蒋祥龙

【摘  要】近年来，单片机发展迅速，性价比高，其中51单片机是各种单片机中的典型。本次设计采用STC公司的12C5A60S2作为主要控制芯片控制8位的光立方，加上基本的外围电路，采用74HC573三态锁存器作为发光二极管的高电平驱动，ULN2803八路反相器作为低电平驱动，控制512颗发光二极管的亮与灭，并最终实现花色的变换。

【关键词】单片机;光立方;AT89C2051;三态锁存器

引言

本次设计采用传统的LED堆叠成三维空间，通过单片机控制512颗发光二极管形成不同图案，从而达到显示不同的动画效果的目的。设计主要内容有单片机的基本电路的选择与定性，其中控制模块采用STC12C5A60S2作為控制芯片，驱动模块采用8位锁存器作为发光二极管的阳极驱动，8位反向器作为主要的发光二极管的阴极驱动，主体模块采用512颗发光二极管排列成规则阵列形成的。

1系统方案设计

光立方系统主要由电源模块、晶振模块、复位模块、STC12C5A60S2单片机和两个驱动模块组成，如图1所示。光立方的基础是从控制8位点阵开始的，在8位点阵中每次扫描一列，同时每次对行输出一次数据就能得到一个图案。光立方则是将8个8位点阵进行空间化，采用空间扫描方式将图案显示出来。

2硬件设计与选型

（1）单片机的选择

目前，8031单片机是8位单片机中应用较广泛的一种，其代表型号是ATMEL公司的AT89系列，可广泛应用于工业测量与控制系统，根据单片机输出所带的负载是模拟型或数字型、是大电流或小电流，在满足控制条件下选择STC12C5A60S2单片机。

（2）电源的选择

电源是各种电子设备不可缺少的组成部分，它的性能直接关系到电子设备的技术指标，设备能否安全可靠地工作，由于单片机电源属于直流弱电源，必须避免强电源的干扰。供电电源采用5V直流供电，可用电源包括手机输配器、电脑USB接口或者充电宝等。

（3）锁存器驱动模块的选择

目前市场上有很多锁存器，并且有4种工作方式（串入串出、串入并出、并入串出、并入并出）。由于需要每次同时控制8组输出尽可能不产生延迟，则采用并出型;输入能够不产生延迟，能够有锁存端口、使能端口，并且满足I/O条件，可采用并入型，因此可以选择74XX573三态锁存器。

（4）反向器驱动模块的选择

根据扫描方式，最多的时候同时有64颗LED被同时点亮，若按照每颗LED电流为20mA计算，则最大的电流可达到1280mA，分在8个端口时单个端口也达到160mA，由于单片机单个端口可下拉电流最多可承受20～25mA，远低于输出需求，则需要选择可接受大电流的元器件。选择ULN2803的NPN达林顿连接晶体管阵列，每个端口可接受500mA的电流输入，

（5）复位电路

由上电复位和按键复位两种组成。上电复位主要是STC89系列单片机的高电平复位，通常是VCC和复位引脚RST之间连接一个电容，其电容值是10uF;然后RST连接一个电阻接地，这个电阻值是10KΩ，由此形成一个RC充放电回路保证单片机在上电时RST脚上有足够时间的高电平进行复位，随后回归到低电平进入正常工作状态。按键复位电路就是在复位电容C1并联一个开关，当开关按下时电容迅速放电、RST变为高电平，如图1所示。

（6）晶振振荡电路

为了便于各部分保持同步，晶振振荡电路为系统提供一个基本的时钟信号，STC89C51的振荡源的使用11.0592MHz的晶体振荡器，由于单片机内部带有振荡电路，所以外部只要连接一个晶振和两个电容即可，电容容量一般在15pF至50pF之间，如图2所示。

3 系统的安装与调试

鉴于控制要求，焊接安装前必须准备好所需要的器件，如表1所示：

阻也要用万用表确定它的阻值。（2）在焊接时，要注意焊接技巧，防止虚焊，使得电路板不能达到预期的效果。以64个LED作为一组进行焊接，在电路板反面焊接时要先设计好每条线路的分布，防止交叉无序。把每个灯的负极用导线连接在一起，单片机和驱动芯片的引脚走线可以简化电路的焊接。（3）焊接完成后，要用万用表检测每一条电路是否正常，再用5V电压给每条电路供电，确保每条电路上的灯都能亮。

STC单片机均采用串口下载的方式将编译后的*.hex（16进制算法）文件通过串口驱动下载到单片机中，传统的串口下载方式为使用MAX232串口与PC通信进行下载。本设计采用USB转TTL下载，使用CH340作为驱动与PC通信进行下载。如图3所示。

STC公司提供了专为下载的STC-ISP软件，该软件可以通过下载驱动将编译后的程序下载至单片机中。将CH340预留的TXD发送数据端口（transmit（tx）data）与单片机的RXD接受数据端口（receive（rx）data）连接。将CH340的RXD端口与单片机的TXD端口连接。GND连接单片机的GND连接。在STC—ISP软件中选择好单片机型号，COM端口，编译文件，点击下载后将单片机进行冷启动，待读条完毕后显示成功后，单片机就开始运行程序了，安装效果如图4所示。

4 结语

本次单片机光立方设计采用AT89C2051控制，可视性效果好，体积小，可拆卸方便更换，采用的设计方案，方便理解和程序可读。

参考文献：

[1]李玉光等.C语言程序设计.华南理工大学出版社，2014.

[2]高松等.单片机应用技术.哈尔滨工业大学出版社，2014.

[3]朱玉红等.单片机原理与接口技术.机械工业出版社，2018.

[4]刘守义等.单片机技术基础[M].西安电子科技大学出版社，2012