很早之前就想要自制一个光立方，网上有很多4x4x4和8x8x8的例子，但是通过研究发现网上的作品都是需要74hc573锁存器的，比如说8x8x8的光立方，层控制需要一组8个引脚，列控制就需要8x8=64个引脚，单片机肯定没有那么多引脚，只能通过锁存器进行扩展引脚，64个引脚就需要8个74hc573进行连接，如果是自己焊接的话必然会出现大量杂乱的导线飞线，不美观，也失去了光立方的观赏性。同样，4x4x4的光立方正常连接需要16个或20个引脚，则需要20dip以上的单片机，同样小巧的4x4x4接个大号单片机也不太美观。 所以我就突发奇想，基于光立方的显示原理，设计了通过一个三极管将一个控制端分为两列控制，这样就能够通过两个轴向的端口控制阵列中所有的灯。四个灯的简易原理图如下图所示，P0.0,P0.1,P2.0,P2.1这4个引脚就可以控制4个灯的单独亮起，延伸为8x8的情况，使用64个NPN型三极管，就可以使64列led通过两组共16引脚控制，同时考虑到使用贴片型三极管体积会非常小，放置在灯座背面也不碍眼。
上图中，P1端接led的正极，如果为1（下面假设高电位5v为1，低电位0v为0），则此列led有可能会亮，如果为0，则led不可能会亮；P2端接NPN型三极管的E端，通过能使led亮的电流必然会经过三极管的C，E端口，如果E端为1，则led不可能会亮，如果为0，则led有可能会亮；P0端接NPN型三极管的B端，这里没有加限流电阻是因为单片机的标准IO口本身就有上拉阻值，这样无论IO为1为9都不会对IO口或者三极管造成损害，如果为1，则三极管导通，led有可能会亮，如果为0，三极管截止，led不可能会亮。
综上所述，将P1端为强上拉之后，想要使单个led亮起，则对应的引脚P1必须为1，P0为1，P2为0，其他情况都不会使led亮，这就保证了每个led对应一种端口状态，每个ed都能单独亮起，满足制作灯阵的条件。
单片机所使用的电源为5v，但led并没有连接限流电阻，这是基于下列四个方面的考虑：
1，单片机引脚最大输送电流为20ma，并不会对led造成损坏。
2，三极管导通时也会有最大电流的限制，Vce会进行分压。
3，光立方显示的时候led并不会一直通电，而是以扫描的方式轮流通电，对于应该亮起的led来说，导通的电流就相当于pwm波，占空比非常低，平均下来电压根本不会对led造成损坏。
4，设计此结构光立方就是为了减少外部元件，增加美观性，减小焊接难度而设计的，不加电阻更符合要求。
基于上述理论，我先焊接出了4x4x4的光立方进行测试，焊接完成写完扫描函数的时候，光立方成功的亮起，内心是喜悦的，至少证明了这种设计是可行的，最后有实拍图展示。
硬件的搭建之后就是软件的编写，通过不停的实验测试，进行程序优化，减少无用的代码，设计呼吸渐变的效果，最终编写出大约2分钟的动画效果。
在设计此光立方之前，最大的担心就是怕led的亮度不够高，因为单个led亮起的时间最大为1/64个扫描循环周期，8x8x8的光立方则为1/512的亮起时间，以为亮度会非常暗，所以也设想了一套补救方案，就是利用高压驱动，在led的正极再接入一个PNP三极管，E极接高压比如9v，12v，原先的强上拉直接控制变成三极管的B极控制，希望通过加高电压弥补导通占空比低的缺陷。看来实际5v就可以满足正常亮度。
由于led是高频通电亮起的，担心由于扫描函数过长造成人眼能识别的闪烁，考虑在每个led并联一个电容，同时也能避免瞬间给led接入高压造成led损坏，起到一个缓冲电压的作用，但实际效果并不理想，在尝试性并联一个电容后，led会变得比正常暗很多，没有起到效果，且得不偿失。造成这种现象的原因我推测是：假设led正常发光是2v电压，在不接电容的情况下，led有时导通在2v以上正常发光，有时不发光；而接上电容之后，开始发光时会对电容充电，导致两端电压较低，低于2v发比较暗的光，结束通电后希望led能继续延时发光一段时间，但实际电容所给的电压很快低于2v导致无法发光。总的来说，不接电容时所有能量都给了发光的led，接上电容后有相当一部分能量给了不能发光的led上。
还好现在光立方是正常的，但是在写程序的时候发现一个变量无法确定最优值，那就是扫描函数中单led亮起的时间，这个时间不能太大也不能太小，太小会导致单led的占空比更小，亮度变低，如果太大会使整个显示函数过长，同个led两次亮起时间间隔太大，也会造成亮度变低，同时会造成动画刷新过慢，出现频闪现象，。所以这个延时的取值对整个光立方显示效果至关重要。
所以我就对延时取值和亮度的关系做了一系列实验，对全部灯都亮，一半的灯亮，4个灯亮三种情况的不同延时对应的光强进行了实验并记录。实验数据和图表如下图：
由折线图可以看出大约设定在25个空函数时，光强达到最大值。这一个延时的值对扫描函数的总时长影响不大，所以可以采用作为延时这个参量。
全文完，下次会搭建出8x8x8的光立方进行测试（已经搭建成功 传送门），下面是本次光立方的展示图片。
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