【文章內(nèi)容簡介】 所示 74HC 引腳圖 。 八個(gè) 鎖存器都是透明的 D 型鎖存器，當(dāng)使能（ G）為高 電平時(shí)， Q 輸出將隨數(shù)據(jù)（ D）輸入而變。當(dāng)使能為低 電平 時(shí)，輸出將鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平上。輸出控制不影響鎖存器的內(nèi)部工作，即老數(shù)據(jù)可以保持，甚至當(dāng)輸出被關(guān)閉時(shí)，新的數(shù)據(jù)也可以置入。特別適用于緩沖寄存器， I/O 通道，雙向總線驅(qū)動器和工作寄存器。 對它的使用也比較成熟，因此在驅(qū)動部分使用了熟悉的 74HC573，其控制邏輯如圖24所示。 其優(yōu)點(diǎn)有： 。就是輸出既不是高電平 ,也不是低電平 ,而是高阻抗的狀態(tài) 。在這種狀態(tài)下 ,可以多個(gè)芯片并聯(lián)輸出。 。當(dāng) 輸入的數(shù)據(jù)消失時(shí) ,在芯片的輸出端 ,數(shù)據(jù)仍然保持。 。 加強(qiáng)驅(qū)動能力。 LE 為鎖存控制端 OE 為使能端 1 腳三態(tài)允許控制端低電平有效 1D~8D 為數(shù)據(jù)輸入端 1Q~8Q 為數(shù)據(jù)輸出端 輸入 輸出 OE′ LE D Q L H H H L H L L L L X Q0 H X X Z 6 圖 23 74HC573 引腳圖 光立方顯示電路的基本框圖 LED 光立方主要用到了 STC12C5A60S2 單片機(jī)中的 P0 口、 P2 口、 P3 口 、串行輸入輸出端以及外接晶體引線端 XTAL1 和 XTAL2。 I/O 口分配如圖 25所示。 圖 25 I/O 分配圖 P0 口作為數(shù)據(jù)輸出端，單片機(jī)控制數(shù)據(jù)傳送到 8 個(gè) 74HC573 鎖存器的輸入端，而8 個(gè) 74HC573 鎖存器輸出端分別控制一排 8 列 LED 陽極引腳。 P2 口作為數(shù)據(jù)輸出端，單片機(jī)送出數(shù)據(jù)控制使能端而實(shí)現(xiàn)鎖存器的數(shù)據(jù)輸出與鎖存，從而控制數(shù)據(jù)在某一時(shí)刻輸出到指定某一排或某幾排。 P3 口作為數(shù)據(jù)輸出端，單片機(jī)內(nèi)部輸出控制數(shù)據(jù)傳送到 ULN2803 的輸入端，進(jìn)而控制每 一層。通過 ULN2803 數(shù)據(jù)沒有發(fā)生任何變化，只是電流前后有很大差別，這時(shí)候電流將增大很多。 7 第三章 光立方顯示部分概述 光立方的制作 光立方的原理 借鑒 LED 點(diǎn)陣控制原理，將光立方可以看做是 8 個(gè) 8*8 點(diǎn)陣屏的層疊一起。點(diǎn)陣屏的顯示便是光立方一層的顯示，只要通過程序再次控制 8 個(gè)層，便可以實(shí)現(xiàn)光立方的顯示， 由于人眼的視覺暫留，使我們感覺到看到的東西是一起在亮的，這樣我們就可以看到一個(gè)完整圖像，這是本次設(shè)計(jì)的基本原理。設(shè)計(jì) 3D 圖形，需要有新的思 維方式，發(fā)現(xiàn)三維空間中點(diǎn)、線、面、體的算法規(guī)律。展示 3D 效果的超炫表現(xiàn)力，讓人享受各種視覺上的沖擊，迎合 3D 顯示時(shí)代的到來。光立方分解為 8個(gè) 8*8LED 點(diǎn)陣疊成 8 層，再用 8 個(gè)引腳來充當(dāng) 8 個(gè)點(diǎn)陣的開關(guān)。單片機(jī) P0、 P P3 實(shí)現(xiàn)控制 XYZ 空間立體控制來顯示特定圖案。 LED 燈的選用 本次設(shè)計(jì)旨在讓光立方動畫顯示更加絢麗多彩，因此使用 2*5*7 霧狀散光扁方形磨砂 LED（紅、黃、藍(lán)三種），紅和黃分別三豎排，剩余兩排用藍(lán)色 LED。這種燈型更容易看到光點(diǎn)， 以獲得更好的視覺效果。 額定電壓范圍 ~,額定電流 15~18mA,管腳長度 2729mm， 實(shí)物圖如圖 31所示： 8 圖 31 LED 實(shí)物圖 首先，要進(jìn)行 LED 燈立體矩陣的搭建。 LED 搭接過程還是比較困難的， 8*8*8=512LED，分為 8層，每層 8列，每列 8個(gè) LED 燈，列內(nèi)共陽，層內(nèi)共陰，如圖 32 所示。為使光立方外形的美觀，每一片的 LED 陣列都要求排列整齊，互相看齊，這對焊接的能力有一定的要求。 圖 32 光立方焊接示意圖 第一步：水平折彎。這個(gè)因?yàn)?LED 本身管腳上有個(gè)結(jié)，可以徒手完成。本次設(shè)計(jì)是層內(nèi)共陰，同時(shí)為 了視覺效果更好，本人將陰極管腳在水平方向折彎 90176。，并使之與LED 面垂直，如圖 33所示。同樣的方法，將 512 個(gè) LED 燈的陰極都水平折彎。為了焊接的統(tǒng)一性，在折彎的時(shí)候盡量保持角度一致。 9 圖 33 LED 水平折彎 圖 34 LED 垂直折彎 第二步：垂直折彎。可利用尖嘴鉗將 LED 燈陽極管腳向外折一次再折回原來的方向，如圖 34 所示。 這個(gè)彎 ,一定不要太大，正好露出 LED 外圍 2mm 打彎合適， LED 的正極折彎后留下的引腳長度必須大于 LED 的間距 ,以確保有足夠的重合位置以便焊接。 LED 燈上下之間焊接的時(shí)候就就會發(fā)現(xiàn)這一步是非常必要的。 LED 燈的焊接 為了方便焊接，自制簡易模具，模具孔位間隔要提前量好，保證在管腳搭接時(shí)不要太多或者不能焊接。然后按照單獨(dú) 8豎排分別焊接，每一排 8 列，如圖 35 所示。接著將折好的 LED 燈插入一列，其陰極管腳正好搭接在一起，完成焊接如圖 36 和圖 37。在這里本人發(fā)現(xiàn)有非常值得注意的一點(diǎn)，因?yàn)?LED 比較脆弱，在焊接過程中很容易因?yàn)楦邷囟鵁龤?LED 燈，對于這一點(diǎn)，應(yīng)該盡量縮短 電烙鐵接觸時(shí)間。同時(shí)為了確保每一個(gè)LED 都沒有問題，在完成一層后都要檢查是否可以點(diǎn)亮。 圖 35 LED 布局示意圖 10 圖 36 LED 焊接圖 圖 37 LED 焊接圖 顯示部分檢測 對于焊接完成的檢測這一步非常重要，如果安裝完成后再更換 LED 燈是非常麻煩的事。 分別焊接完 8豎排 LED 燈后，將每一豎排 LED 的都進(jìn)行檢查，確保每一個(gè) LED 都可以點(diǎn)亮。這里本人直接在電腦 USB 輸出口引出電源。這里值得注意一點(diǎn)， USB 輸出電源最低 (USB 轉(zhuǎn)串口 )，最高 5V 左右（本人用數(shù)字萬用表測了一次是 ）。而 LED燈壓降不超過 3V，為了因電壓過高燒毀 LED 燈，在測試之前我們可以選擇了一個(gè)適中電阻接在電源一端。 11 (a) (b) （ c） （ d） 圖 38 檢測過程 接下來將電源正極接在第一列 LED 陽極 引腳，負(fù)極端依次觸碰各行陰極管腳，觀察并記錄壞掉的 LED，如圖 381 所示。然后將電源正極接到第二列，負(fù)極端依次觸碰各行陰極管腳，如圖（ a）、（ b）、（ c）、（ d）用同樣的方法，將 8 豎排全部檢測完成。最后將更換新的 LED 燈再檢查一遍。 另外，還可以將一豎排同時(shí)點(diǎn)亮的方式進(jìn)行檢測，這樣做可能會出現(xiàn)某些 LED 燈因電流太小無法點(diǎn)亮出現(xiàn)誤判的情況。雖然逐個(gè)點(diǎn)亮這樣的檢測方式效率很慢，但可以有效避免上述誤判現(xiàn)象，防止后期發(fā)現(xiàn)給更換帶來更大的不便。在一定程度來說，這樣做也是在提高工作效率。 12 圖 39 LED 立方體焊接 最后將完成后的 8 個(gè)面進(jìn)行組成立體焊接，其方法將之前 8 個(gè)面上同一層上陰極依次焊接一起，形成層共陰，用 8 條細(xì)導(dǎo)線分別連接 8 個(gè)層與 ULN2803 輸出端相連。底層留下 64 個(gè)陽極引腳與 8 個(gè) 74HC573 輸出端分別焊接一起。如圖 39所示。 13 第四章 硬件設(shè)計(jì) 最小系統(tǒng) 單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖 41 所示，包括時(shí)鐘電路和復(fù)位電路。時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生單片機(jī)工作時(shí)必須的控制信號，單片機(jī)內(nèi)部電路正是在時(shí)鐘信號的控制下，嚴(yán)格按照時(shí)鐘時(shí)序指令進(jìn)行工作。復(fù)位電路是為了單片機(jī)初始化操作準(zhǔn)備的，同 時(shí)也是為了程序在執(zhí)行過程中出現(xiàn)跑飛后快速重新啟動。 圖 41 最小系統(tǒng) 按鍵模塊 圖 42 系統(tǒng)按鍵 K1 為確定鍵。打開電源快關(guān)后，可根據(jù) K2 和 K3 鍵選擇進(jìn)入哪種模式，如圖 42所示。如果按下 K2 按鍵，進(jìn)入音頻頻譜模式；按下 K3 按鍵時(shí)，呼吸燈亮，此時(shí)按下 14 K1 確定鍵 ,進(jìn)入程序執(zhí)行模式，開場動畫完成后會停留“ L”字界面 ,按下 K2 顯示“ E” ,兩個(gè)字母分別代表模擬音頻動畫、自動執(zhí)行模式。 功放模塊 本人使用手機(jī)耳機(jī)輸出音頻，因其輸出功率太小， 單片機(jī)在有些頻段采集不到，所以使用功放將其放大。另外外接喇叭，可以在播放音樂的同時(shí)體驗(yàn)動感的視覺效果。 這里我們采用專用功放芯片 LM386，這是專為低損耗電源所設(shè)計(jì)的功率放大器集成電路。內(nèi)部機(jī)構(gòu)如圖 43所示： 圖 43 LM386 引腳圖 功放原理圖 透過 LM386 的 1 和 8 腳位間串聯(lián)電容，增益最高可達(dá) 200，電容。 LM386 可使用電池為供應(yīng)電源， 無作動時(shí)僅消耗 4mA 電流，且失真低。功放原理圖如圖 44 所示，TBL2 為音頻接入口。 圖 44 功放電路圖 在 電路設(shè)計(jì)中，前端加一個(gè) 22uF（沒有嚴(yán)格要求）的低頻濾波電容，以便濾除帶外噪聲。 15 呼吸指示燈 采用 555 定時(shí)芯片，外接幾個(gè)電阻、電容，構(gòu)成電容充放電電路，實(shí)現(xiàn) LED 緩慢亮滅，形象稱做呼吸燈。本人在光立方底座四角各焊接一個(gè) LED 燈，在接通電源時(shí)呼吸燈閃爍，如夏日里的螢火蟲一閃一閃亮晶晶，作為電源指示燈，同時(shí)配合 LED 動畫顯示，使視覺效果趣味更佳。原理圖如圖 45 所示。 圖 45 呼吸燈原理圖 豎排控制電路 單片機(jī) P0 口同時(shí)輸出控制 8 個(gè) 74HC573 鎖存器輸入端， P2 口通過給 8 個(gè) 74HC573鎖存器 11 腳 LE 高低電平控制是否將數(shù)據(jù)輸出， 8 個(gè) CON8 分別代表 8 豎排 LED 燈。通過編程控制 P0 和 P2， 從而控制數(shù)據(jù)在某一時(shí)刻輸出到指定某一排或某幾排。原理圖如圖 46 圖一 所示，具體連接電路 46 圖二所示。 圖一 16 圖二 圖 46 豎排控制電路原理圖 光立方層控制電路 前面介紹到利用 74HC573 來控制光立方的每排（即每一個(gè)豎面），但如何控制每一豎面的某一層就需要用到層控制芯片 ULN2803 了， P0口輸出某層數(shù)據(jù)后，控制 ULN2803芯片選通該層，即可看到該層相應(yīng)的點(diǎn)的 LED 燈亮。 因光立方層內(nèi)共陰， 單片機(jī)輸出的電流信號特別小無法直接驅(qū)動大的負(fù)載，也就是不能同時(shí)驅(qū)動一層或多層 LED 燈。 ULN2803 用來功率放大的 驅(qū)動芯片 ，所以可以用ULN2803 來實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與負(fù)載的連接。單片機(jī) P3口輸出數(shù)據(jù)到 ULN2803 輸入端，經(jīng)過功率放大后輸出控制 8 個(gè) LED 層，這里 CON8 代表 LED 8 個(gè)共陰層 ,如圖 47 圖一所示，與LED 燈鏈接電路如圖 47圖二所示。 圖一 17 圖 47 光立方層控制電路 硬件電路焊接 本次硬件焊接直接使用萬用板手工完成。采用標(biāo)準(zhǔn) 間距 布滿焊盤，可根據(jù)電路結(jié)構(gòu)合理插裝元器件及連線的洞洞板。相比專業(yè) PCB 制版，萬用板具有以下優(yōu)勢：價(jià)格低廉、使用方便，不像 PCB 板出現(xiàn)電路問題時(shí)重新制版，另外比較擴(kuò)展靈活。 在焊接洞洞板之前需要準(zhǔn)備足夠的細(xì)導(dǎo)線用于走線。本人將硬件部分焊接分上下兩層，上層分布 8 個(gè) 74HC573 和一個(gè) ULN2803 以及 64 個(gè) LED 陣列插孔，下層安裝單片機(jī)、按鍵、呼吸燈模塊以及 I/O 口引出排插。每一層分正反兩面，正面元件，背面走線。 圖 49 主控布局 圖 410 主控走 線焊接 在萬用板正面安裝元器件，按照原理圖，合理擺放元件，同時(shí)將模塊電路部分放在一起，不要太過凌亂，如圖 49 所示。盡量使整體布局美觀，布線方便而且有利于在后期檢查。 主控部分線路可以實(shí)現(xiàn)無交叉分布，所以可以直接用焊錫鏈接焊盤完成走線，如圖 410所示。最后在四角分別焊接一個(gè)貼片式 LED 燈，做呼吸燈，用來電源指 18 示。 圖 411 74HC573 焊接 圖 412 光立方組裝 8 個(gè) 74HC573 鎖存器分別對應(yīng) LED 燈陣列的 8 豎排，因 此在芯片安插的時(shí)候按照一定順序擺放，如圖 411所示。 細(xì)導(dǎo)線質(zhì)地柔軟，焊接后顯得較為雜亂，所以焊接完成每一條走線的時(shí)候用萬用表測試是否斷路。最后為防止多次檢查而弄斷走線，可以用熱熔膠適當(dāng)固定一下。焊接完成后將上下兩層用四根銅柱固定。通過四個(gè)銅柱卡位，可以使排插和排針正好鑲接在一起，這樣做的好處就是方便拆卸，能夠后期檢查以及功能擴(kuò)展，如圖 41