太阳能光立方的设计与制作

陈庆朋，沈怿珩

(枣庄学院光电工程学院，山东枣庄　277160)



太阳能光立方的设计与制作

陈庆朋，沈怿珩

(枣庄学院光电工程学院，山东枣庄277160)

使用雾状双色LED作为光立方的基本组成单元，设计制作LED光立方本体结构，用HTC12C5A60S2单片机进行控制，实现整个LED光立方按要求进行点亮.加入光敏太阳能电池板及蓄电池，通过光敏元件控制灯的亮灭，对人体散发微量红外线的监控达到人至灯亮、人走灯暗的效果，节约了电能，避免了能源的浪费，该设计为室内照明、室外广告牌等方面的应用提供参考.

LED光立方；HTC单片机；太阳能；光敏电阻①

0　引言

太阳能是一种新型的环保能源，“光立方”是在LED平面的基础上发展起来的太阳能新的显示技术[1-3]，将单片机与光立方太阳能技术结合起来，设计制作自动控制的智能系统、节能系统是大家追求的目标[4,5].本论文就基于单片机技术、太阳能技术设计了一款光立方LED结构用于控制灯的亮灭，起到节能环保的效果.

1　设计

1.1光立方LED电路连接

采用雾状红蓝双色超高亮长脚LED.这种LED有三个引脚，分别控制LED灯亮红灯、蓝灯以及它的负极.第一步，找到每个LED灯的负极以及控制红灯和蓝灯的正极分别对应哪一个引脚.第二步，对实验用的LED灯进行检测，确保每个LED灯都能够点亮，LED灯之间的连接.

1.2单片机与光立方底层LED的连接电路

焊接好了最底层的四列LED灯之后，依据相同的共阴极焊接方法再焊接每列四个的LED灯组12组，这些LED灯组就是组成LED光立方的二级单元.焊接完成之后，运用电源对每组LED灯组的焊接效果进行检测，避免出现虚焊.观察对应的LED灯是否被点亮，如果没有点亮，则说明此LED的负极引脚与前方LED的负极引脚在焊接过程中出现虚焊，需要重新进行焊接.在所有的LED灯组都检测无虚焊后，则进行四层LED灯之间的焊接.先找到每一列灯组控制红灯点亮和蓝灯点亮的引脚，然后根据控制相同颜色的灯的引脚连接在一起的原则进行焊接.由于垂直焊接的难度很大，不易焊接，所以制作过程中使用一块万用板及一些排针辅助固定.具体方法是先在万用板上根据需要在一段距离的排孔上安装排针，注意每个排针之间的距离要一致.之后，将两组LED灯组横向插到两支排针中，然后将两列LED灯组按照相同引脚连接的原则焊接起来.

图1　单个LED灯的处理方法

图2　万用板及排针辅助焊接光立方支架

以上步骤完成后可以在两层的基础上焊接第三层和第四层，这样焊接下来正好是16个LED ，也就是一面.

在四列四层的LED灯平面焊接完成后，就可以着手组装LED光立方了.首先，由于LED灯的亮暗由三个引脚控制，所以64个灯可以分为两组进行控制，也就是说每一层每一列的四个LED灯中，有两个可以由同一正极信号进行控制，然后再通过负极输出信号的不同来进行区分控制.根据这个思路，可以将光立方分为左右两侧，每一侧由两列四层LED灯组组成.这样，一侧LED灯组每层的8个LED灯的正极信号正好可以由单片机的8个引脚的输出信号来控制，另一侧与这一侧控制成对称关系.其次，是两列LED灯组的负极的控制连接.由于每一侧的两列灯组是由不同的引脚控制的，所以每一层中的LED灯能够由同一负极信号控制(在焊接每一层的LED灯时已经将它们的负极焊接在一起了).

1.3各层LED与单片机的连接电路

光立方的主体支架焊接完成之后，最后一步就是将光立方支架与PCB板焊接起来.这里首先说明一下PCB板上的各零件的焊接以及布线情况.焊接在PCB板上的零件包括：40P芯片底座(安放单片机)、11.0592M晶振(单片机计时)、4个5MM七彩LED、4个1K电阻(为七彩LED灯分压)、DC005座(DC005线插口，用于联通电源)、2个22P瓷片电容、25V470UF电解电容.

接下来是PCB板的布线情况：

整个PCB板电路连接的如上图3，板子上每个排母左侧写B+的焊接的是双色LED的蓝色正极，R+焊接的是双色LED的红色正极，然后根据PCB板上的标注将光立方支架最底层的LED灯的引脚插入相应孔中并焊接完成.第二步是设置层控制.根据单片机的端口设置，本设计将P2.0-P2.7设为层控制线，因为两侧的LED灯组的控制是由同一正极的信号控制的，所以其负极必须有不同的负极信号进行控制.左侧最顶层(也就是第4层)的共阴极层控制线为P2.0，左侧第2层的共阴极层控制线为P2.1，左侧第3层的共阴极层控制线为P2.2，左侧第4层(也就是最底层)的共阴极层控制线为P2.3，右侧最顶层(也就是第4层)的共阴极层控制线为P2.4， 右侧第3层的共阴极层控制线为P2.5，右侧第2层的共阴极层控制线为P2.6，右侧第1层(也就是最底层)的共阴极层控制线为P2.7.设置完成之后，就可以根据设置用电线将相应的控制端口与LED灯层的负极连接起来了.最后，在单片机底座上插上STC12C5A60S2单片机，则光立方的硬件部分至此全部组装完成.

图3　PCB板布线图　　　　　　图4　焊接完成的光立方实物图

根据PCB板及LED灯的整个连接情况，绘制电路图如下：

1.4光控模块的电路设计

本模块设计主要采用光敏电阻串联一个滑动变阻器进行分压.该模块的基本原理：白天，光照较强；光敏电阻阻值较小,与电阻比较分压较小，单片机P1.0口电压采样.通过单片机内部自带的AD转换功能，进行数模转换，比较每次采样的数值不同来判断灯的开与关.

1.5控制模块电路设计

该模块主要使用热释电红外处理芯片LP0001输出信号控制；该模块的工作原理：当同时满足有人体红外信号与满足光信号时，即单片机的P2.4口检测到低电平，同时P1.0口采样得到的数值同时满足通过程序是单片的另一端口P2.0输出低电平作为驱动，控制继电器的通断来控制灯的开关.当红外人体检测模块、光控模块同时满足所设置条件时继电器工作控制外围灯亮，之后如不满足发光条件，继电器断开，灯不亮.如满足条件继电器控制灯继续点亮.

2　系统程序设计

2.1LED光立方点亮控制部分的程序设计

对于光立方的整体程序设计思路，首先是对单片机的各个引脚进行定义，本设计在硬件设计阶段已经对单片机的引脚信号与每个LED灯的亮灭建立了线性的联系，具体的设置如表1：首先单片机的P0端口控制光立方LED的蓝光部分的亮灭，对于P0口的8个引脚(P0.0—P0.7)控制两个相对称的LED灯.

图5　整体电路图

图6　LED光立方程序设计流程图

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，设置P3口控制LED灯的红光部分的亮灭，P3口的8个引脚(P3.0—P3.7)控制如表2控制线，单片机的输出信号称为层控制信号.层控制信号由P2端口(P2.0-P2.7)输出，其具体的端口控制如下表3(具体的LED灯位置参见上图)

表2　P3端口控制接口表

：

表3　P2端口控制接口表

单片机CPU要实现与外部设备进行交流时，要在程序中使用中断方式、查询方式或无条件方式，本设计采用的是中断方式.如何控制LED灯的亮与灭，设计对LED光立方的所有LED灯采用共阴极接法(下方四个七彩LED采用共阳极接法)，所以当需要让LED灯亮哪种颜色的灯时，就将控制那个灯亮这种颜色的引脚置0，另一个则置1，负极也置1，就能发出需要的颜色的光了.所以，只要在程序运用数组对每一个端口的输出电位进行设置，并在每一次执行数组程序之后加上一定的延时程序即可.第四则是如何能够控制LED灯光立方依据自身的结构优势来变化出更多的效果，本设计采用了对多个程序进行合并，并在主程序和开头对每个程序所用到的符号进行定义，使程序能够按照顺序依次执行.最终实现整个光立方的多种变换.

2.2供电控制系统工作效果

电路初始状态如图8，开关位于电路左上方，位于电路中间位置的为电路的核心—热释电红外处理芯片LP0001，用于对光敏电阻及人体感应模块的状态进行采样、分析，满足所有条件之后输出一个低电平，继电器开关闭合，给光立方供电.

电源接通，用遮挡物遮住光敏电阻模拟晚上，同时人体感应模块接收到人体感应信号，作为光源的发光二极管发出强光，如图8所示

图7　电路初始状态

图8　夜晚感应到人体信号时，电路工作状态

4　结论

LED光立方显示各种点亮效果、能够实现太阳能电池板对光立方的供电.文中依据以上功能，设计了硬件与整体电路，并根据硬件与整体电路设计了相应的程序部分. 利用 STC12C5A60S2单片机的引脚输出信号完成了对LED光立方的控制，根据程序实现LED灯的各种点亮模式.运用太阳能电池板给光立方供电，并运用太阳能电池板自带的光敏元件实现光立方的亮度控制.

[1]楼然苗.51 系列单片机设计实例[M].北京:北京航空航天出版社,2003,3:56-59.

[2]唐俊翟.单片机原理与应用[M].北京:冶金工业出版社,2003,9:79-98.

[3]刘瑞新.单片机原理及应用教程[M].北京:机械工业出版社,2003,7:23-55.

[4]吴国经.单片机应用技术[M].北京:中国电力出版社,2004,1:67-77.

[5]李全利,迟荣强.单片机原理及接口技术[M].北京:高等教育出版社,2004,1:45-59.

[责任编辑：闫昕]

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

枣庄学院“光电科学与技术”创新团队(项目编号：4350308)；枣庄学院教改重点项目(项目编号：1021402)；枣庄学院2016年大学生SRT项目(项目编号：2016003).

陈庆朋(1961-)，男，山东枣庄人，枣庄学院光电工程学院教授，博士，主要从事光电科学与技术方面的研究.

O657.32

A

1004-7077(2016)05-0084-06