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基于单片机的3D8光立方设计

发表时间：2020/9/22 来源：《中国教师》2020年10月作者：赵龙凤

[导读]

赵龙凤广东省中山市南朗理工学校 528451
中图分类号：G688.2 文献标识码：A 文章编号：ISSN1672-2051 （2020）10-017-01

        一、设计背景
        自从国庆60周年联欢晚会开始演练后，一个全新的名词“光立方”吸引了大家的关注。光立方表演作为国庆联欢晚会最具新意的亮点之一贯穿整个晚会，它凝聚了主创者与表演者的智慧与汗水，融合了北京奥运会开幕式“击缶而歌”和“活字印刷”的风格，而各种图案则与贯穿奥运会开幕式的“画卷”有异曲同工之妙。为喜庆的节日奉上了视觉盛宴。
        二、设计意义与创新
        21世纪新光源，使得它越来越多地用在彩灯装饰和照明领域。未来LED发光二极管的市场规模与应用将无限宽广，并将进入一般家庭，取代各种传统的室内外照明灯具。LED最大的特点在于无须暖灯时间、开关次数对寿命无影响、反应速度快(约在10^-9秒)、安全而且光源控制成本低，使频繁开关成为可能，及运用于动画效果灯上的最佳光源。
        LED具有体积小、发热量低、寿命长、耗电量小、反应速度快等众多优点，却无白炽钨丝灯泡高耗电、发热量大，光效能低，易碎及萤光粉灯废弃物含汞污染环境等缺点，因此十分被灯饰业者看好。
        因此，半导体节能声光控照明灯在各个领域的新系统设计、研究等方面显示出了强有力的推广和应用前景。本设计采用三种不同的灯光，添加了更动感、跟立体的动画效果，让光立方整体更能呈现出炫丽多彩美轮美奂的动画造型和图案。
        三、设计结构说明
        光立方顾名思义是一个立方体，采用的是8*8*8的模式，主要分为主控模块、驱动模块、显示模块三大模块。光立方驱动电路，主控电路LED灯等都是纯手工焊接。采用的主控芯片STC12C5A60S2芯片，驱动电路是采用我们常用的74HC573数字芯片。利用512个LED组成的8*8*8的立方体结构，每层共64个LED采用共阴的接法，一共8层，利用锁存器74HC573与驱动器ULN2803的硬件组合而成，有三个控制按钮，用来切换不同的显示模式。
        四、设计功能说明
        基于STC12C5A60S2单片机控制的的光立方系统，通过单片机输出高低电平控制LED灯的亮灭，并利用延时LED灯的亮灭时间，而让光立方整体呈现出炫丽多彩美轮美奂的动画造型和图案。
        五、系统设计方案的确立
        （1）MCU控制器
        采用单片机STC12C5A60S2为核心，此单片机是STC生产的单时钟/机器周期(IT)的单片机，是高速/高可靠/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，采用第八代加密技术，加密性超强，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。内部集成高精度R/C时钟，±1%温飘，常温下温飘5%。，5MHz—35MHz宽范围可设置，可彻底省掉外部昂贵的晶振和外部复位电路(内部已集成高可靠复位电路，8级可选复位门槛电压)。3路CCP/PWM/PCA(可实现3个定时器或3个D/A转换器);8路高速10位A/D转换器(30万次/秒)，内置2K字节大容量SPAM，两组高速异步串行通信端口(UART1/UART2，可在五组管脚之间进行切换，分时复用可作5组串口使用)，1组高速同步串行通信端口SPI，针对多串行口通信/电机控制/强干扰场合。

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综合考虑采用STC--IAP15f2k60s2为核心，此单片机是在MCS—8051基础上的进一步加强，是一种多综合版块。
        （2）ULN2803达林顿管
        uln2803，TTL输入（0-5v），可以同时驱动8个继电器，内部不仅封装了达林顿管阵列，并且含有钳位二极管，连接继电器时，不需要再连接保护二极管，使用非常方便，因而用途广泛。使用范围：计算机，工业和消费应用。所有设备功能由集电极输出和钳位二极管瞬态抑制。该ULN2803是专为符合标准TTL，而制造ULN2804适合6至15V的高级别CMOS或PMOS上。该电路为反向输出型，即输入低电平电压，输出端才能导通工作。
        （3）74HC573锁存器
        74HC573锁存器的原理说明：M54HC563/74HC563/M54HC573/74HC573的八个锁存器都是透明的D型锁存器，当使能（G）为高时，Q输出。将随数据（D）输入而变。当使能为低时，输出将锁存在已建立的数据电平上。输出控制不影响锁存器的内部工作，即老数据可以保持，甚至当输出被关闭时，新的数据也可以置入。这种电路可以驱动大电容或低阻抗负载，可以直接与系统总线接口并驱动总线，而不需要外接口。特别适用于缓冲寄存器，I/O通道，双向总线驱动器和工作寄存器。
        （4）LED灯发光二极管
        LED灯种类很多，按照发光二极管的管体颜色可分为红色、黄色、绿色、白色、浅蓝色、黑色、透明无色、橙色；按照发光二极管按发光颜色分为：红色光、黄色光、绿色光、红外光等；按照发光二极管按外形分为：圆形、长方形、三角形、正方形、组合形、特殊形等。按照发光二极管有全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等形式。
        本方案设计考虑到成品视觉效果。使用管体为透明无色，三种发光颜色，分别为5mm草帽蓝高亮LED灯和5mm草帽黄高亮LED灯和5mm草帽红高亮LED灯，同一型号LED灯，分配的电流都是一样的，三种不同颜色看起来更加徇丽多彩。
        六、设计模块说明
        1、电源及主控模块
        本系统使用STC12C5A60S2单片机为主控制芯片，通过220V交流转5V直流供电线插到电源线接口提供5V直流电给单片机使用。电源按钮用来控制5V供电，电源指示灯用来作指示是否有电源。
        2、驱动模块
        光立方是驱动电路由ULN2083达林顿管和74HC573锁存器组成。
        3、显示模块
        512个LED组成的8*8*8的立方体结构，每层共64个LED采用共阴的接法，一共8层，利用锁存器74HC573与驱动器ULN2803的硬件组合而成，有三个控制按钮，用来切换不同的显示模式。
        七、设计展望
        在继续研究过程中，并在考虑成本的范围内，我们有几个合理化设想：
        设想一：可以加一个无线模块，用遥控器控制。
        设想二：增加SD卡模块，通过动画软件设计动画，存进SD卡内，让单片机直接读取动画，可以更方便改变动画效果。
        设想三：通过串口通信，实现电脑和单片机的通信，通过动画软件在线修改动画效果。