(dòng)整個(gè)立方體。

方案一：用ULN2803作為光立方層驅(qū)動(dòng)電路，因?yàn)閁LN2803具有保護(hù)二極管共陰極的作用，可以更好地保護(hù)光立方體工作。方案二：5V的固體繼電器對于焊接時(shí)溫度要求高，且導(dǎo)通后管壓降較大?；谝陨戏治觯x擇ULN2803作為層面控制機(jī)器。

3.4 LED發(fā)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(qiáng)LED 燈的選擇，本文認(rèn)為所比較合適的LED等主要是霧狀藍(lán)光的，主要再遠(yuǎn)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(fā)藍(lán)霧狀長腳方塊形散光磨砂用光立方LED發(fā)光管，白色的藍(lán)霧給人若隱若現(xiàn)的感覺，長腳便于焊接。實(shí)現(xiàn)效果非常好。

4 硬件整體設(shè)計(jì)的簡要分析及功能概述

4.1 整體設(shè)計(jì)概述

3D LED具有不同的設(shè)計(jì)思路，具體來說，設(shè)計(jì)思路如圖1所示。3DLED的電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，大體上包括主要的三個(gè)組成部分，第一部分是核心控制電路，第二部分是顯示驅(qū)動(dòng)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(gè)CPU和一些外圍電路。整個(gè)電路設(shè)計(jì)，將核心控制電路部分設(shè)計(jì)成一個(gè)上位機(jī)，負(fù)責(zé)控制整個(gè)電路運(yùn)行，與PC機(jī)的串行通訊，以及通過顯示屏部分發(fā)送一些命令。本次設(shè)計(jì)將以此方案為指導(dǎo)思想展開具體的硬件電路設(shè)計(jì)。

4.2 單片機(jī)簡介

單片機(jī)，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(jī)，主要包括幾個(gè)部分：CPU，即中央處理器；RAM，即數(shù)據(jù)存儲器；ROM，即程序存儲器；定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；多種I/O接口電路。

單片機(jī)最小系統(tǒng)包括時(shí)鐘電路，以及復(fù)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(jī)進(jìn)行控制。

4.2.1 時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)。時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)采用的是不同設(shè)計(jì)思路，時(shí)鐘電路所用的頻率也不一樣，主要使用12MHZ，時(shí)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(diào)頻有著微小的作用。

4.2.2 復(fù)位電路的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)采用的復(fù)位電路方式主要是手動(dòng)按鍵電平復(fù)位方式，實(shí)現(xiàn)電路之間的連接，具體設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(fā)一樣，也是一項(xiàng)技術(shù)性很強(qiáng)的工作，有著很多的技巧。測試是硬件電路質(zhì)量保證的主要活動(dòng)之一，因此，測試的質(zhì)量直接影響作品的質(zhì)量。

5.1 單片機(jī)與74HC573連接線路圖

這個(gè)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(jī)，實(shí)現(xiàn)STC89C52以及芯片74HC573之間的連接圖連接，從而使其能夠轉(zhuǎn)變成PCB圖，進(jìn)而能夠?qū)D實(shí)現(xiàn)在PCB板上面，按照圖紙將各個(gè)元器件進(jìn)行焊接，不過在實(shí)際操作中PCB板的制作比較復(fù)雜，故使用洞洞板制作。

5.2 LED燈焊接連接

將4個(gè)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(gè)一組的LED燈排待用。焊接時(shí)有一些注意事項(xiàng)，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(jìn)而影響LED燈的外觀設(shè)計(jì)。焊機(jī)避免正負(fù)2極短路。

5.3 整體的具體實(shí)物

整個(gè)光立方的鏈接主要是用排線和杜邦線連接而成，有助于實(shí)現(xiàn)方便拆和安裝，但是實(shí)際操作過程中設(shè)計(jì)的程序比較繁瑣，也容易出現(xiàn)一些錯(cuò)誤，甚至有些時(shí)候會出現(xiàn)接觸不良的狀況，具體的整體實(shí)物圖。

6 結(jié)論

總而言之，基于單片機(jī)可以實(shí)現(xiàn)全彩立方體，但是設(shè)計(jì)過程中要注意各系統(tǒng)的有機(jī)組合，避免一些不利的事項(xiàng)，進(jìn)而更加有效地實(shí)現(xiàn)LED燈的效果。本次光立方的設(shè)計(jì)主要基于單片機(jī)原理，達(dá)到了更好的設(shè)計(jì)效果。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 張毅剛.新編MCS-51單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2003.

[2] 朱兆優(yōu).單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[3] 歐陽斌林.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京：中國水利水電出版社，2016.

[4] 文哲雄.用單片機(jī)控制的LED顯示屏[J].佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1995（S1）.

[5] 付曉光.單片機(jī)原理與實(shí)用技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2015.

[6] 關(guān)積珍.LED顯示屏發(fā)展?fàn)顩r及趨勢[J].世界產(chǎn)品與技術(shù)，2000（02）.