带频谱测试的光立方设计

张 霞，崔盼亮

(陇东学院电气工程学院，甘肃庆阳745000)

带频谱测试的光立方设计

张 霞，崔盼亮

(陇东学院电气工程学院，甘肃庆阳745000)

本设计以STC12C5A60S2为主控芯片，ULN2803为驱动芯片，8个74HC573为控制芯片，设计长、宽、高为8×8×8共512个LED灯组成的光立方体。根据人的视觉暂留效应，显示不同的图案与动画，通过模式转换功能切换画面，采用快速FFT变换处理音频信号，通过信号的标定将音乐频谱显示出来。该设计把音乐的美感与动画的动感结合起来，给人以一种视觉和听觉的享受。

STC12C5A32S2；视觉暂留效应；快速FFT变换；音乐频谱

21世纪的显示技术将是3D显示的时代。基础材料的高速发展，降低了全彩色显示产品的成本，由于发展加快，各种LED产品层出不穷，其中就包括很有代表性的光立方。LED产品的性能的提高，使全彩色显示产品的色彩、亮度和白平衡都达到了比较理想的效果，完全可以满足户外各种复杂的环境要求。由于全彩色显示产品的产业化，预计在未来几年的发展中，全彩色LED显示产品在户外广告媒体中的应用范围将快速扩大，并且渐渐地代替传统的LED灯箱、霓红灯系列产品。目前，我国LED大型制造商的市场几乎扩展到了整个中国。国产LED大屏幕的性价比显著提高，占据了一大半LED系列产品的市场。LED显示屏系列产品的快速发展和制造技术的成熟，也推动了电子信息产业的发展，给LED显示屏产业与电子信息产业相互结合奠定了基础，使其获得了更广阔的发展和提高空间[1]。

1 总体设计

1.1 工作原理

本系统设计主要以STC12C5A60S2单片机为核心，以512个蓝色LED灯为显示模块，显示动画和乐谱。该系统主要由主控模块、驱动模块、显示模块构成，如图1所示：

图1 系统模块框图

1.2 设计方案

1.2.1 单片机主控模块

本设计采用与89C51有相同功能的STC12C5A60S2单片机，此单片机具有60K的存储空间，足够应付光立方复杂的图像显示程序代码的要求，此单片机还有速度快，加密安全，抗干扰能力强，功耗低，内部有集成复位电路等特点，比较符合此设计的要求[2]。

1.2.2 驱动模块

采用八通道与三极管功能相同的集成芯片ULN2803，此芯片1-8端口输入，18-11端口输出，驱动能力为500mA50V,可以满足512个LED灯的电流，用一个芯片替代八个三极管，不仅体积变小了，功能还更强了[3]。

1.2.3 显示模块

采用蓝色雾面圆形LED灯，可以很好地收聚光线，显示的灯的光亮不影响周围的灯的亮度，暗灭明显，工作电压在2.7～4.2V，电流为2～10mA。

2 STC12C5A60S2的介绍

STC12C5A60S2芯片是宏晶科技生产的具有高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令码与传统的8051单片机完全兼容，与普通51单片机相比有以下优点：

(1)同一频率下，速度是普通51单片机的8～12倍；

(2)自带8路AD转换功能；

(3)带SPI(在线可编程)接口；

(4)有EEPPOM，可瞬间带电擦除改写；

(5)多了两个定时器，且带PWM功能；

(6)I/O口可以定义，有四种状态；

(7)带四种可定义中断优先级；

(8)双串口；

(9)自带WATCH-DOG；

(10)存储空间可达60K。

STC12C5A60S2芯片管脚图如下(图2)：

图2 STC12C5A60S2芯片管脚图

3 光立方设计内容

光立方系统主要包括主控部分、LED显示部分、电源模块部分等。整个系统又分软件部分和硬件部分，良好的硬件设计为软件的执行提供支撑，为系统工作提供硬件实体；软件为系统的工作提供各种算法，软件与硬件的结合，是系统高效工作的基础。设计内容包括显示简单的数字、动画以及实现音乐频谱测试功能，频谱功能可随音乐同步显示[4]。

硬件电路如图3所示，该硬件电路图包括一片ULN2803(输出和光立方的层相接)，八片74HC573并接在STC12C5A60S2的P0口上(本图只画出一片74HC5730)，八片74HC573每个输出端连接光立方的每一列。

图3 光立方硬件电路图

3.1 LED灯的焊接

512个LED灯共分8层，每层采用共阴极接法，64列采用共阳极的接法，这样接出的8×8×8的立方体就有64个阳极和8个阴极，64个阳极分别串联一个电阻后与SN74HC573的输出脚相连(也可不接电阻，用其他方法代替)，阴极直接接回到ULN2803的输出口[5]。

3.1.1 LED灯点到线的焊接

把LED灯引脚的正负极按照水平方向插在光立方的模板上，正极在右边，负极在左边，依次插好一列，然后将正极从底部垂直折弯，并与水平方向成90度角，负极先不处理。如图4所示：

图4 光立方焊接图

3.1.2 LED灯线到面的焊接

依次焊好两列后，再将第一列的负极弯折，并与正极成90度角(折负极时用镊子夹住负极以免负极与正极相互接触，造成短路)，折好后焊接。焊接无误后用万用表测试两列LED灯是否可以正常发光。按照这种方法，焊完8列，一个面就焊接完成了。一个光立方阵列如图5所示：

图5 LED阵列

3.2 光立方控制模块的焊接

将光立方最小系统的所有元件放到一起，首先观察一下万用板，做一个大概的布局，再进行焊接。其焊接步骤如下：

先将40P的芯片插座选一个合适的位置插到PCB板子上，但不进行焊接，接下来依次将10 uf的电容，10 K电阻，两个30pf的电容以及晶振插到芯片座里面的空余地方，以最少连线的原则做好布局，再进行焊接。如此，复位电路和晶振电路已经焊好了，复位电路部分也可以再多加一个按键复位[6]。

电源插座以及自锁开关的焊接：将5V的电源插头插到电源插座上，用万用表的电压档测试一下电源的正负极，用万用表的蜂鸣器档测试并找到自锁开关用到的两个引脚，用焊锡做标记。然后把电源和自锁开关做好布局并焊接。检查无误后插上电源，用万用表测试20引脚、40引脚供电和9引脚焊接是否正常。焊接好每一个模块都要测试，这样可以避免光立方整体焊接完后出现故障找不到原因的问题。光立方最小系统背面焊接图如图6所示：

图6 最小系统

ULN2803的1-8脚与单片机的28-21脚依次相连接，10脚连接电源，28到21脚作为光立方8个层的控制端。接下来焊接74HC573插座：输出口与P0口相连，P0口需要接10K的上拉电阻，需将一个74HC573插座的输入端与P0口的输出端焊接，其余的74HC573则用杜邦线相互串联。背面焊接图如图7所示：

图7 74HC573

LED引脚插座的焊接(用的是晶振插座)：将晶振插座用斜口钳剪成单个的插座，以洞洞板上每8个空为间距将插座排列到洞洞板上，然后找一块平整的硬纸板稍微用力盖到64个插座上，将板子反过来，进行焊接，这样可以大大节约焊接时间[7]。

74HC573输出引脚与64个插座的焊接，这部分需要连接的引脚很多，如果全部用引线或是全部用焊锡连接都行不通，进过观察板子的布局，选取第一、三、五、七个74HC573用焊锡连接，第二、四、六、八个74HC573用导线连接，以达到美观整齐的效果。其效果图如图8所示：

图8 74HC573与晶振插座引脚接线图

3.3 光立方的整体组装

将焊好的八个面的阳极垂直插到焊好的插座上，并用焊锡焊接。

将所剩的阴极引脚横向折90度，并且确保同一层的LED引脚基本在同一平面。

每一层前面7列的相邻阴极引脚焊接到一起，第8列阴极引脚剪掉。

ULN2803的输出端与光立方的每一层对应用导线焊接连到一起[8]。

4 音频输入模块和控制按键的焊接

音频输入模块的公共端接地，剩下两个引脚分别接到单片机的P1^0、P1^1口。

控制按键的焊接：K1(模式转换)与15引脚相连；K2(复位)与16引脚相连；K3(模式确认)与17引脚相连。

5 软件分析方法

(1)DFT算法

DFT是数学上经常采用的一种映射关系，反应的是时域上N点和频域上N点的一种对应关系，是将时域上采样到的信号变换为在离散时间的频域上的采样，N点序列的DFT公式为：

(2)FFT算法

FFT即快速傅里叶变换，它并不是一种全新的频域特征的采样方式,而是经过DFT的改进和变换得来的，可用来将采样到的信号从时域变换到对应的频域。

DFT与FFT的比较

运算量：FFT的算法优化，运算量比DFT小得多，速度快，如果采样1024个点，就公式而言，FFT的速度比DFT的速度快100多倍。

内存：由于DFT的计算量比较大大,所以会占据很大的内存,不利于单片机对信号进行实时处理。

由于本设计的音乐频谱功能带音乐播放功能，由频谱显示就必须与歌曲播放同步进行，而且从单片机用来存放算法的空间有限等特点分析来看，采用FFT算法更合理。

6 音频处理

要实现音乐频谱功能，所用的软件分析法是快速傅立叶算法(FFT)，首先，用ADC去采样一个模拟信号，使之变为数字信号。根据采样定理，音频信号的最高频率约为20Khz,若ADC的采样频率设置为40Khz，即采样频率大于信号频率的两倍，就能基本满足采样的要求[9]。其次，将采样得到的数字信号送入FFT进行变换处理。一般若我们取N个采样点，经过FFT运算之后，就可以得到N个点的FFT变换结果。但通常为了方便进行FFT运算，通常N取2的整数次方。设Fs为ADC的采样频率,N为傅立叶变换的点数，则有最小分辨频率f=Fs/N，因此频谱显示的最低频率就是f Hz,以后每向右移一个点,频率值将增加f Hz，由于FFT结果对称性特点，通常只使用前N/2个采样点的结果。

简言之，使用数模转换器对输入的音频信号进行采样以后，经过FFT变换，然后取某些频率项的幅值，量化显示，驱动LED点阵，这样就可以点亮光立方了[10]。

7 编程及测试

由于C语言编程有模块化和可移植性高的优点，结合光立方程序的实际情况，采用C语言编程，经过多次尝试，最终完成编程[11]。

(1)下载程序并测试

第一次下载程序后，发现只有第一层灯亮，经过排查，发现并无焊接错误，经过查资料发现原因可能是74HC573和ULN2803的电压不能满足512个LED灯的需求。选取了两个100uf的滤波电容加到74HC573和ULN2803的供电端后，发现光立方开始闪烁，光立方的动画显示正常。

频谱功能测试：

a用音频线将手机与光立方音频输入口相连，发现程序运行正常，但效果不明显；

b将光立方与小功放用音频线连接，进行测试，发现效果良好[12]。

(2)编程思路

图9 主程序流程图

主函数中,首先完成初始化，根据按键选择播放模式，频谱模式下，单片机通A/D对输入的音频数据进行采样,将采样得到的数据送入数据缓存区进行预处理,A/D滤波完成以后，自动增益控制信息进行扫描和其他信息的处理，再将缓存区存放的数据送到快速傅立叶变换处理的子函数中进行一系列运算处理，然后从缓存区取出傅里叶变换结果,根据得到的幅值计算出光立方的点亮点数,并将数据存储到显示缓存区相应的中断函数中,由显示缓存区存储的数据内容对光立方进行快速实时刷新点亮；动画模式下，首先在上位机中根据自己想要显示的图案在模拟光立方上选择对应的点，得到一个对应的数组，将数组中的数据送入到显示缓存区相应的中断函数中，由缓存区存储的数据对光立方进行点亮，并且不同图案之间设定合适的延时时间，图案就可以动态显示。该程序流程图如图9所示。

8 光立方显示框图

图10 LED光立方显示框图

以STC12C5A60S2为主控芯片，将采集的音频信号经过快速傅里叶变换滤波处理后，通过8×8×8LED光立方矩阵显示出来。采集的音频信号分为八段进行标定，如果每采集的数据小于0.5V，则第一层点亮；如果每采集的数据小于1.2V，则第一层和第二层点亮，以此类推，可以将音乐的七个音符全部通过LED矩阵显示出来，显示流程如图10所示。

结束语

光立方是一种将娱乐与学习结为一体的科学制作，它的娱乐体现在其灵活的DIY程序变化和立体的动画显示，可以根据自己的喜好修改程序来实现自己想要的动画效果，而且结合了音乐频谱功能的光立方更具音乐的优美和动画的动态美，光立方的学习价值体现通过单片机对512个光立方的控制和对焊接技术的锻炼，可谓一举两得！

[1]关积珍,陆家和.我国LED显示屏技术和产业发展及展望[J].现代显示，2004(2):5-10.

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[3]郭天祥.新概念51单片机C语言教程[M].北京:电子工业出版社,2009：27-54.

[4]康华光.电子技术基础数电部分[M].北京:高等教育出版社,2005:444-456.

[5]康华光.电子技术基础模拟部分[M].北京:高等教育出版社,2005:68-74.

[6]苏变萍.复变函数与积分变换[M].北京:高等教育,2010:235-270.

[7]游晓容.STC12CSA60S2单片机在光立方体的运用[J].2014,4(12):304-306.

[8]杨永刚.3D光立方的设计与制作[J].电子世界,2014(6):129-131.

[9]李元生.LED光柱专用驱动器[J].家庭电子,2005(04):51-52.

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[11]谭浩强.C语言程序设计[M].北京:清华大学出版社,2005:15-37.

[12]卢弥坚.主从分布式LED大屏幕显示系统[J].电脑与信息技术,1997(04):6-14.

【责任编辑 朱世广】

Optical Cube Design Based on 51 Single Chip Microcomputer

ZHANG Xia，CUI Pan-liang

(ElectricalEngineeringCollege,LongdongUniversity,Qingyang745000,Gansu)

With STC12C5A60S2 as the primary control chip,74HC573 as control chips and ULN2803 as the drive circuit,a optical cube was designed by dimensions for the 8*8*8 512 LED lights in this thesis. According to people’s persistence of vision effect to displaying some patterns and cartoons on Cube,and by switching screen through mode conversion function and using FFT technology processing audio signals,the music spectrum will be displayed through the calibration. The design combines the beautiful feeling of music and cartoon which has a magnificent visual effect.

STC12C5A60S2;persistence of vision;FFT technology;spectrum

1674-1730(2017)03-0015-05

2016-05-30

张 霞(1986—)，女，甘肃镇原人，讲师，硕士，主要从事嵌入式信号处理研究。

TM202

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