基于單片機(jī)的光立方設(shè)計(jì)

汪倩穎 朱斌文 何娟娟 孫文學(xué) 董莉霞

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，甘肅蘭州730070）

0 引言

室外廣告一直是商家對(duì)外宣傳的重要途徑，而隨著社會(huì)不斷進(jìn)步，越來(lái)越多的城市發(fā)展成為不夜城。在夜幕下，傳統(tǒng)的橫幅、掛畫以及墻壁廣告的形式，已經(jīng)不能滿足高可見性的要求，在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中已經(jīng)滿足不了人們的需求。以燈光為信息載體的新型宣傳方式也就應(yīng)運(yùn)而生，并得到快速發(fā)展，與傳統(tǒng)的宣傳形式達(dá)成了互補(bǔ)的形式。光立方相對(duì)于傳統(tǒng)的平面宣傳設(shè)備，具有了傳統(tǒng)設(shè)備沒有的3D表現(xiàn)效果，在具備更加強(qiáng)烈的表現(xiàn)性的同時(shí)，還給用戶提供了操作簡(jiǎn)單的APP控制系統(tǒng)，讓用戶隨時(shí)可以方便地修改光立方的展示內(nèi)容，充分展現(xiàn)了高效、低耗、易用的特點(diǎn)，是室外宣傳極佳的選擇之一。

1 總體設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目中，采用STC12C5A60S2單片機(jī)、LED燈為硬件基礎(chǔ)，C語(yǔ)言為編程基礎(chǔ)，并結(jié)合移動(dòng)設(shè)備，共同構(gòu)建了一個(gè)集安全、高效、節(jié)能和強(qiáng)表現(xiàn)性于一體的夜間燈光展示產(chǎn)品——光立方。

在光立方中，以單片機(jī)為基礎(chǔ)，控制了多個(gè)LED燈組，以矩陣的表現(xiàn)形式，通過(guò)程序的控制，實(shí)現(xiàn)3D表現(xiàn)形式，并且在其中嵌入了WiFi模塊，用以提供外部控制的訪問(wèn)接口。

單片機(jī)憑借其可靠性高、處理功能和速度突出、功耗低、控制功能和環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、可實(shí)現(xiàn)模塊化等優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)在智能儀器、工業(yè)控制、家用電器、醫(yī)用設(shè)備、航空航天、網(wǎng)絡(luò)通信、汽車電子等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1]。STC12C5A60S2單片機(jī)是新一代8051單片機(jī)，指令系統(tǒng)完全兼容8051，但速度比其快8～12倍，并且具有低功耗、高速、超強(qiáng)抗干擾等特點(diǎn)，非常適合在室外工作。

LED燈具有體積小、電壓低、壽命長(zhǎng)、亮度高、環(huán)保等特點(diǎn)[2]，是室外光源的極佳選擇之一。C語(yǔ)言是一門可以直接控制底層的高級(jí)編程語(yǔ)言，在復(fù)雜性遠(yuǎn)低于匯編的同時(shí)，又提供了其他高級(jí)語(yǔ)言不具備的強(qiáng)大底層處理能力，并且具有相當(dāng)高的效率。

外部控制選擇了以APP為媒介的控制系統(tǒng)，以現(xiàn)在市面上非常普及的Android系統(tǒng)為基礎(chǔ)，開發(fā)了一款以WiFi為通信基礎(chǔ)的無(wú)線控制系統(tǒng)，擺脫了傳統(tǒng)同類產(chǎn)品控制復(fù)雜、操作不便的困擾。

2 控制程序及APP設(shè)計(jì)

2.1 控制程序設(shè)計(jì)

光立方控制程序的編程語(yǔ)言采用了C語(yǔ)言，將燈組信息通過(guò)單片機(jī)芯片存儲(chǔ)在程序中，再用C語(yǔ)言來(lái)調(diào)用相應(yīng)位置LED燈的明滅、顏色，即可構(gòu)成完整的動(dòng)態(tài)光效；而光立方另外還具有音頻出口，亦可以通過(guò)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)音效切換和播放的功能，從而極大地豐富了光立方的展示效果。光立方的控制程序需要完成的功能有：開機(jī)檢查、Logo展示、模式切換（字母模式/動(dòng)畫模式）、顯示效果切換、WiFi控制。

開機(jī)檢查主要作用是檢查硬件是否存在故障，這是必須有的一個(gè)步驟，通過(guò)三個(gè)方向（從前往后、從后往前、從上往下）的順序掃描能夠排除絕大多數(shù)問(wèn)題，用戶可以通過(guò)檢查結(jié)果來(lái)判斷光立方是否為正常運(yùn)行狀態(tài)，這就確保了光立方的可維護(hù)性[3]。

Logo展示是作為制作方展示自己的商標(biāo)、廣告語(yǔ)的一個(gè)途徑。光立方的展示過(guò)程中，考慮了兩種展示形式，一種是快捷簡(jiǎn)單的字母模式，用戶只需鍵入相應(yīng)的字母即可展示；而對(duì)于更加絢麗的效果，也提供了稍微復(fù)雜一些的動(dòng)畫模式，由用戶自己來(lái)編輯想要的效果，達(dá)到自行DIY的目的。

在用戶管理的方式中，很多傳統(tǒng)產(chǎn)品采用了插卡的形式，而此種形式操作復(fù)雜，不具有易用性。因此在光立方中沒有采取此種方式，而是嵌入了WiFi模塊，通過(guò)編寫WiFi控制功能，用戶可以很方便地使用移動(dòng)控制端來(lái)控制光立方。

2.2 手機(jī)APP設(shè)計(jì)

手機(jī)APP是用戶控制光立方的最佳手段，所以APP的開發(fā)著重易用性，需要讓用戶更加容易理解，該APP應(yīng)該具有簡(jiǎn)明菜單、模式切換、效果設(shè)置等等界面。在APP打開之后，即進(jìn)入簡(jiǎn)明菜單頁(yè)面，用戶在該頁(yè)面可以選擇詳細(xì)的操作選項(xiàng)。APP主界面如圖1所示。

效果設(shè)置界面是另一個(gè)非常重要的界面，該界面將燈組信息轉(zhuǎn)換為可視化的用戶編輯界面，用以保存用戶的設(shè)置。而安卓客戶端在現(xiàn)如今已經(jīng)非常普遍，這也為客戶端控制提供了非常便利的硬件基礎(chǔ)。

圖1 APP主界面

3 光立方硬件設(shè)計(jì)

光立方的硬件系統(tǒng)由單片機(jī)芯片和LED共同構(gòu)成。在硬件設(shè)計(jì)過(guò)程中，先通過(guò)Altium Designer畫出了光立方所需要的原理圖，如圖2所示。

圖2 光立方原理圖（正面）

在Keil中生成hex文件之后，進(jìn)行電路仿真，驗(yàn)證電路的正確性。在仿真無(wú)誤的情況下，將程序燒錄進(jìn)單片機(jī)的芯片中，使得之前編寫的程序與硬件建立相應(yīng)的聯(lián)系，達(dá)到通過(guò)程序控制光立方的目的。最后進(jìn)行底板的焊接，因?yàn)樘幱谠囼?yàn)階段，故選用的設(shè)備都是小型的設(shè)備，非常脆弱，需要十分小心地操作，以免損壞電路板或芯片。最終，經(jīng)過(guò)隊(duì)員的努力，完成了底板的焊接。

在底板焊接完成之后，也就進(jìn)入了最后一步，也是最繁復(fù)的一個(gè)步驟：焊接LED燈組，燈組選擇了8×8×8共512只LED燈，燈與燈之間的布置必須小心謹(jǐn)慎，一只LED電路不通，可能會(huì)影響一條線路甚至是整個(gè)光立方的展示效果。在小心翼翼地焊接完之后，光立方成品就算是制作完成了。光立方效果圖如圖3所示。

在商業(yè)化以及后續(xù)發(fā)展過(guò)程中，光立方大概的發(fā)展方向有：大型化、精細(xì)化、智能化以及混合化。大型化針對(duì)的是高層建筑的遠(yuǎn)距離傳播，此時(shí)不僅是產(chǎn)品規(guī)格的改變，還有芯片數(shù)量、LED亮度的增加。精細(xì)化即針對(duì)底層建筑、室內(nèi)以及高端需求做針腳細(xì)密化，LED材料做高端化改良。智能化是現(xiàn)在電子設(shè)備發(fā)展的趨勢(shì)，如直接導(dǎo)入動(dòng)畫、圖片等功能的實(shí)現(xiàn)。以上三種需求的混合能夠適用于大多數(shù)的場(chǎng)景，這也是光立方走向市場(chǎng)之后可流水線生產(chǎn)的主流產(chǎn)品方向。

圖3 光立方效果圖（未安裝外殼）

4 結(jié)語(yǔ)

團(tuán)隊(duì)不負(fù)所望完成了預(yù)期的目標(biāo)，而在完成了目標(biāo)的同時(shí)，隊(duì)員們也在反思項(xiàng)目的諸多不足之處。單片機(jī)技術(shù)日新月異，不求進(jìn)取，終將被淘汰，所以產(chǎn)品想緊跟時(shí)代的步伐，還必須在技術(shù)上不斷提高。光立方的形式偏向中規(guī)中矩，在硬件、軟件方面都有非常大的局限性，如尚未考慮球體結(jié)構(gòu)的光立方設(shè)計(jì)等等。而更加復(fù)雜、精巧的光立方設(shè)計(jì)，考驗(yàn)的不僅僅是硬件知識(shí)，還有軟件的設(shè)計(jì)。想讓光立方走向市場(chǎng)，被人們所接受，還需要不斷學(xué)習(xí)、不斷改進(jìn)。