一种基于双色发光二极管的三色光立方教具

本技术涉及教育，尤其涉及一种基于双色发光二极管的三色光立方教具。

背景技术：

1、随着信息技术和产业革命的深入发展，视觉显示媒体技术也获得了极大发展，光立方被广泛应用于文字、游戏娱乐、图像动态显示、教学呈现等应用开发中，并在投影仪、电影放映机、二维码扫描、商业广告中使用，为观众提供了良好的视觉及交互体验。光立方的运行原理包含光学原理、发光二极管(led)驱动原理、数字通讯原理、编程原理等内容，富有科学知识和精神。同时光立方凭借其逼真的视觉呈现效果和沉浸式体验技术将在数字化教育领域中发挥重要作用，如在中小学实验室的模拟实验器材、应急安全教育、历史情境体验教育、博物馆教育、图像展览教育等。现有关于光立方的技术探讨了光立方的硬件系统、驱动电路、控制系统、焊接模具等。其驱动电路主要为8×8×8个发光二极管组成的点阵列光立方、面驱动电路、层驱动电路等。控制系统有多种，如基于stc单片机、stm32单片机、51单片机、arduino、at89c52、fpga、ht1632c、zigbee等建立的控制系统。其焊接模具通常由外框支架和多条列定位条组成。其软件设计多包括按键程序、主程序、显示程序等。其色彩多为单色或rgb三色并可调节其亮度和色度。此外还融合了蓝牙技术、usb接口、wifi模块、音乐、游戏等内容实现视觉、听觉等互动功能的同时存在，以提升用户体验感。

2、现有光立方技术在教学应用方面存在以下不足：

3、1.有关文献(doi:10.19353/j.cnki.dzsj.2018.07.112)、有关文献(doi:10.13398/j.cnki.issn1673-260x.2016.15.022)、有关文献(doi:10.16184/j.cnki.comprg.2015.11.037)和申请公开的实用新型专利(201520058526.5)介绍了一种基于单色led的光立方装置。由于采用单色的led，对每个led来说只能实现单色调节，无法实现炫彩led的效果。

4、2.有关文献(doi:10.15966/j.cnki.dnydx.2019.09.014)、申请公开的发明专利(202010119131.7，公告号cn211481554u)、申请公开的实用新型专利(202020211497.2)和申请公开的实用新型专利(201520369466.9)中都介绍了一种亮度和色度可调的组合式3drgb led光立方装置，需要针对每个led进行三种pwm型驱动，并且要涉及开关时间上的调节。则需要较为复杂的驱动电路和控制算法，对控制器的pwm引脚有很高的要求，因此其扩展性不高，且不利于以低成本和简单易行的方式进行大规模教学推广。

技术实现思路

1、为此，本实用新型提供一种基于双色发光二极管的三色光立方教具，用以克服现有技术中驱动电路和控制算法复杂，不利于以低成本实现大规模教学推广的问题。

2、为实现上述目的，本实用新型提供一种基于双色发光二极管的三色光立方教具，包括由若干双色发光二极管构成的光立方单元、开关型驱动电路、微控制器和教学上位机，其中

3、所述双色发光二极管内部封装了两个不同颜色的发光二极管，并且两种不同颜色的发光二极管组合能够产生第三色；

4、所述光立方单元由n行、n列、n层双色发光二极管组成，且n行和n列的双色发光二极管组成n×n的发光二极管面，其中n≥2；

5、所述开关型驱动电路仅包含on/off两种状态切换，包含开关型层驱动电路和开关型面驱动电路，所述开关型层驱动电路的驱动通道数量大于等于n，所述开关型面驱动电路的驱动通道数量大于等于2n×n；

6、所述开关型层驱动电路和面驱动电路为高端驱动电路和低端驱动电路的组合，一种为高端驱动电路，另一种为与之匹配的低端端驱动电路，具有互换性，其对应的所述双色发光二极管为共阴极双色发光二极管或者共阳极双色发光二极管；

7、所述微控制器通过数字通信与所述开关型层驱动电路和所述开关型面驱动电路相连接；

8、所述微控制器通过数字通信与教学上位机相连接。

9、进一步地，若干所述双色发光二极管为共阴极双色发光二极管。

10、进一步地，若干所述双色发光二极管为共阳极双色发光二极管。

11、进一步地，所述开关型层驱动电路为低端驱动电路，所述开关型面驱动电路为高端驱动电路，对应所述共阴极双色发光二极管；所述开关型层驱动电路为基于74hc595芯片结合mosfet或者三极管的下拉电路的低端驱动电路；所述开关型面驱动电路为基于74hc595芯片的高端驱动电路。

12、进一步地，所述开关型层驱动电路为高端驱动电路，所述开关型面驱动电路为低端驱动电路，对应所述共阳极双色发光二极管；所述开关型层驱动电路为基于74hc595芯片的高端驱动电路；所述开关型面驱动电路为基于74hc595芯片结合mosfet或者三极管的下拉电路的低端驱动电路。

13、进一步地，所述微控制器与所述开关型层驱动电路和所述开关型面驱动电路的数字通讯为串行通信或并行通信。

14、进一步地，所述微控制器与所述开关型层驱动电路和所述开关型面驱动电路的数字通讯共用通信总线。

15、进一步地，所述微控制器与所述开关型层驱动电路和所述开关型面驱动电路的数字通讯不共用通信总线。

16、进一步地，所述微控制器与教学上位机的数字通讯为串行通信或并行通信。

17、进一步地，所述教学上位机展示光学原理、发光二极管驱动原理、数字通信原理、编程原理、视觉暂留效应至少其中一种教学内容。

18、与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于，本实用新型提供一种具有自身特色的基于双色发光二极管的三色光立方教具，使得每个二极管发光点可产生三种颜色，总体呈现出光立方的炫彩效果。进一步地，本实用新型使用双色发光二极管有别于三色rgb发光二极管，该双色发光二极管内部封装了两个不同颜色的发光二极管，并且两种不同颜色的发光二极管的组合能够产生第三色，而非直接采用pwm信号驱动的rgb三色发光二极管。

19、进一步地，本实用新型使用双色发光二极管的on/off颜色组合调光有别于基于rgb的发光二极管的pwm控制调光。

20、进一步地，本实用新型仅用on/off两种状态切换的开关型驱动电路有别于采用开关时间的调整与同步的pwm型驱动电路，不涉及时间的调整与同步问题。可采用共阴极双色发光二极管或者共阳极双色发光二极管的设计。

21、进一步地，本实用新型为基于总线控制的开关型面驱动电路有别于基于d类锁存器的pwm型面驱动电路，灵活性和扩展性都更高。

22、进一步地，本实用新型可沿用传动传统单色光立方的设计方式和驱动电路，系统设计简单可靠。其开关型层驱动电路与传统的单色光立方设计相同；其开关型面驱动电路仅需在传统的单色光立方面驱动电路上增加n×n个(一倍的)面驱动通道数。

23、进一步地，本实用新型通过教学上位机达到光学原理、发光二极管驱动原理、数字通讯原理、编程原理方面的教学效果。

24、进一步地，本实用新型可通过不同发光二极管之间的连接方式设置不同补偿单元以保证教学过程中光立方呈现炫彩效果的稳定性，从而进一步提高教学效果。

25、总体而言，本实用新型可以以成本较低的方式实现教学活动的便捷性、实用性和知识性。