【文章內容簡介】 ATL2 之間是否有足夠的電壓來驗證是否起振。 圖 外部時鐘電路 （ 2）復位電路即用來初始化單片機的，通常有兩種方法：手動復位與上電復位，只要讓 RST 引腳上有一個能維持 2 個機器周期的高電平即可復位。 XTAL2. XTAL1 C1 C2 晶振 GND 外部時鐘 XTAL2 XTAL1 VCC 14 14 （ 3）輸入輸出口： STC12C5A60S2 的 P0 到 P3 都是雙向輸入輸出口，但是 P0 為開漏輸出口輸出一直為低電平，在使用 P0 口時要想獲得正常的輸出必須在 P0 口加上上拉電阻。并且這四個端口可以用 74LS573 等芯 片來擴展，從而控制更多的設備 。 選擇使用 STC12C5A60S2 單片機的原因 在選擇單片機（也就是控制模塊）的時候主要參考了兩個方案： 方案一 采用接觸比較多的 AT89C51 作為 整個系 統(tǒng)的核心，但是 FLASH 只有 4K,為了光立方有更好的表現(xiàn)采用的程序也很大，而且要求也相對比較高，所以排除使用AT89C51 作為控制模塊的內核。 方案二 選用 51 系列 60K STC12C5A60S2 作為控制模塊的主控芯片，作為一種增強型的單片機它具有以下幾個優(yōu)點： （ 1）抗干擾能力強 （ 2）采用第六代加密技術，無 法解密 （ 3）在 8051 編寫的代碼完全可以燒錄并且運行 （ 4）速度是 8051 單片機的 8 到 12 倍，并且應用程序空間為 60K,減少了可能添加動畫效果擴展程序的后顧之憂 （ 5）在芯片內部已經集成了復位電路，因此外部就可以不接復位電路了 [8] 因此決定使用 60K STC12C5A60S2. 驅動模塊 本設計是通過以單片機 STC12C5A60S2 控制 ULN2803 與 74HC573，進而對光立方實現(xiàn)控制，其中 ULN2803的 8個陰極接每一層的負極，主要的作用是層選， 74HC573接每一豎排的陽極， 74HC573 一共需要 8 片用來控制每一面，主要的作用是緩沖和擴展單片機端口， LED 光立方采用的是層共陰的方式這樣比較容易控制，具體的焊接方式和注意事項將會在 LED 介紹中詳細說明。 .1 ULN2803 的介紹 ULN2803（八重達林頓）使用時 10 腳接正極 9 腳接地 1 進 18 出 2 進 17 出 3進 16 出 以此類推 共 8 路。可以驅動 500MA\50V 的負載電路，這里的參數是灌電流。ULN2803 與標準的 TTL 系列電兼容，即能識別 TTL 電路輸出的信號當 = 時為低電平 0，當 =2V 時為高電平 1。 因為本方案一共驅動了 512 個 LED 燈，所以需要掃描驅動，就是對行和列進行選擇亮暗從而控制整個光立方的單個小燈，這時所要求的電流也比較大而 ULN2803 正好滿足這個條件，當單片機引腳控制 ULN2803 引腳時，單片機引腳輸出低電平則對應的引腳輸出高阻態(tài)，如果要輸出高電平需要上拉電阻這樣就不可避免的使整個系統(tǒng)更加的雜亂，不過真正試驗才發(fā)現(xiàn)要想保護小燈還需要加限流電阻，所以本方案采用 15 15 的是層共陰，讓 ULN2803 接在每一個層的陰極來實現(xiàn)控制每一層的亮滅，束是由74LS573 來控制亮滅的后面將會介紹。 圖 管腳連接圖 圖 ULN2803 的外形 圖 ULN2803 的內部電路圖 ULN2803 內部為 8 重達林頓管，所謂達林頓管就是一對共基的復合管，兩個 NPN三極管串聯(lián)，他的放大倍數是兩個 NPN 放大倍數之積，放大倍數是非常可觀的，所以它一般 是用來放大非常微小信號。 16 16 NPN 三極管 了解三極管對于學習單片機有著非常好的幫助，在數子電路中主要研究學習的是三極管的開關特性，在模擬電路中主要研究的是三極管的放大特性 [1]。 圖 晶體管的輸出特性曲線 截止表 示三極管不工作輸出高電平，飽和表示三極管導通輸出低電平 圖 NPN 三極管 b 為基極， c 為集電極， e 為發(fā)射極。從 b 流過的電流為 Ib， 只有有 Ib 流過時才能產生 Ice， 我們都有所了解三極管的放大作用，如果一只三極管的放大系數β =100， bb e c 17 17 端電壓為 10V， b 端的外接電阻為 10K， c 端外接電阻為 50Ω那么 Ie=1mA， Ice=100mA，加在 ce 兩端的電壓為 5V，其中 50Ω電阻的作用為限流作用，防止過大的電流。舉個例子： Ib=2mA，這時 集電極的電流為 200mA，如果 Ib 繼續(xù)增大那么集電極的電流都不再增大了，因為限流電阻允許的最大電流為 10247。50=200mA () 在單片機內除去 P0 口其他的 24 個 I/O 口都是一樣的，都擁有一個較大的上拉電阻，輸出的電流也相應的比較小，因此就要在單片機外外設芯片來輔助單片機。 （ 1） （ 2） 三極管的兩種連接方式 上圖為三極管的兩種連接方式，第一種很顯然只有當單片機輸出為高電平 1 時發(fā)光二極管才開始工作這時就需要 NPN 截止，但是當 NPN 截止時流過二極管的電流很小即使發(fā)光也是非常微弱的， LED 的特性會在后面詳細介紹。 第二種要想發(fā)光二極管導通發(fā)光就必須讓單片機輸出低電平 0，但是由于三極管的特性一旦導通流過三極管的電流是非常大的 [13]，對于小燈來說是非常危險的。 對于第一種情況可以加上一上拉電阻，一般情況下三極管最 高電流為 15mA,一般上拉電阻上的電壓為 5V R 上拉 =5247。 15≈ 330（Ω） （ ） 當三極管導通時二極管是不亮的，當三極管截止，這時三極管的電流和經過上拉電阻的電流就要流過發(fā)光二極管，由于流過單片機內部的電流很小可以忽略，這時流過發(fā) 18 18 光二極管的電流為 （ ）247。 330=（毫安 ） （ ） 其中 為發(fā)光二極管的壓降，但是這樣的方式缺點就是即時發(fā)光二極管不亮也會有很大的電流消耗。 第二種情況就是在發(fā)光二極管與 Vcc 之間加上一個電阻，來限制電流，經過計算 限流電阻≈（ ）247。 15=（ KΩ） （ ） 這時二極管的電流比較大也就比較亮，當三極管截止工作那么電流截止發(fā)光二極管就不會亮也不會產生電流消耗。 顯然本方案采用第一種連接方式芯片采用的是 74HC573。 因為單片機的驅動能力 是有限的，單靠單片機驅動 512 個 LED 燈必然會對單片機的驅動能力造成極大的挑戰(zhàn)，所以需要緩沖器來增強擴展能力，本方案采用了74HC573 作為緩沖器，下面將詳細介紹。 74HC573 的介紹 74HC573 芯片是可以與 CMOS 電路組合電路的，作為鎖存器它具有如下特點： （ 1）它具有三種狀態(tài)的輸出，高電平、低電平、高阻態(tài)被稱為三態(tài)總線驅動輸出； （ 2）它具有存儲功能，當 74HC573 的使能端加上一個低電位時上一個信號的數據將會被存儲等待下一個信號的輸入，具體功能如下： 74HC573 有 兩個使能端一個是輸出使能，一個是鎖存使能，當輸出使能為低電平鎖存使能為高電平時，輸入端和輸出端是一樣的，也就是 2 到 9 引腳輸入什么信號，12 到 19 就輸出什么信號，他們是一一對應的，當鎖存使能為低電平時，這時無論輸入端輸入什么信號，輸出端永遠保持上一個信號不變，如果輸出時能為高電平鎖存使能不論什么信號輸出端永遠都會處在高阻態(tài)。 19 19 圖 74HC573 管腳排列圖示 表 1 74HC573 的功能表 輸入狀態(tài) 輸出狀態(tài) OUTPUT ENABLE LATCH ENABLE D Q 0 1 1 1 0 1 0 0 0 0 X 鎖存 1 X X 高阻態(tài) X 表示無論輸入什么都沒有影響 （ 3）可以與 TTL,CMOS 電路兼容 （ 4）對于控制端具有緩沖的功能 （ 5）能使有滯后現(xiàn)象的干擾得到有效的改善 像 74HC573 這種芯片的電路的優(yōu)點在于當作為驅動與系統(tǒng) 的總線接口相接時用不到其他的外接接口，因此本方案在選擇驅動時選擇了 74HC573 這種可以緩沖又能適用雙向總線驅動的 8D 鎖存器。 圖 邏輯圖 20 20 圖 連接圖 如圖 的連接方式，在上一節(jié)介紹了單片機的 I/O 口，現(xiàn)在介紹與 TTL 器件的連接工作原理，假設 連接了 74HC573 的一個管腳，因為片內的輸入阻抗相對來說是非常高的，相當于端口接了一個很大的電阻到地，當三極管導通時電流是通過Rc 流入大地， Ri 上電流為 0，當三極管停止工作后，電流就會通過 RC,Ri，這時由于這兩個電阻的分壓 點的電壓就等于這兩個電阻的分壓，同時電流： I 總電流 =5V247。（ 50+500） = () 電壓 = 500= () 根據 TTL 電路高低電平的依據輸出為高電平說明是可以這樣接的 。 （大于 為高電平，小雨 為低電平） 選用 ULN2803 和 74HC573 作為驅動芯片的原因 采用 ULN2803 的原因 原因一：因為燈體的層共陰結構所以需要 8 個具有反相作用 NPN 三極管作為驅動 , 可是真正實施起來發(fā)現(xiàn) 8 個三極管使整個系統(tǒng)非常亂，而且使用 8 個三極管的效果不是很理想所以放棄了這個方案。 原因二：由于光立 方由 512 個 LED 組成電流要求比較大， ULN2803 可以承受較大的灌電流，因此由于 ULN2803 具有高耐壓大電流的特性特別適合用于驅動光立方，并且一個集成芯片具有 8 個三極管的功能減少了整個電路設計的時間。所以鑒于ULN2803 的優(yōu)點選擇此方案。 采用 74HC573 的原因 21 21 在選擇陽極驅動芯片時有 74HC373 和 74HC573 兩種選擇，這兩個芯片功能相同，但是 74HC573 的引腳比較容易布線，并且相對來說 74HC573 的工作電壓范圍更加的寬，因此對于本設計來說 74HC573 更加適合 顯示模塊 顯示模塊為由 512 個 LED 燈焊接成的光立方，本章主要介紹 LED 燈的特性。 發(fā)光二極管 LED 二極管主要參數有： (1) 最大整流電流 IF (2) 反向工作電壓 UR (3) 反向電流 IR (4) 最高工作平率 fM 等 IF是二極管運行時允許的最大正向電流，在運用二極管時反向電壓不允許大于 UR，一旦超過了這個電壓就有可能把二極管擊穿，一般 UR=189。U 擊穿 () IR 為反向電流， IR 受周圍環(huán)境的影響它與溫度成正比，它和二極管的單向導電性是成反比的， fM 是二極管允許的最大頻率，工作頻率是不能超過這個頻率的不然會因為結電容的影響導致二極管不能正常工作。 （ a） 22 22 （ b） （ c） 圖 二極管的等效電路 圖（ a）是表示的理想二極管的工作狀態(tài)，導通時幾乎沒有壓降，截止電流也幾乎為 0，這種二極管是理想狀態(tài)下的。 圖（ b）中 UOn 為導通電壓，他可以看做是二極管與一個電源相串聯(lián)。 圖（ c）表示有內阻，可等效為二極管和一個電阻 r 以及 Uon 串聯(lián)。 了解了二極管的主要參數和等效電路才能更精準的對發(fā)光二極管進行控制。 發(fā)光二極管有可見光、不可見光、激光等不同的類型，一般用到的有紅、黃、藍、綠等顏色，也有的發(fā)光二極管能發(fā)出幾種顏色這種二極管內部都有芯片， 燈的形狀也有不同，常見的有長方形、圓形、乳型，發(fā)光二極管擁有二極管單向導電特性只有達到一定的電流才能發(fā)光，相對于普通二極管的開啟電壓發(fā)光二極管的開啟電壓比較大，一般紅色的開啟電壓在 之間，綠色 LED 大約為 2V，正向的工作電流在 5mA20mA 之間，在制作時要特別注意不可過載功耗 [7]。 此外還有穩(wěn)壓二極管和發(fā)電二極管等二極管。 LED 燈的選擇 LED