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標(biāo)題: 基于STC單片機(jī)的光立方設(shè)計(jì)原理源碼和架構(gòu)說明 [打印本頁]

作者: 高子涵999 時(shí)間: 2018-11-26 22:30
標(biāo)題: 基于STC單片機(jī)的光立方設(shè)計(jì)原理源碼和架構(gòu)說明

本文說明書將以看圖說話的方式詳細(xì)介紹光立方的搭建過程,以及闡述光立方的設(shè)計(jì)原理和架構(gòu)方法。這些內(nèi)容如圖一所示大致分為如下三個(gè)部分。

圖一光立方的設(shè)計(jì)思路示意圖

光立方的立方體LED點(diǎn)陣的搭建

圖二 (a)霧狀方形LED燈；(b)層示意圖；(c)立方體點(diǎn)陣實(shí)物圖

如圖二所示，LED點(diǎn)陣由512個(gè)2*5*7mm的霧狀方形藍(lán)色發(fā)光管采用層共陰、豎共陽的方式焊接而成，采用LED霧燈可以很好的收聚光線，使要顯示的燈的光亮不會(huì)影響周圍燈的亮度，暗滅很明顯，利于效果呈現(xiàn)。這里層共陰豎共陽的意思說光立方的每一層的負(fù)極都接在一起，一共8層，最后引出8根跳線與底座電路連接（與8個(gè)100Ω電阻串聯(lián)后接在STC單片機(jī)P0口），陽極則層與層之間對應(yīng)連接在一起，一共有64個(gè)口，分別接在底座電路圖的8個(gè)74HC595的IO口中。這種層共陰、豎共陽的方式焊接，可以使所有LED燈并聯(lián)連接，不相互影響，通過程序控制，可以點(diǎn)亮任意LED。

圖三焊接現(xiàn)場

焊接的方式是將每個(gè)LED燈的正負(fù)極彎折成90度，固定在事先制作好的間距為20mm的陣列模板中，將所有正極用工具將其盤出一個(gè)圓環(huán)，所有LED的負(fù)極則相互搭在一起，然后焊牢，一層則制作完成。正極的圓環(huán)是用來最后在每層都焊好的時(shí)候，將所有層上下連接在一起而準(zhǔn)備的。

如這樣，最后完成了光立方立方體點(diǎn)陣的焊接，如圖二(c)所示。

光立方底座電路原理講解

圖四電路原理圖

底座硬件電路以STC單片機(jī)為控制中心，主要包含復(fù)位電路，時(shí)鐘信號電路，以及595控制電路，如圖四原理圖所示。

圖四所示595電路設(shè)計(jì)，按照前部分立方體點(diǎn)陣搭建思路，可知最少需要用到的單片機(jī)IO口就需要64+8個(gè)，對于40PIN的STC12C5A60S2顯然IO口不足，所以我們使用8個(gè)74HC595芯片來節(jié)約單片機(jī)的IO口資源, 分別用來控制每一層中每一列的LED燈。在圖中，數(shù)據(jù)通過串行的方式，分別傳送到每一個(gè)74HC595芯片中，再內(nèi)部控制器儲存這些數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)一層64個(gè)燈同時(shí)的點(diǎn)亮。

圖四所示時(shí)鐘信號電路設(shè)計(jì)，我們在XTAL1（單片機(jī)內(nèi)部振蕩電路的輸入端口）、XTAL2（單片機(jī)內(nèi)部振蕩電路的輸出端口）上接一個(gè)石英晶體并在兩端接兩個(gè)電容，這樣就可以產(chǎn)生一個(gè)內(nèi)部激蕩電路，這里需要注意的是此實(shí)驗(yàn)用的晶振是12MHZ的，和晶振相連的電容一般選用33PF的陶瓷電容。

圖四對應(yīng)的PCB原理圖如圖五所示，由于光立方線路復(fù)雜，我們在布線過程中17根跳線（PCB圖中紅色和粉色線所示）

圖五底座PCB圖

程序控制光立方原理

本光立方的組成有兩各個(gè)部分一個(gè)是硬件一個(gè)則是軟件，軟件的伸縮性很大，編寫的好的程序?qū)崿F(xiàn)起來簡單不易出錯(cuò)，編的不好的數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)很多問題，本系統(tǒng)采用的是模塊化的設(shè)計(jì)方案，減少軟件出錯(cuò)的概率，在軟件的設(shè)計(jì)過程中需要用到了KEIL4軟件編輯器。

另外，我們寫程序時(shí)的設(shè)計(jì)思路是這樣的：描述一個(gè)固定畫面的顯示，需要硬件執(zhí)行8次掃描的過程。

將第一層64個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳入8個(gè)74hc595中，控制uln2803層控制芯片打開第一層開關(guān)，使第一層點(diǎn)亮，這個(gè)時(shí)候，其他層是滅的。
等待時(shí)間t。
熄滅第一層，開始向74hc595中傳輸?shù)诙䦟拥臄?shù)據(jù)，鎖存，開啟第二層總控制開關(guān)，點(diǎn)亮第二層。
等待時(shí)間t。

.......

熄滅第七層，將第八層的的數(shù)據(jù)傳入所有74hc595中，鎖存，開啟第八層總開關(guān)，
點(diǎn)亮第八層。
再回到第一步，循環(huán)下去....

這樣，便實(shí)現(xiàn)了一個(gè)偵畫面的顯示，由于人眼的視覺暫留的特性，只要刷新的夠快，我們看到的就是光立方整體一起點(diǎn)亮的。便實(shí)現(xiàn)了我們想要的效果。為了畫面的穩(wěn)定，上面間隔點(diǎn)亮t要保持一致，否則會(huì)出現(xiàn)亮度不均的情況。

光立方最大的特點(diǎn)就是點(diǎn)陣顯示，每個(gè)LED都是采用并聯(lián)方式焊接，所以通過編寫程序可以隨意設(shè)計(jì)點(diǎn)陣顯示方式，在本課題的光立方中，我們設(shè)計(jì)了倒計(jì)時(shí)數(shù)字顯示，波浪，左右推進(jìn)等顯示方式。下面是部分源程序展示。

完成了硬件和軟件設(shè)計(jì)，我們的光立方最后成功制作成功，展示結(jié)果如圖七所示。