【文章內(nèi)容簡介】 的 D 型鎖存器，當(dāng)使能（ G）為高 電平時， Q 輸出將隨數(shù)據(jù)（ D）輸入而變。當(dāng)使能為低 電平 時，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，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 ,可以多個芯片并聯(lián)輸出。 。當(dāng)輸入的數(shù)據(jù)消失時 ,在芯片的輸出端 ,數(shù)據(jù)仍然保持。 。 加強驅(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，單片機控制數(shù)據(jù)傳送到 8 個 74HC573 鎖存器的輸入端，而8 個 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，單片機送出數(shù)據(jù)控制使能端而實現(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，單片機內(nèi)部輸出控制數(shù)據(jù)傳送到 ULN2803 的輸入端，進而控制 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 點陣控制原理，將光立方可以看做是 8 個 8*8 點陣屏的層疊一起。點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 個層，便可以實現(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完整圖像，這是本次設(shè)計的基本原理。設(shè)計 3D 圖形，需要有新的 思維方式，發(fā)現(xiàn)三維空間中點、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 顯示時代的到來。光立方分解為 8個 8*8LED 點陣疊成 8 層，再用 8 個引腳來充當(dāng) 8 個點陣的開關(guān)。單片機 P0、 P P3 實現(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、藍三種），紅和黃分別三豎排，剩余兩排用藍色 LED。這種燈型更容易看到光點， 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， 實物圖如圖 31 所示： 8 圖 31 LED實物圖 首先，要進行 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 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。這個因為 LED 本身管腳上有個結(jié)，可以徒手完成。本次設(shè)計是層內(nèi)共陰，同時 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 LED 燈的陰極都水平折彎。為了焊接的統(tǒng)一性，在折彎的時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?？衫眉庾煦Q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，保證在管腳搭接時不要太多或者不能焊接。然后按照單獨 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，因為 LED比較脆弱，在焊接過程中很容易因為高溫而燒毀 LED 燈，對于這一點，應(yīng)該盡量縮 短電烙鐵接觸時間。同時為了確保每一個LED都沒有問題，在完成一層后都要檢查是否可以點亮。 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的都進行檢查，確保每一個 LED 都可以點亮。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， 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點亮的方式進行檢測，這樣做可能會出現(xiàn)某些 LED 燈因電流太小無法點亮出現(xiàn)誤判的情況。雖然逐個點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 個面進行組成立體焊接，其方法將之前 8 個面上同一層上陰極依次焊接一起，形成層共陰，用 8 條細導(dǎo)線分別連接 8 個層與 ULN2803 輸出端相連。底層留下 64 個陽極引腳與 8 個 74HC573 輸出端分別焊接一起。如圖 39 所示。 13 第四章 硬件設(shè)計 最小系統(tǒng) 單片機最小系統(tǒng)如圖 41 所示，包括時鐘電路和復(fù)位電路。時鐘電路用于產(chǎn)生單片機工作時必須的控制信號，單片機內(nèi)部電路正是在時鐘信號的控制下，嚴格按照時鐘時序指令進行工作。復(fù)位電路是為了單片機初始化操作準備的， 同時也是為了程序在執(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 鍵選擇進入哪種模式，如圖 42所示。如果按下 K2 按鍵，進入音頻頻譜模式；按下 K3 按鍵時，呼吸燈亮，此時按下 14 K1 確定鍵 ,進入程序執(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 本人使用手機耳機輸出音頻，因其輸出功率太小 ，單片機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體驗動感的視覺效果。 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)計的功率放大器集成電路。內(nèi)部機構(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 200，電容。 LM386 可使用電池為供應(yīng)電源， 無作動時僅消耗 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)計中，前端加一個 22uF（沒有嚴格要求）的低頻濾波電容，以便濾除帶外噪聲。 15 呼吸指示燈 采用 555 定時芯片，外接幾個電阻、電容，構(gòu)成電容充放電電路，實現(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 LED 燈，在接通電源時呼吸燈閃爍，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 P0 口同時輸出控制 8 個 74HC573 鎖存器輸入端， P2 口通過給 8 個 74HC573鎖存器 11 腳 LE 高低電平控制是否將數(shù)據(jù)輸出， 8 個 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 的 LED 燈亮。 因光立方層內(nèi)共陰， 單片機輸出的電流信號特別小無法直接驅(qū)動大的負載，也就是不能同時驅(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 來實現(xiàn)單片機與負載的連接。單片機 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 LED層，這里 CON8 代表 LED 8 個共陰層 ,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 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：價格低廉、使用方便，不像 PCB 板出現(xiàn)電路問題時重新制版，另外比較擴展靈活。 在焊接洞洞板之前需要準備足夠的細導(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 74HC573 和一個 ULN2803 以及 64 個 LED 陣列插孔，下層安裝單片機、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 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候按照一定順序擺放，如圖 411所示。 細導(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展，如圖 412所示。 另外，在這里值得指出的一個亮點是，本人在 LED 電源附近加了一個