3D立方燈設(shè)計

蘇智華

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2016.24.023

摘 要：隨著現(xiàn)代生活水平的提高，節(jié)日裝飾彩燈已經(jīng)應(yīng)用的人們生活的方方面面。該設(shè)計基于STC12C5A60S2單片機，采用 8×8×8結(jié)構(gòu)的512個LED彩燈構(gòu)成的立方燈，驅(qū)動電路采用ULN2803和74HC595模塊。系統(tǒng)可顯示平面動態(tài)圖案，以及三維立體的動態(tài)圖案。并可添加不同的方案和花樣，根據(jù)輸入的音頻信號調(diào)整圖案顯示節(jié)奏。

關(guān)鍵詞：立方燈 單片機 三維 動態(tài)圖案

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

科技發(fā)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?xí)r代再變換到LED顯示屏，LED現(xiàn)在已經(jīng)應(yīng)用到生活的方方面面。電子產(chǎn)品所擁有的高分辨率已經(jīng)帶來了強悍的視覺沖擊，所以人們想出了從平面向立體發(fā)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(chǔ)搭建出來的一種新型顯像技術(shù)，改變了傳統(tǒng)平面顯示風(fēng)格，通過程序設(shè)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(tǒng)設(shè)計方案

該設(shè)計基于STC12C5A60S2單片機，控制8×8×8結(jié)構(gòu)的512個LED彩燈構(gòu)成的立方燈進行平面動態(tài)圖案以及三維動態(tài)圖案顯示。系統(tǒng)由各模塊如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

對于顯示模塊，有傳統(tǒng)和霧狀LED兩種，進行簡單對比發(fā)現(xiàn)，通常的LED光發(fā)散較為嚴重，兩個相鄰的LED燈亮了之后容易產(chǎn)生較大的互相影響，容易影響效果。白發(fā)霧狀藍燈作為立方燈的發(fā)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(chǎn)生影響。因此，設(shè)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(tǒng)51單片機管腳相兼容，芯片本身擁有第六代加密技術(shù)，擁有超強抗干擾能力，內(nèi)部集成度高，含有可靠的復(fù)位電路，相比8051快8～12倍。并且芯片內(nèi)部含有A/D轉(zhuǎn)換，所以不需要額外在外部添加A/D轉(zhuǎn)換電路，就可以實現(xiàn)頻譜轉(zhuǎn)換。主控電路如圖2所示。

立方燈的驅(qū)動模塊主要是采用ULN2803和74HC595相互結(jié)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(yīng)的管腳為18-11，為輸出管腳。10管腳為8路輸出，并且也是續(xù)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(yīng)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(tài)是因為輸入為0，負載上面沒有電流。這個芯片輸出狀態(tài)為飽和時是因為輸入為高電平，負載當(dāng)中的電流就會出現(xiàn)在輸入口中。需要驅(qū)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(gòu)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(jīng)74HC595鎖寸。部分列控制電路如圖4所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)主程序如圖5所示。系統(tǒng)能通過按鍵來切換所要顯示的圖案，并在8×8×8結(jié)構(gòu)立方燈上進行顯示。

立方燈顯示程序采用的是數(shù)據(jù)掃描的方式進行數(shù)據(jù)段采集，首先采集光立方當(dāng)中的某一列，然后按照數(shù)據(jù)表對應(yīng)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(zhǔn)確需要通過單片機的片選功能。顯示動態(tài)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(yīng)位置燈亮滅即可。

4 結(jié)語

該次設(shè)計的主控芯片為STC12C5A60S2，還有其他外圍相關(guān)電路構(gòu)成了該系統(tǒng)，通過ULN2803和74HC595來構(gòu)成驅(qū)動電路模塊，為LED立方燈提供行列驅(qū)動，應(yīng)用普通晶體時鐘源構(gòu)成時鐘信號電路。設(shè)計電路簡單，采用的材質(zhì)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(jù)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(nèi)含A/D轉(zhuǎn)換模塊，頻譜處理速度也快，可以直接輸入頻譜使LED產(chǎn)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

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