陳慶朋，沈懌珩

(棗莊學院光電工程學院，山東棗莊　277160)

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太陽能光立方的設計與制作

陳慶朋，沈懌珩

(棗莊學院光電工程學院，山東棗莊277160)

使用霧狀雙色LED作為光立方的基本組成單元，設計制作LED光立方本體結(jié)構(gòu)，用HTC12C5A60S2單片機進行控制，實現(xiàn)整個LED光立方按要求進行點亮.加入光敏太陽能電池板及蓄電池，通過光敏元件控制燈的亮滅，對人體散發(fā)微量紅外線的監(jiān)控達到人至燈亮、人走燈暗的效果，節(jié)約了電能，避免了能源的浪費，該設計為室內(nèi)照明、室外廣告牌等方面的應用提供參考.

LED光立方；HTC單片機；太陽能；光敏電阻①

0　引言

太陽能是一種新型的環(huán)保能源，“光立方”是在LED平面的基礎上發(fā)展起來的太陽能新的顯示技術[1-3]，將單片機與光立方太陽能技術結(jié)合起來，設計制作自動控制的智能系統(tǒng)、節(jié)能系統(tǒng)是大家追求的目標[4,5].本論文就基于單片機技術、太陽能技術設計了一款光立方LED結(jié)構(gòu)用于控制燈的亮滅，起到節(jié)能環(huán)保的效果.

1　設計

1.1光立方LED電路連接

采用霧狀紅藍雙色超高亮長腳LED.這種LED有三個引腳，分別控制LED燈亮紅燈、藍燈以及它的負極.第一步，找到每個LED燈的負極以及控制紅燈和藍燈的正極分別對應哪一個引腳.第二步，對實驗用的LED燈進行檢測，確保每個LED燈都能夠點亮，LED燈之間的連接.

1.2單片機與光立方底層LED的連接電路

焊接好了最底層的四列LED燈之后，依據(jù)相同的共陰極焊接方法再焊接每列四個的LED燈組12組，這些LED燈組就是組成LED光立方的二級單元.焊接完成之后，運用電源對每組LED燈組的焊接效果進行檢測，避免出現(xiàn)虛焊.觀察對應的LED燈是否被點亮，如果沒有點亮，則說明此LED的負極引腳與前方LED的負極引腳在焊接過程中出現(xiàn)虛焊，需要重新進行焊接.在所有的LED燈組都檢測無虛焊后，則進行四層LED燈之間的焊接.先找到每一列燈組控制紅燈點亮和藍燈點亮的引腳，然后根據(jù)控制相同顏色的燈的引腳連接在一起的原則進行焊接.由于垂直焊接的難度很大，不易焊接，所以制作過程中使用一塊萬用板及一些排針輔助固定.具體方法是先在萬用板上根據(jù)需要在一段距離的排孔上安裝排針，注意每個排針之間的距離要一致.之后，將兩組LED燈組橫向插到兩支排針中，然后將兩列LED燈組按照相同引腳連接的原則焊接起來.

圖1　單個LED燈的處理方法

圖2　萬用板及排針輔助焊接光立方支架

以上步驟完成后可以在兩層的基礎上焊接第三層和第四層，這樣焊接下來正好是16個LED ，也就是一面.

在四列四層的LED燈平面焊接完成后，就可以著手組裝LED光立方了.首先，由于LED燈的亮暗由三個引腳控制，所以64個燈可以分為兩組進行控制，也就是說每一層每一列的四個LED燈中，有兩個可以由同一正極信號進行控制，然后再通過負極輸出信號的不同來進行區(qū)分控制.根據(jù)這個思路，可以將光立方分為左右兩側(cè)，每一側(cè)由兩列四層LED燈組組成.這樣，一側(cè)LED燈組每層的8個LED燈的正極信號正好可以由單片機的8個引腳的輸出信號來控制，另一側(cè)與這一側(cè)控制成對稱關系.其次，是兩列LED燈組的負極的控制連接.由于每一側(cè)的兩列燈組是由不同的引腳控制的，所以每一層中的LED燈能夠由同一負極信號控制(在焊接每一層的LED燈時已經(jīng)將它們的負極焊接在一起了).

1.3各層LED與單片機的連接電路

光立方的主體支架焊接完成之后，最后一步就是將光立方支架與PCB板焊接起來.這里首先說明一下PCB板上的各零件的焊接以及布線情況.焊接在PCB板上的零件包括：40P芯片底座(安放單片機)、11.0592M晶振(單片機計時)、4個5MM七彩LED、4個1K電阻(為七彩LED燈分壓)、DC005座(DC005線插口，用于聯(lián)通電源)、2個22P瓷片電容、25V470UF電解電容.

接下來是PCB板的布線情況：

整個PCB板電路連接的如上圖3，板子上每個排母左側(cè)寫B(tài)+的焊接的是雙色LED的藍色正極，R+焊接的是雙色LED的紅色正極，然后根據(jù)PCB板上的標注將光立方支架最底層的LED燈的引腳插入相應孔中并焊接完成.第二步是設置層控制.根據(jù)單片機的端口設置，本設計將P2.0-P2.7設為層控制線，因為兩側(cè)的LED燈組的控制是由同一正極的信號控制的，所以其負極必須有不同的負極信號進行控制.左側(cè)最頂層(也就是第4層)的共陰極層控制線為P2.0，左側(cè)第2層的共陰極層控制線為P2.1，左側(cè)第3層的共陰極層控制線為P2.2，左側(cè)第4層(也就是最底層)的共陰極層控制線為P2.3，右側(cè)最頂層(也就是第4層)的共陰極層控制線為P2.4， 右側(cè)第3層的共陰極層控制線為P2.5，右側(cè)第2層的共陰極層控制線為P2.6，右側(cè)第1層(也就是最底層)的共陰極層控制線為P2.7.設置完成之后，就可以根據(jù)設置用電線將相應的控制端口與LED燈層的負極連接起來了.最后，在單片機底座上插上STC12C5A60S2單片機，則光立方的硬件部分至此全部組裝完成.

圖3　PCB板布線圖　　　　　　圖4　焊接完成的光立方實物圖

根據(jù)PCB板及LED燈的整個連接情況，繪制電路圖如下：

1.4光控模塊的電路設計

本模塊設計主要采用光敏電阻串聯(lián)一個滑動變阻器進行分壓.該模塊的基本原理：白天，光照較強；光敏電阻阻值較小,與電阻比較分壓較小，單片機P1.0口電壓采樣.通過單片機內(nèi)部自帶的AD轉(zhuǎn)換功能，進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，比較每次采樣的數(shù)值不同來判斷燈的開與關.

1.5控制模塊電路設計

該模塊主要使用熱釋電紅外處理芯片LP0001輸出信號控制；該模塊的工作原理：當同時滿足有人體紅外信號與滿足光信號時，即單片機的P2.4口檢測到低電平，同時P1.0口采樣得到的數(shù)值同時滿足通過程序是單片的另一端口P2.0輸出低電平作為驅(qū)動，控制繼電器的通斷來控制燈的開關.當紅外人體檢測模塊、光控模塊同時滿足所設置條件時繼電器工作控制外圍燈亮，之后如不滿足發(fā)光條件，繼電器斷開，燈不亮.如滿足條件繼電器控制燈繼續(xù)點亮.

2　系統(tǒng)程序設計

2.1LED光立方點亮控制部分的程序設計

對于光立方的整體程序設計思路，首先是對單片機的各個引腳進行定義，本設計在硬件設計階段已經(jīng)對單片機的引腳信號與每個LED燈的亮滅建立了線性的聯(lián)系，具體的設置如表1：首先單片機的P0端口控制光立方LED的藍光部分的亮滅，對于P0口的8個引腳(P0.0—P0.7)控制兩個相對稱的LED燈.

圖5　整體電路圖

圖6　LED光立方程序設計流程圖

P0.0控制J1、J5P0.1控制J17、J8P0.2控制J9、J18P0.3控制J10、J19P0.4控制J3、J4P0.5控制J11、J14P0.6控制J12、J15P0.7控制J13、J16

同理，設置P3口控制LED燈的紅光部分的亮滅，P3口的8個引腳(P3.0—P3.7)控制如表2控制線，單片機的輸出信號稱為層控制信號.層控制信號由P2端口(P2.0-P2.7)輸出，其具體的端口控制如下表3(具體的LED燈位置參見上圖)

表2　P3端口控制接口表

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表3　P2端口控制接口表

單片機CPU要實現(xiàn)與外部設備進行交流時，要在程序中使用中斷方式、查詢方式或無條件方式，本設計采用的是中斷方式.如何控制LED燈的亮與滅，設計對LED光立方的所有LED燈采用共陰極接法(下方四個七彩LED采用共陽極接法)，所以當需要讓LED燈亮哪種顏色的燈時，就將控制那個燈亮這種顏色的引腳置0，另一個則置1，負極也置1，就能發(fā)出需要的顏色的光了.所以，只要在程序運用數(shù)組對每一個端口的輸出電位進行設置，并在每一次執(zhí)行數(shù)組程序之后加上一定的延時程序即可.第四則是如何能夠控制LED燈光立方依據(jù)自身的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢來變化出更多的效果，本設計采用了對多個程序進行合并，并在主程序和開頭對每個程序所用到的符號進行定義，使程序能夠按照順序依次執(zhí)行.最終實現(xiàn)整個光立方的多種變換.

2.2供電控制系統(tǒng)工作效果

電路初始狀態(tài)如圖8，開關位于電路左上方，位于電路中間位置的為電路的核心—熱釋電紅外處理芯片LP0001，用于對光敏電阻及人體感應模塊的狀態(tài)進行采樣、分析，滿足所有條件之后輸出一個低電平，繼電器開關閉合，給光立方供電.

電源接通，用遮擋物遮住光敏電阻模擬晚上，同時人體感應模塊接收到人體感應信號，作為光源的發(fā)光二極管發(fā)出強光，如圖8所示

圖7　電路初始狀態(tài)

圖8　夜晚感應到人體信號時，電路工作狀態(tài)

4　結(jié)論

LED光立方顯示各種點亮效果、能夠?qū)崿F(xiàn)太陽能電池板對光立方的供電.文中依據(jù)以上功能，設計了硬件與整體電路，并根據(jù)硬件與整體電路設計了相應的程序部分. 利用 STC12C5A60S2單片機的引腳輸出信號完成了對LED光立方的控制，根據(jù)程序?qū)崿F(xiàn)LED燈的各種點亮模式.運用太陽能電池板給光立方供電，并運用太陽能電池板自帶的光敏元件實現(xiàn)光立方的亮度控制.

[1]樓然苗.51 系列單片機設計實例[M].北京:北京航空航天出版社,2003,3:56-59.

[2]唐俊翟.單片機原理與應用[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2003,9:79-98.

[3]劉瑞新.單片機原理及應用教程[M].北京:機械工業(yè)出版社,2003,7:23-55.

[4]吳國經(jīng).單片機應用技術[M].北京:中國電力出版社,2004,1:67-77.

[5]李全利,遲榮強.單片機原理及接口技術[M].北京:高等教育出版社,2004,1:45-59.

[責任編輯：閆昕]

The Design and Manufacture of Solar Light Cube

CHENG Qing-peng，SHEN Yi-Heng

(School of Opto-Electronc Engineering, Zaozhuang University, Zaozhuang 277160,China)

As the first step of the design, a LED light cube structure will be made. Two-colored mist shape LED will be used as fundamental unit of the light cube. Then , an STC12C5A60S2 microcontroller will be added to it. By using it to control the LED, it is possible to light the whole light cube as demanded. Besides, a light - dependent solar cell panel and battery will be used, and through the photosensitive element machine control the lamp bright lights, by distributed on the human body infrared trace monitoring can achieve the effect to lights, lights go dark, can achieve energy saving purposes, to avoid the waste of energy.These make it has an prospect that It can be widely used in indoors lighting and outdoor advertisement board.

LEDlight cube；STC12C5A60S2microcontroller ；solar energy；photosensitive resistance

2016-08-10

棗莊學院“光電科學與技術”創(chuàng)新團隊(項目編號：4350308)；棗莊學院教改重點項目(項目編號：1021402)；棗莊學院2016年大學生SRT項目(項目編號：2016003).

陳慶朋(1961-)，男，山東棗莊人，棗莊學院光電工程學院教授，博士，主要從事光電科學與技術方面的研究.

O657.32

A

1004-7077(2016)05-0084-06