【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ATL2 之間是否有足夠的電壓來驗(yàn)證是否起振。 圖 外部時(shí)鐘電路 （ 2）復(fù)位電路即用來初始化單片機(jī)的，通常有兩種方法：手動(dòng)復(fù)位與上電復(fù)位，只要讓 RST 引腳上有一個(gè)能維持 2 個(gè)機(jī)器周期的高電平即可復(fù)位。 XTAL2. XTAL1 C1 C2 晶振 GND 外部時(shí)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(shí)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(gè)端口可以用 74LS573 等芯 片來擴(kuò)展，從而控制更多的設(shè)備 。 選擇使用 STC12C5A60S2 單片機(jī)的原因 在選擇單片機(jī)（也就是控制模塊）的時(shí)候主要參考了兩個(gè)方案： 方案一 采用接觸比較多的 AT89C51 作為 整個(gè)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(duì)比較高，所以排除使用AT89C51 作為控制模塊的內(nèi)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(qiáng)型的單片機(jī)它具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)： （ 1）抗干擾能力強(qiáng) （ 2）采用第六代加密技術(shù)，無(wú) 法解密 （ 3）在 8051 編寫的代碼完全可以燒錄并且運(yùn)行 （ 4）速度是 8051 單片機(jī)的 8 到 12 倍，并且應(yīng)用程序空間為 60K,減少了可能添加動(dòng)畫效果擴(kuò)展程序的后顧之憂 （ 5）在芯片內(nèi)部已經(jīng)集成了復(fù)位電路，因此外部就可以不接復(fù)位電路了 [8] 因此決定使用 60K STC12C5A60S2. 驅(qū)動(dòng)模塊 本設(shè)計(jì)是通過以單片機(jī) STC12C5A60S2 控制 ULN2803 與 74HC573，進(jìn)而對(duì)光立方實(shí)現(xiàn)控制，其中 ULN2803的 8個(gè)陰極接每一層的負(fù)極，主要的作用是層選， 74HC573接每一豎排的陽(yáng)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(kuò)展單片機(jī)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(xiàng)將會(huì)在 LED 介紹中詳細(xì)說明。 .1 ULN2803 的介紹 ULN2803（八重達(dá)林頓）使用時(shí) 10 腳接正極 9 腳接地 1 進(jìn) 18 出 2 進(jìn) 17 出 3進(jìn) 16 出 以此類推 共 8 路?？梢则?qū)動(dòng) 500MA\50V 的負(fù)載電路，這里的參數(shù)是灌電流。ULN2803 與標(biāo)準(zhǔn)的 TTL 系列電兼容，即能識(shí)別 TTL 電路輸出的信號(hào)當(dāng) = 時(shí)為低電平 0，當(dāng) =2V 時(shí)為高電平 1。 因?yàn)楸痉桨敢还豺?qū)動(dòng)了 512 個(gè) LED 燈，所以需要掃描驅(qū)動(dòng)，就是對(duì)行和列進(jìn)行選擇亮暗從而控制整個(gè)光立方的單個(gè)小燈，這時(shí)所要求的電流也比較大而 ULN2803 正好滿足這個(gè)條件，當(dāng)單片機(jī)引腳控制 ULN2803 引腳時(shí)，單片機(jī)引腳輸出低電平則對(duì)應(yīng)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(gè)系統(tǒng)更加的雜亂，不過真正試驗(yàn)才發(fā)現(xiàn)要想保護(hù)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(gè)層的陰極來實(shí)現(xiàn)控制每一層的亮滅，束是由74LS573 來控制亮滅的后面將會(huì)介紹。 圖 管腳連接圖 圖 ULN2803 的外形 圖 ULN2803 的內(nèi)部電路圖 ULN2803 內(nèi)部為 8 重達(dá)林頓管，所謂達(dá)林頓管就是一對(duì)共基的復(fù)合管，兩個(gè) NPN三極管串聯(lián)，他的放大倍數(shù)是兩個(gè) NPN 放大倍數(shù)之積，放大倍數(shù)是非?？捎^的，所以它一般 是用來放大非常微小信號(hào)。 16 16 NPN 三極管 了解三極管對(duì)于學(xué)習(xí)單片機(jī)有著非常好的幫助，在數(shù)子電路中主要研究學(xué)習(xí)的是三極管的開關(guān)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(dǎo)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(shí)才能產(chǎn)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(shù)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(gè)例子： Ib=2mA，這時(shí) 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?yàn)橄蘖麟娮柙试S的最大電流為 10247。50=200mA () 在單片機(jī)內(nèi)除去 P0 口其他的 24 個(gè) I/O 口都是一樣的，都擁有一個(gè)較大的上拉電阻，輸出的電流也相應(yīng)的比較小，因此就要在單片機(jī)外外設(shè)芯片來輔助單片機(jī)。 （ 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(dāng)單片機(jī)輸出為高電平 1 時(shí)發(fā)光二極管才開始工作這時(shí)就需要 NPN 截止，但是當(dāng) NPN 截止時(shí)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(huì)在后面詳細(xì)介紹。 第二種要想發(fā)光二極管導(dǎo)通發(fā)光就必須讓單片機(jī)輸出低電平 0，但是由于三極管的特性一旦導(dǎo)通流過三極管的電流是非常大的 [13]，對(duì)于小燈來說是非常危險(xiǎn)的。 對(duì)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(dāng)三極管導(dǎo)通時(shí)二極管是不亮的，當(dāng)三極管截止，這時(shí)三極管的電流和經(jīng)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(jī)內(nèi)部的電流很小可以忽略，這時(shí)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(diǎn)就是即時(shí)發(fā)光二極管不亮也會(huì)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(gè)電阻，來限制電流，經(jīng)過計(jì)算 限流電阻≈（ ）247。 15=（ KΩ） （ ） 這時(shí)二極管的電流比較大也就比較亮，當(dāng)三極管截止工作那么電流截止發(fā)光二極管就不會(huì)亮也不會(huì)產(chǎn)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?yàn)閱纹瑱C(jī)的驅(qū)動(dòng)能力 是有限的，單靠單片機(jī)驅(qū)動(dòng) 512 個(gè) LED 燈必然會(huì)對(duì)單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力造成極大的挑戰(zhàn)，所以需要緩沖器來增強(qiáng)擴(kuò)展能力，本方案采用了74HC573 作為緩沖器，下面將詳細(xì)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(diǎn)： （ 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(qū)動(dòng)輸出； （ 2）它具有存儲(chǔ)功能，當(dāng) 74HC573 的使能端加上一個(gè)低電位時(shí)上一個(gè)信號(hào)的數(shù)據(jù)將會(huì)被存儲(chǔ)等待下一個(gè)信號(hào)的輸入，具體功能如下： 74HC573 有 兩個(gè)使能端一個(gè)是輸出使能，一個(gè)是鎖存使能，當(dāng)輸出使能為低電平鎖存使能為高電平時(shí)，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(hào)，12 到 19 就輸出什么信號(hào)，他們是一一對(duì)應(yīng)的，當(dāng)鎖存使能為低電平時(shí)，這時(shí)無(wú)論輸入端輸入什么信號(hào)，輸出端永遠(yuǎn)保持上一個(gè)信號(hào)不變，如果輸出時(shí)能為高電平鎖存使能不論什么信號(hào)輸出端永遠(yuǎn)都會(huì)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(wú)論輸入什么都沒有影響 （ 3）可以與 TTL,CMOS 電路兼容 （ 4）對(duì)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(diǎn)在于當(dāng)作為驅(qū)動(dòng)與系統(tǒng) 的總線接口相接時(shí)用不到其他的外接接口，因此本方案在選擇驅(qū)動(dòng)時(shí)選擇了 74HC573 這種可以緩沖又能適用雙向總線驅(qū)動(dòng)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(jī)的 I/O 口，現(xiàn)在介紹與 TTL 器件的連接工作原理，假設(shè) 連接了 74HC573 的一個(gè)管腳，因?yàn)槠瑑?nèi)的輸入阻抗相對(duì)來說是非常高的，相當(dāng)于端口接了一個(gè)很大的電阻到地，當(dāng)三極管導(dǎo)通時(shí)電流是通過Rc 流入大地， Ri 上電流為 0，當(dāng)三極管停止工作后，電流就會(huì)通過 RC,Ri，這時(shí)由于這兩個(gè)電阻的分壓 點(diǎn)的電壓就等于這兩個(gè)電阻的分壓，同時(shí)電流： I 總電流 =5V247。（ 50+500） = () 電壓 = 500= () 根據(jù) TTL 電路高低電平的依據(jù)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(qū)動(dòng)芯片的原因 采用 ULN2803 的原因 原因一：因?yàn)闊趔w的層共陰結(jié)構(gòu)所以需要 8 個(gè)具有反相作用 NPN 三極管作為驅(qū)動(dòng) , 可是真正實(shí)施起來發(fā)現(xiàn) 8 個(gè)三極管使整個(gè)系統(tǒng)非常亂，而且使用 8 個(gè)三極管的效果不是很理想所以放棄了這個(gè)方案。 原因二：由于光立 方由 512 個(gè) 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(qū)動(dòng)光立方，并且一個(gè)集成芯片具有 8 個(gè)三極管的功能減少了整個(gè)電路設(shè)計(jì)的時(shí)間。所以鑒于ULN2803 的優(yōu)點(diǎn)選擇此方案。 采用 74HC573 的原因 21 21 在選擇陽(yáng)極驅(qū)動(dòng)芯片時(shí)有 74HC373 和 74HC573 兩種選擇，這兩個(gè)芯片功能相同，但是 74HC573 的引腳比較容易布線，并且相對(duì)來說 74HC573 的工作電壓范圍更加的寬，因此對(duì)于本設(shè)計(jì)來說 74HC573 更加適合 顯示模塊 顯示模塊為由 512 個(gè) 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(shù)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(yùn)行時(shí)允許的最大正向電流，在運(yùn)用二極管時(shí)反向電壓不允許大于 UR，一旦超過了這個(gè)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?qū)щ娦允浅煞幢鹊模?fM 是二極管允許的最大頻率，工作頻率是不能超過這個(gè)頻率的不然會(huì)因?yàn)榻Y(jié)電容的影響導(dǎo)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(dǎo)通時(shí)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(dǎo)通電壓，他可以看做是二極管與一個(gè)電源相串聯(lián)。 圖（ c）表示有內(nèi)阻，可等效為二極管和一個(gè)電阻 r 以及 Uon 串聯(lián)。 了解了二極管的主要參數(shù)和等效電路才能更精準(zhǔn)的對(duì)發(fā)光二極管進(jìn)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(lán)、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(nèi)部都有芯片， 燈的形狀也有不同，常見的有長(zhǎng)方形、圓形、乳型，發(fā)光二極管擁有二極管單向?qū)щ娞匦灾挥羞_(dá)到一定的電流才能發(fā)光，相對(duì)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(shí)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