基于單片機(jī)的光立方設(shè)計

蔣祥龍

【摘? 要】近年來，單片機(jī)發(fā)展迅速，性價比高，其中51單片機(jī)是各種單片機(jī)中的典型。本次設(shè)計采用STC公司的12C5A60S2作為主要控制芯片控制8位的光立方，加上基本的外圍電路，采用74HC573三態(tài)鎖存器作為發(fā)光二極管的高電平驅(qū)動，ULN2803八路反相器作為低電平驅(qū)動，控制512顆發(fā)光二極管的亮與滅，并最終實現(xiàn)花色的變換。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī);光立方;AT89C2051;三態(tài)鎖存器

引言

本次設(shè)計采用傳統(tǒng)的LED堆疊成三維空間，通過單片機(jī)控制512顆發(fā)光二極管形成不同圖案，從而達(dá)到顯示不同的動畫效果的目的。設(shè)計主要內(nèi)容有單片機(jī)的基本電路的選擇與定性，其中控制模塊采用STC12C5A60S2作為控制芯片，驅(qū)動模塊采用8位鎖存器作為發(fā)光二極管的陽極驅(qū)動，8位反向器作為主要的發(fā)光二極管的陰極驅(qū)動，主體模塊采用512顆發(fā)光二極管排列成規(guī)則陣列形成的。

1系統(tǒng)方案設(shè)計

光立方系統(tǒng)主要由電源模塊、晶振模塊、復(fù)位模塊、STC12C5A60S2單片機(jī)和兩個驅(qū)動模塊組成，如圖1所示。光立方的基礎(chǔ)是從控制8位點陣開始的，在8位點陣中每次掃描一列，同時每次對行輸出一次數(shù)據(jù)就能得到一個圖案。光立方則是將8個8位點陣進(jìn)行空間化，采用空間掃描方式將圖案顯示出來。

2硬件設(shè)計與選型

（1）單片機(jī)的選擇

目前，8031單片機(jī)是8位單片機(jī)中應(yīng)用較廣泛的一種，其代表型號是ATMEL公司的AT89系列，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)測量與控制系統(tǒng)，根據(jù)單片機(jī)輸出所帶的負(fù)載是模擬型或數(shù)字型、是大電流或小電流，在滿足控制條件下選擇STC12C5A60S2單片機(jī)。

（2）電源的選擇

電源是各種電子設(shè)備不可缺少的組成部分，它的性能直接關(guān)系到電子設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)，設(shè)備能否安全可靠地工作，由于單片機(jī)電源屬于直流弱電源，必須避免強(qiáng)電源的干擾。供電電源采用5V直流供電，可用電源包括手機(jī)輸配器、電腦USB接口或者充電寶等。

（3）鎖存器驅(qū)動模塊的選擇

目前市場上有很多鎖存器，并且有4種工作方式（串入串出、串入并出、并入串出、并入并出）。由于需要每次同時控制8組輸出盡可能不產(chǎn)生延遲，則采用并出型;輸入能夠不產(chǎn)生延遲，能夠有鎖存端口、使能端口，并且滿足I/O條件，可采用并入型，因此可以選擇74XX573三態(tài)鎖存器。

（4）反向器驅(qū)動模塊的選擇

根據(jù)掃描方式，最多的時候同時有64顆LED被同時點亮，若按照每顆LED電流為20mA計算，則最大的電流可達(dá)到1280mA，分在8個端口時單個端口也達(dá)到160mA，由于單片機(jī)單個端口可下拉電流最多可承受20～25mA，遠(yuǎn)低于輸出需求，則需要選擇可接受大電流的元器件。選擇ULN2803的NPN達(dá)林頓連接晶體管陣列，每個端口可接受500mA的電流輸入，

（5）復(fù)位電路

由上電復(fù)位和按鍵復(fù)位兩種組成。上電復(fù)位主要是STC89系列單片機(jī)的高電平復(fù)位，通常是VCC和復(fù)位引腳RST之間連接一個電容，其電容值是10uF;然后RST連接一個電阻接地，這個電阻值是10KΩ，由此形成一個RC充放電回路保證單片機(jī)在上電時RST腳上有足夠時間的高電平進(jìn)行復(fù)位，隨后回歸到低電平進(jìn)入正常工作狀態(tài)。按鍵復(fù)位電路就是在復(fù)位電容C1并聯(lián)一個開關(guān)，當(dāng)開關(guān)按下時電容迅速放電、RST變?yōu)楦唠娖?，如圖1所示。

（6）晶振振蕩電路

為了便于各部分保持同步，晶振振蕩電路為系統(tǒng)提供一個基本的時鐘信號，STC89C51的振蕩源的使用11.0592MHz的晶體振蕩器，由于單片機(jī)內(nèi)部帶有振蕩電路，所以外部只要連接一個晶振和兩個電容即可，電容容量一般在15pF至50pF之間，如圖2所示。

3 系統(tǒng)的安裝與調(diào)試

鑒于控制要求，焊接安裝前必須準(zhǔn)備好所需要的器件，如表1所示：

阻也要用萬用表確定它的阻值。（2）在焊接時，要注意焊接技巧，防止虛焊，使得電路板不能達(dá)到預(yù)期的效果。以64個LED作為一組進(jìn)行焊接，在電路板反面焊接時要先設(shè)計好每條線路的分布，防止交叉無序。把每個燈的負(fù)極用導(dǎo)線連接在一起，單片機(jī)和驅(qū)動芯片的引腳走線可以簡化電路的焊接。（3）焊接完成后，要用萬用表檢測每一條電路是否正常，再用5V電壓給每條電路供電，確保每條電路上的燈都能亮。

STC單片機(jī)均采用串口下載的方式將編譯后的*.hex（16進(jìn)制算法）文件通過串口驅(qū)動下載到單片機(jī)中，傳統(tǒng)的串口下載方式為使用MAX232串口與PC通信進(jìn)行下載。本設(shè)計采用USB轉(zhuǎn)TTL下載，使用CH340作為驅(qū)動與PC通信進(jìn)行下載。如圖3所示。

STC公司提供了專為下載的STC-ISP軟件，該軟件可以通過下載驅(qū)動將編譯后的程序下載至單片機(jī)中。將CH340預(yù)留的TXD發(fā)送數(shù)據(jù)端口（transmit（tx）data）與單片機(jī)的RXD接受數(shù)據(jù)端口（receive（rx）data）連接。將CH340的RXD端口與單片機(jī)的TXD端口連接。GND連接單片機(jī)的GND連接。在STC—ISP軟件中選擇好單片機(jī)型號，COM端口，編譯文件，點擊下載后將單片機(jī)進(jìn)行冷啟動，待讀條完畢后顯示成功后，單片機(jī)就開始運(yùn)行程序了，安裝效果如圖4所示。

4 結(jié)語

本次單片機(jī)光立方設(shè)計采用AT89C2051控制，可視性效果好，體積小，可拆卸方便更換，采用的設(shè)計方案，方便理解和程序可讀。

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