彩燈——光立方入門

　　8*8*8光立方非常經典地體現出彩燈工作原理，符合面向新手教程的理念。其餘彩燈模型均可在其基礎進行發光二極體的擴充、切削等，所以在本篇推文著重介紹8*8*8光立方的製作方法。

　　文章面向新手，以易於理解為主，行文淺顯難免疏漏與嚴謹欠佳，如有不妥之處請後臺留言，我們核實後將會做出改進，謝謝。

　　一、製作8*8*8光立方材料清單：

　　1、 發光二極體（單一顏色或七彩變幻）

　　2、 主控電路（含單片機及其周邊電路）

　　3、 ULN2803達林頓電晶體

　　4、 74HC573鎖存器

　　5、 電池、電池座

　　6、 飛線、杜邦線

　　7、 萬用板

　　8、 40P鎖緊座

　　二、輔助工具

　　1、電烙鐵、烙鐵架、錫線、高溫海綿、松香

　　2、尖頭鉗、鑷子、斜口鉗

　　3、萬用電錶

　　4、單片機開發板

　　Tip：當你獲取以上所有材料與工具之後，開始動手做是進步最快的途徑。

　　如果你找不到上述材料與工具時，可到其他隊伍蹭材料，在交流的過程中你可能會收穫友誼。

　　01

　　光立方的工作原理

　　8*8*8光立方是由512個發光二極體按照立方體的方式搭建焊接起來的，有層共陰束共陽和層共陽束共陰兩種方案，每一層有8*8個發光二極體，共8層。

　　下面以3*3的的發光二極體層示意圖為例，體現對每個燈的控制方法，假設列向為陽極，行向為陰極，則有：

　　由人眼的視覺暫留原理，快速動態掃描整個點陣，便能夠顯示出圖案(可參考單片機對數碼管的控制原理)。就是說對於一個8*8的光立方層，假設我們我們一次只能亮起1個燈，以64一個周期快速循環起來，就能看到完整的層平面圖像。

　　同理對於一共有 8 層的對光立方，將橫向一層的陰極連在一起，而縱向一束的陽極連在一起(層共陰束共陽)。從掃描的角度去說，一次也只能夠點亮一層。這裡光立方的一層有 64 個燈，我們可以想成之前那個 8*8 的平面點陣：光立方的每一層雖然有 64個燈，但是我們會有 64 跟線分別連接到這些燈上，從而實現一次性的對 64 個燈進行控制，將一個在光立方上要顯示的立體畫面從上往下分為 8 層，每次掃面一層這樣一副立體動畫就完成了。

　　02

　　LED燈珠焊接

　　（圖片來源BliBili:https://www.bilibili.com/video/av9063526/）

　　第一步：在一塊硬紙板上鑽64個孔用於放置LED燈。

　　第二步：將8隻LED燈的陰極剪去，然後倒插在第一列的硬紙板上，然後將剩下的孔插滿LED燈，注意需要方向一致。

　　第三步：將每一行LED燈的陰極引腳彎折90度，如圖所示 。

　　第四步：將前後兩個燈的陰極引腳焊在一起，焊完到數量後可以用萬用表的蜂鳴檔檢查發光二極體是否正常發光。

　　第五步：重複第三步，將LED燈的陽極引腳彎折90度，再重複第四步將各列的陽極焊在一起，焊好後可以用萬用表檢測發光二極體是否正常發光。

　　第六步：重複上述步驟得到8層LED面，在焊LED燈的時候需要細心和耐心，LED燈不能長時間接觸烙鐵頭，否則易燒毀LED燈。同時要階段性進行檢查，確認發光二極體是否正常發光與電路是否短路、開路。

　　03

　　電路結構

　　主控晶片：

　　可以採用51系列的STC12C5A60S2單片機作為主控晶片，其主要優點有無法解密，超強抗幹擾，內部集成高可靠復位電路，外部復位可用可不用，速度比8051快8-12倍等。

　　驅動電路：

　　採用ULN2803達林頓電晶體，1 至 8腳為8路輸入，18 到 11腳為8路輸出。驅動能力 500MA \50V。因為整個光立方體由512個LED燈組成，所需電流也較大，並且一片晶片就能等效8個三極體的作用，大大縮小元器件佔用空間。

　　鎖存器電路：

　　採用74HC573，這類八通道D型鎖存器具有專為驅動高電容或相對低阻抗負載而設計的3態輸出。它們特別適用於實現緩衝寄存器，I / O埠，雙向總線驅動器和工作寄存器。

　　STC12C5A60S2單片機引腳較少，我們採用 74hc593 晶片進行引腳擴展。

　　鎖存器的工作原理為當鎖存使能（LE）輸入為高電平時，Q輸出響應數據（D）輸入。當LE為低電平時，輸出被鎖存以保留設置的數據。可以使用緩衝輸出使能（OE）輸入將八個輸出置於正常邏輯狀態（高或低邏輯電平）或高阻抗狀態。在高阻抗狀態下，輸出不會顯著地加載或驅動總線。高阻抗狀態和增加的驅動器提供無需接口或上拉組件來驅動總線的功能。OE不影響鎖存器的內部操作。當輸出處於高阻態時，可以保留舊數據或輸入新的數據。

　　7805三端穩壓器：

　　我們的STC12C5A60S、74HC573、UNL2803晶片應採用5V電壓輸入，兩節18650電池為7.4V，7.4V的電壓要想輸出5V，則需要使用低壓差的穩壓集成塊，這裡使用7805三端穩壓集成電路，顧名思義，三端IC是指這種穩壓用的集成電路，只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。

　　發光二極體：

　　電池、電池座：

　　電池筆者推薦使用18650鋰電池與配套電池座，記得買充電器。

　　杜邦線：

　　主要是母對母、公對公、母對公三種，用於模塊與模塊之間的連接。

　　電烙鐵：

　　尖頭鉗、鑷子、斜口鉗：

　　萬用電錶：

　　單片機開發板：

　　萬用板、40P鎖緊座：

　　選擇好晶片後就可以按照電路圖焊接電路，ULN2803A接線原理圖、三端穩壓電路與單片機最小系統原理圖如下：

　　UNL2803輸出口是OUT1~OUT8，接光立方的共陰極，輸出前先加一個220歐的電阻，輸入口是IN1~IN8，這8個引腳接到單片機的P1.0~P1.7口。

　　將各個74HC573的D1~D8並聯焊接在一起，然後再接到單片機的P0.0~P0.7埠。

　　各個Q1~Q8按照順序分別連接每束髮光二極體的共陽極，即焊接在電路板上的光立方引腳。LE引腳則分別接到單片機的P2.0~P2.7。

　　04

　　結語