3D立方灯设计

苏智华

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2016.24.023

摘 要：随着现代生活水平的提高，节日装饰彩灯已经应用的人们生活的方方面面。该设计基于STC12C5A60S2单片机，采用 8×8×8结构的512个LED彩灯构成的立方灯，驱动电路采用ULN2803和74HC595模块。系统可显示平面动态图案，以及三维立体的动态图案。并可添加不同的方案和花样，根据输入的音频信号调整图案显示节奏。

关键词：立方灯 单片机 三维 动态图案

中图分类号：TP391.41 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）08（c）-0023-02

科技发展的脚步一直在前进，从二极管、印刷液晶屏、黑白点阵到TFT彩屏时代再变换到LED显示屏，LED现在已经应用到生活的方方面面。电子产品所拥有的高分辨率已经带来了强悍的视觉冲击，所以人们想出了从平面向立体发展，让三维空间带来更加强悍的感观。所谓“光立方灯”是指在平面LED基础搭建出来的一种新型显像技术，改变了传统平面显示风格，通过程序设计，在三维空间显示动画，因此极大程度上震撼着人们的视觉。

1 系统设计方案

该设计基于STC12C5A60S2单片机，控制8×8×8结构的512个LED彩灯构成的立方灯进行平面动态图案以及三维动态图案显示。系统由各模块如图1所示。

2 系统硬件设计

对于显示模块，有传统和雾状LED两种，进行简单对比发现，通常的LED光发散较为严重，两个相邻的LED灯亮了之后容易产生较大的互相影响，容易影响效果。白发雾状蓝灯作为立方灯的发光源，工作电流为2～10 mA之间，工作电压是2.7～4.2 V。雾状情况下很容易达到聚光的效果，在立方灯所有灯都点亮的情况下，做动画和图案展示的时候互相也不会产生影响。因此，设计采用雾状LED。另外，LED连接限流电阻，以防某一瞬间电流过大而将LED烧坏。

单片机采用STC12C5A60S2，和传统51单片机管脚相兼容，芯片本身拥有第六代加密技术，拥有超强抗干扰能力，内部集成度高，含有可靠的复位电路，相比8051快8～12倍。并且芯片内部含有A/D转换，所以不需要额外在外部添加A/D转换电路，就可以实现频谱转换。主控电路如图2所示。

立方灯的驱动模块主要是采用ULN2803和74HC595相互结合来控制LED的亮灭，通过这两个芯片来分开控制某一层或者某一排的LED。

层控制采用ULN2803，如图3所示。1-8管脚为输入，相对应的管脚为18-11，为输出管脚。10管脚为8路输出，并且也是续流二极管共同适用的端口，输出为500 mA，50 V，并且输出情况是集电极开路，输出的作用是用来接负载，相对应的负载另一端接正电压。9管脚接地。输出达林顿管截止的状态是因为输入为0，负载上面没有电流。这个芯片输出状态为饱和时是因为输入为高电平，负载当中的电流就会出现在输入口中。需要驱动感性负载时候需要接入10管脚，用来接负载电源。

采用8个74HC595来构成行列的控制，利用其暂存功能将64个LED灯的亮灭信息存储起来，然后通过灯的亮灭显示进行输出。使能控制端为P0口，选择哪一个74HC595来通过，LED灯的亮灭信息是通过P3口来传送，并经74HC595锁寸。部分列控制电路如图4所示。

3 系统软件设计

系统主程序如图5所示。系统能通过按键来切换所要显示的图案，并在8×8×8结构立方灯上进行显示。

立方灯显示程序采用的是数据扫描的方式进行数据段采集，首先采集光立方当中的某一列，然后按照数据表对应的i和i+7元素，然后显示输出时是由高至低显示输出的，使用单片机的输出口，利用的是单片机向右移位的功能，输出显示要准确需要通过单片机的片选功能。显示动态动画的显示流程图如图6所示。512个灯的亮灭信息都是分开控制的，这样有利于各类动画清晰显示，并且用户操作也可以简单化，要想改变动画只需要改变相应位置灯亮灭即可。

4 结语

该次设计的主控芯片为STC12C5A60S2，还有其他外围相关电路构成了该系统，通过ULN2803和74HC595来构成驱动电路模块，为LED立方灯提供行列驱动，应用普通晶体时钟源构成时钟信号电路。设计电路简单，采用的材质为蓝色雾面LED灯，用来造成立方体最佳视觉效果。在程序控制下，立方灯可以依据程序的编程改变动画的效果，也可以采取输入音乐的形式使得立方灯随着音乐改变，主控芯片内含A/D转换模块，频谱处理速度也快，可以直接输入频谱使LED产生图案的变化，省去采用AT89S52控制时需要更改程序才可以控制LED灯的亮灭，显示图案连贯。

参考文献

[1] 刘小平，李志远.单片机版光立方的制作[J].无线电，2010，33（5）：550-552.

[2] 杨清德.LED驱动电路设计与工程施工案例精讲[M].北京：化学工业出版社，2010.