基于单片机的光立方控制系统设计_毕业设计说明书(论文).doc

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1、信息职业技术学院 毕业设计说明书(论文) 设计(论文)题目:_ 基于单片机的光立方控制系统设计 专 业: 应用电子技术 班 级: 应电 11-2 学 号: 姓 名: 指导教师: 二 0 一三年十一月二十日 息职业技术学院毕业设计（论文）任务书息职业技术学院毕业设计（论文）任务书 学 生 姓 名 学号班级 应电 11-2 专业应用电子技术 设计（或论文）题目基于单片机的光立方控制系统设计 指导教师姓名职 称工作单位及所从事专业联系方式备 注 副教授/ 工程师 设计（论文）内容： 运用电子技术知识、技能设计一个光立方。 功能要求如下： 18*8*8 模式构成 512 个 LED 灯后组成一个光立方

2、。 2采用 STC12C5A08S2 为主控芯片；加上驱动电路采用 uln2803 芯片,呈现出立体动画效果。 3通过软件编程控制数据下载到单片机完成各种图案的显示。 4能够实现遥控来控制图案的变化。 要求完成： 选择各单元电路结构并阐述工作原理，绘制整机电路原理图（A4 图纸） ，写出 C 语言源程序程序 的流程图；准确计算或估算电路参数，正确选择电路元件与设备，给出元件、设备明细表；撰写设计 说明书，要求准确阐述电路选择依据，反映元件、设备选择等设计过程，并使用软件进行仿真并制作 实物。 进度安排： 第 45 周：查找资料，选择参考方案； 第 56 周：确定方案； 第 710 周：查找资料

3、，进行单元电路的设计； 第 1113 周：整机电路整机与分析； 第 1415 周：整理报告，确定初稿； 第 15 周：检查定稿； 第 15 周：答辩。 主要参考文献、资料(写清楚参考文献名称、作者、出版单位)： 1 李建忠.单片机原理及应用.西安：西安电子科技大学出版社，2002 2 朱宇光.单片机应用新技术教程.北京：电子工业出版社，2000 3 刘守义.单片机应用技术.西安：西安电子科技大学出版社，2002 4 房小翠.单片机实用系统设计技术.北京：国防工业出版社，1999 5 李华.MCS-51 系列单片机实用接口技术.北京：电子工业出版社，2000 6 李全利单片机原理及应用技术北京：

4、高等教育出版社，2006 审 批 意 见 教研室负责人： 年 月 日 备注：任务书由指导教师填写，一式二份。其中学生一份，指导教师一份 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 目目 录录 摘 要.1 第一章 绪论.2 第二章 硬件设计与分析.3 2.1 总体设计方案3 2.2 单片机主控模块4 2.2.1 芯片介绍.4 2.2.2 时钟电路设计.6 2.2.3 复位电路设计.7 2.3 驱动模块7 2.3.1 阴极驱动电路.8 2.3.2 阳极驱动电路.9 2.4 显示模块11 2.4.1 LED 的选择.11 2.4.2 显示电路.11 2.5 整机工作原理12 第三章 软件设计.13

5、3.1 主程序的设计13 3.2 显示程序的设计14 3.2.1 LED 显示的数据传送.14 3.2.2 显示程序的设计.14 3.3 软件调试15 第四章 硬件焊接与调试.17 4.1 主板的焊接17 4.1.1 PCB 板的制作.17 4.1.2 主板的焊接.18 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) I 4.2 LED 光立方的搭建19 4.2.1 由点到线.19 4.2.2 由线到面.20 4.2.3 由面到体.20 4.3 电脑端的 ISP 控制软件21 4.4 整机调试及结果分析22 结 论.24 参考文献.25 附录 1 整机电路图26 附录 2 源程序27 附录 3 元

6、器件清单31 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 第 0 页 摘 要 光立方是一个长、宽、高由 888 个 LED 灯组成的真实 3D 立方体显示器。其 最大的特点，就是带给观赏者立体的超酷的 3D 视觉体验。本设计的硬件主要分为三个 模块：主控模块、驱动模块、显示模块。采用的主控芯片为 STC12C5A60S2 芯片，驱 动电路是采用我们常用 ULN2803 芯片，显示电路采用八个 74HC595 移位寄存芯片控 制每一面 LED 灯。本设计采用 C 语言编程，通过对单片机编程来控制 LED 的亮灭， 采用延时控制来 LED 亮灭时间的长短，最终使得整个立体展现不同的造型和图案，使

7、其变得美轮美奂、绚丽多彩。 关键字关键字 光立方，移位寄存器 74HC595，单片机 STC12C5A60S2，驱动芯片 ULN2803 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 第 1 页 第一章 绪论 随着人们生活水平的不断提高，3D 效果的欣赏已经成了人们的追求，美轮美奂的 观赏让人醉心不已，给人带来无比宽松舒适的美感。3D 技术的将来必有广泛应用。仅 3D 打印技术这一还处在萌芽阶段的技术就已经在世界掀起了巨大波澜。就现有来看 3D 技术已经应用于军工、航空航天、水下作业、模拟分析等高端领域。随着科技发展 3D 技术的成本也会越来越低，相信 3D 电视将来也会像液晶电视一样走入普通家

8、庭。 3D 技术在未来还可以应用于教学，医学，地下采矿，空中导航等领域。 但就目前的发展，3D还不能够普及到人们的生活中，这也就萌发了人们对于3D的 设计。因此，本课题以发光二极管的搭建的888立体点阵，是一个长、宽、高由 888个LED灯组成的真实3D立方体显示器。采用单片机STC12C5A60S2为核心编程技 术，对发光二极管进行控制，使其显示出不同的花样，带给人未来3D技术的科技体验。 光立方是由四千多棵光艺高科技“发光树”组成的，在2009年10月1日天安门广场 举行的国庆联欢晚会上面世，这是新中国成立六十周年国庆晚会最具创意的三大法宝 之首,自从国庆60周年联欢晚会开始演练后，一个全

9、新的名词“光立方” ，吸引了全国人 民的关注。国庆联欢晚会三样法宝，光立方为最耀眼， “光立方”在气势和整体感觉上, 融合了北京奥运会开幕式“击缶而歌”和“活字印刷”的风格，而各种图案则与贯穿 奥运会开幕式的“画卷”有异曲同工之妙。 “光立方”可以根据爱国歌曲的不同内容,展 示不同的造型和图案，具有丰富的视觉效果。本光立方设计是一个集实际型经济型性 价比高便宜而且能够帮助你更好的学习C语言等多功能于一身的一个艺术、装饰品。 作为一个忠实的电子爱好者，美观时尚应当是我们的不懈追求，引领更多的初学 者走上电子爱好者之路更是值得我们努力的。而3D光立方所能带来的震撼力和吸引力 是其他电子设计所不能动

10、摇的。 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 第 2 页 第二章 硬件设计与分析 2.1 总体设计方案 该光立方设计方案，其核心模块有四个：主控模块、驱动模块、显示模块、电源 模块。总体设计框图如图2-1所示： 图2-1 总体设计框图 本光立方设计由直流5V直流稳压电源给整个系统供电，采用STC125A60S2单片机 作为主控制芯片。 整个光立方系统的工作流程是：通过对单片机STC12C5A60S2进行编程，然后输出 两路信号分别送到阴极驱动电路和阳极驱动电路，最后由它们输入到显示电路控制 LED光立方体上每个LED灯的亮灭，利用人眼的暂留效应，得以呈现出不同的图案和 动画。 本设计具有

11、以下几个特点： 1、888LED阵列3D光立方体显示器，设计方案精简，电路简洁，采用的材料是 高亮雾状蓝色LED灯，可以达到光立方最佳视觉效果。 2、连贯图形显示效果，浑然一体，一气呵成。能给用户带来立体的可视的震撼视 觉效果。 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 第 3 页 3、程序内置坏点检测部分，以及多种图形显示模块。 4、创新设计的LED 阵列制作模板，让LED 阵列制作简单快速。套件制作因此变 得简单。初学者也可以制作出规范、美观的成品。 2.2 单片机主控模块 主控电路由单片机、时钟电路、复位电路等组成，它是电路工作的最基本的单元 电路，任何单片机基于单片机的设计系统都离不

12、开它。 2.2.1 芯片介绍 制作光立方使用的单片机开发板采用了宏晶科技新推出的 1T 增强型 51 单片机中 功能较为强大的一款STC12C5A60S2。此芯片集成了各种高性能工业标准接口，并 且与传统 51 在资源布局上有完全的兼容性，大部分传统 51 的程序可以直接拿过来使 用无需做修改。与传统 51 不同的是，STC12C5A60S2 是 1T 内核，速度是传统 51 单 片机的 12 倍，遇到对延时有要求的地方，延时时间会变成传统 51 的 1/12。STC12C5A60S2/AD/PWM 系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的 单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一

13、代 8051 单片机，指令代码完全兼容传统 8051，但速度快 8-12 倍。内部集成 MAX810 专用复位电路，2 路 PWM，8 路高速 10 位 A/D 转换(250K/S，即 25 万次/秒)，针对电机控制，强干扰场合。 1、增强型 8051 CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统 8051 2、工作电压：STC12C5A60S2 系列工作电压：5.5V- 3.3V（5V 单片机） 3、工作频率范围：0 - 35MHz，相当于普通 8051 的 0420MHz 4、应用程序空间 8K /16K / 20K / 32K / 40K / 48K / 52K / 60K /

14、62K 字节 5、A/D 转换，10 位精度 ADC，共 8 路，转换速度可达 250K/S(每秒钟 25 万次) 6、通用全双工异步串行口(UART)，由于 STC12 系列是高速的 8051，可再用定时 器或 PCA 软件实现多串口 7、STC12C5A60S2 系列有双串口，后缀有 S2 标志的才有双串口，RxD2/P1.2(可 通过寄存器设置到 P4.2)，TxD2/P1.3(可通过寄存器设置到 P4.3) 8、工作温度范围：-40 - +85(工业级) / 0 - 75(商业级) 以下是单片机管脚图及功能介绍。单片机管脚图，如下页图2-2所示： 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论

15、文) 第 4 页 图2-2 单片机引脚图 各引脚功能简单介绍如下： VCC：供电电压； GND：接地； P0 口：P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每个管脚可吸收 8TTL 门电流。当 P1 口的管脚写“1”时，被定义为高阻输入。P0 能够用于外部程序数据存储器，它可以 被定义为数据/地址的第八位。在 FLASH 编程时，P0 口作为原码输入口，当 FLASH 进行校验时，P0 输出原码，此时 P0 外部电位必须被拉高； P1 口：P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 口缓冲器能接收输出 4TTL 门电流。P1 口管脚写入“1”后，电位被内部上拉为高，可

16、用作输入，P1 口被外部 下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在 FLASH 编程和校验时， P1 口作为第八位地址接收； P2 口：P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 口缓冲器可接收，输出 4 个 TTL 门电流，当 P2 口被写“1”时，其管脚电位被内部上拉电阻拉高，且作为输入。 作为输入时，P2 口的管脚电位被外部拉低，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。 P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时，P2 口输出地址 的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉的优势，当对外部八位地址数据存储器 进行读写时，P2 口输出其

17、特殊功能寄存器的内容。P2 口在 FLASH 编程和校验时接收 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 第 5 页 高八位地址信号和控制信号； P3 口：P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口，可接收输出 4 个 TTL 门电 流。当 P3 口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入时，由于 外部下拉为低电平，P3 口将输出电流(ILL)，也是由于上拉的缘故。同时 P3 口同时为 闪烁编程和编程校验接收一些控制信号； RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持 RST 脚两个机器周期的高平时间； ALE / PROG ：当访问外部存储器时，地址锁存允许的

18、输出电平用于锁存地址的 低位字节。在 FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE 端以不变 的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。因此它可用作对外部输出的 脉冲或用于定时目的。 PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取址期间，每个机器周 期 PSEN 两次有效。但在访问内部部数据存储器时，这两次有效的 PSEN 信号将不出 现； EA/VPP：当 EA 保持低电平时，访问外部 ROM；注意加密方式 1 时，EA 将内部 锁定为 RESET；当 EA 端保持高电平时，访问内部 ROM。在 FLASH 编程期间，此引 脚也用于施加 12V 编程电

19、源(VPP)； XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入； XTAL2：来自反向振荡器的输出。 2.2.2 时钟电路设计 单片机的时钟信号用来供给单片机内各种微操作的时间基准，时钟电路用于产生 时钟信号用，通常用两种电路形式得到：内部振荡和外部振荡。本系统设计采用内部 振荡方式，如图 2-3 所示。 图2-3 时钟电路 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 第 6 页 MCS-51 单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，引脚 XTALl 和 XTAL2 分别是此放大电器的输入端和输出端，由于采用内部方式时，电路简单，所得 的时钟信号比较稳定，实际使用中常采用这

20、种方式。 电容 C1 和 C2 构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。此系统电路的 晶体振荡器的值为 12MHz，电容应尽可能的选择陶瓷电容，电容值约为 30pF。电 容的大小会影响震荡器频率的高低、震荡器的稳定性、起振的快速性等。 2.2.3 复位电路设计 复位是使单片机或系统中的其他部件处于某种确定的初始状态。单片机的工作就 是从复位开始的，当在单片机的 RST 引脚引入高电平并保持 2 个机器周期时，单片机 内部就执复位操作（若该引脚持续保持高电平，单片机就处于循环复位状态） 。 实际应用中，复位操作有两种基本的形式：一种是上电复位，另一种是按键复位。 由于本次设计采用的是按键复位，

21、所以这里只介绍按键复位，如图 2-4 所示。 图2-4 按键复位电路 按键复位要求按下按键后，单片机实现复位操作。按下按键瞬间 RST 引脚获得高 电平，随着电容 C1的充电，RST 引脚的高电平将逐渐下降。 RST 引脚的高电平只要能保持足够的时间（2 个机器周期） ，单片机就可以进行复 位操作。该电路典型的电阻和电容参数为：晶振为 12MHz 时，C1为 10uF，R1为 8.2k，晶振为 6MHz 时，C1为 22uF，R1为 1k。 单片机的复位操作使单片机进入初始化状态。初始化后，程序计数器 PC=0000H 所以程序从 0000H 地址单元开始执行。单片机启动后，片内 RAM 为随

22、机值，运行中 的复位操作不改变片内 RAM 的内容。 特殊功能寄存器复位后状态使确定的。P0P3 为 FFH，SP 为 07H，SBUF 不定， IP、IE 和 PCON 的有效值为 0，其余的特殊功能寄存器的状态均为 00H。 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 第 7 页 2.3 驱动模块 为节约成本，本光立方设计没有选择硬件电路集成设计，把驱动电路与控制电路 合为一体。而是选择用常用的芯片做为光立方的驱动。由于 LED 灯比较多，需要的电 流相对比较大，所以采用 74HC595 和 ULN2803 组成来组成驱动电路。采用 74HC595 移位暂存的方法，来分别把 8 个灯的亮灭

23、信息储存，74HC595 的 64 个输出引脚控制前 面所述每一个面的 8 个灯；而 ULN2803 控制灯的每一个层。驱动电路由阴极驱动电路 （图 2-5）和阳极驱动电路（图 2-5）组成。 图2-5 阴极驱动电路 图2-6 阳极驱动电路 2.3.1 阴极驱动电路 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 第 8 页 阴极驱动电路由一个 ULN2803 达林顿管组成。从单片机 P1 口出来的信号送到 ULN2803 进行处理放大，再输出到每一层 LED 灯的阴极。 ULN2803 是个 NPN 达林顿晶体管，连接在阵列非常适合逻辑接口电平数字电路 （例如 TTL，CMOS 或 PMOS 上

24、/ NMOS）和较高的电流/电压，如电灯，电磁阀，继 电器，打印锤或其他类似的负载。该 ULN2803 是专为符合标准 TTL，而制造 ULN2804 适合 6 至 15V 的高级别 CMOS 或 PMOS 上。该电路为反向输出型，即输 入低电平电压，输出端才能导通工作。芯片引脚图如下页图 2-7 所示： 图2-7 ULN2803芯片 引脚图说明： 1-8 引脚：输入端 11-18 引脚：输出端 9 引脚：地端 10(COM)引脚：电源+COM 脚的作用是当你使用 ULN2803(2003)来驱动继电器时， 可以将 COM 脚接到继电器的 VCC 端，利用 ULN2803(2003)内部的反向

25、二极管作保 护继电器，消除继电器闭合时产生的感应电压。 2.3.2 阳极驱动电路 阳极驱动电路由八个 74HC595 芯片组成，在本光立方系统中用来每一面 LED 灯 的阳极。即对从单片机 P3.5、P3.6、P3.7 输出的信息进行移位存储，然后再由八个 74HC595 输出给每一面 LED 灯。 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 第 9 页 74HC595 是硅结构的 CMOS 器件，是具有 8 位移位寄存器和一个存储器，三态输 出功能。移位寄存器和存储器是分别的时钟。 数据在 SCHcp 的上升沿输入，在 STcp 的上升沿进入的存储寄存器中去。如果两 个时钟连在一起，则移位寄

26、存器总是比存储寄存器早一个脉冲。移位寄存器有一个串 行移位输入（Ds） ，和一个串行输出（Q7）,和一个异步的低电平复位，存储寄存器有 一个并行 8 位的，具备三态的总线输出，当使能 OE 时（为低电平） ，存储寄存器的数 据输出到总线。芯片引脚图如图 2-8 所示： 图2-8 74HC595芯片 引脚图说明： Q0到 Q7 引脚：8位并行数据输出，其中 Q0为第15脚 GND 第8脚：接地 Q7 第9脚：串行数据输出 MR 第10脚：主复位（低电平） SHCP 第11脚：移位寄存器时钟输入 STCP 第12脚：存储寄存器时钟输入 OE 第13脚：输出有效（低电平） DS 第14脚：串行数据输

27、入 VCC 第16脚：电源 在本光立方系统中使用 74HC595，因为它具有一个 8 位串入并出的移位寄存器和 一个 8 位输出锁存器的结构，而且移位寄存器和输出锁存器的控制是各自独立的，可 以实现在显示本行各列数据的同时，传送下一行的列数据，即达到重叠处理的目的。 引脚 DS 为串行数据输入端，与单片机 P3.7 相连，用来传送数据；引脚 SHCP 为 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 第 10 页 移位寄存器的移位时钟脉冲，与单片机 P3.6 相连；STCP 是输出寄存器的打入信号， 与单片机 P3.5 口相接。再从 Q0 到 Q7 输出到每一面 LED 灯的阳极，从而达到控制每

28、 一面上的每个 LED 灯。 2.4 显示模块 显示电路模块是由 8 面 88 的雾状蓝光 LED 面组成，每一面都是由一个移位寄存 器来控制。 2.4.1 LED 的选择 选择雾状蓝光 LED 灯的原因是它具有非常高的亮度，发光强度为8001200MCD， 且散光的特性使得从各个方位看起来亮度一致性好，强有力的保证了 LED 立方体的炫 目效果与众不同。加之，本光立方系统在电路上的优良设计，即使把 LED 立方体放在 太阳下，效果依然清晰可见，不像其他的，只能在关了灯的黑暗房间才看见。 再者，雾状蓝光 LED 灯灯珠脚长约为26mm，这使得折角和焊接变得更加容易、 方便。 更重要的一点是雾状

29、蓝光 LED 没有像其他高亮 LED 灯那样刺眼,而且蓝光给人一 种梦幻般的视觉冲击。所以现在雾状蓝光 LED 灯做为本光立方显示的元件。 2.4.2 显示电路 显示电路具体元器件是由 512 个雾状蓝光 LED 灯组成，把 512 个雾状蓝光 LED 灯焊接成 8 面 88 的小模块，最后把每一面组装到 PCB 电路板上，这样就构成了一个 888 的 LED 光立方体；每一面由一个移位寄存器来控制，每一层由驱动芯片 ULN2803 来控制，就完成了对整个显示电路上每一个灯的控制。 下面以一面显示电路图来举例。 一面 LED 显示电路由 64 个雾状蓝光 LED 灯组成，把八列 LED 灯的阴

30、极全部焊 接在一起接到驱动芯片 ULN2803，而每八行的阳极分别接到一个移位寄存器 74HC595 上。在电路图上八行阳极 U1-U8 接到同一个 74HC595 上，和对应的引脚连接；而八列 阴极一起由 1C 接到 ULN2803 上。具体电路图如下页图 2-9 所示： 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 第 11 页 图2-9 一面显示电路 2.5 整机工作原理 通过对主控芯片 STC125A60S2 进行编程，采用 74HC595 移位暂存的方法，来分 别把每一面 64 个 LED 灯的亮灭信息存到这个上面，然后由输出引脚控制每一面的 64 个 LED 灯；而每层灯的阴极全连接

31、在一起接入 ULN2803，由 ULN2803 来驱动每一层 LED 灯。通过这个设计，512 个 LED 灯每一个都有单独的位置编码，每个 LED 灯的 亮灭就可以由自由地控制；从而实现我们所需要显示的图象。 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 第 12 页 第三章 软件设计 系统功能是由软硬件共同实现的，由于软件的可伸缩性，最终实现的系统功能可 强可弱，差别可能很大。因此，软件是本系统的灵魂，软件采用模块化设计方法，不 仅易于编程和调试，也可减小软件故障率和提高软件的可靠性。程序的编写需要借助 软件编辑器；程序是使单片机系统按预定的操作方式运行，它是单片机系统程序的框 架；在系统上

32、电后，要对系统进行初始化。 软件设计包括按键程序、主程序、显示程序三大部分，软件功能结构框图如 3-1 所示。主程序通过调用按键查询程序来判断待显示的图案及花样，主程序则调用相对 应的显示程序送到控制端口。 主程序显示程序按键程序 图3-1 软件功能结构框图 3.1 主程序的设计 本光立方系统软件采用 C 语言编写，按照模块化的设计思路设计程序。首先分析 程序所要实现的功能，程序要实现可静态显示、动态显示、三维立体显示。通过按键 控制程序选择不同的显示程序进行显示。 本系统设置有三个独立按键，分别是P3.2，P3.3，P3.4，3个按键分别控制三种不 同的动画显示模式；为了增加炫目的效果，本光

33、立方在四个底座设得有四个呼吸灯。 主程序流程图如下页图3-2所示： 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 第 13 页 图3-2 主程序流程图 程序开始时首先必须对单片机进行初始化设置，其中初始化设置的内容包括：中 断优先级的设定，中断初始化，定时器初始化，串行通信时通信方式的选择和波特率 的设定，各 I/O 口功能的设定等。 3.2 显示程序的设计 显示程序的设计是整个光立方系统显示的核心思想，它包括 LED 的数据传送思路 和扫描方式的选择。 3.2.1 LED 显示的数据传送 动态扫描显示是把整个光立方分成若干部分，每一幅画面显示过程是显示完一部 分后，又显示第二部分，直到显示完最

34、后一部分又重新开始显示第一部分，重复循环 进行。在重复扫描速度足够快的情况下，我们看到的就是一幅稳定的静态画面。也就 是说采用动态扫描显示需要不断进行画面的刷新。动态扫描分为行扫描和列扫描，两 种方式区别在于选通端和数据输入端分别是行还是列。先选通列然后再从行送入对应 列的数据，这样从第 1 列到第 8 列循环往复，只要切换的速度足够的快利用人眼的延 时特性就可以看见一幅稳定的画面，从而完成数据的传送。 3.2.2 显示程序的设计 显示采用的是扫描显示方式，选通一列后按照列对应的数据表的数据第 i 列对应的 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 第 14 页 列数据为数组中的第 i 和第

35、 i+7 个元素。将对应数据由低至高位依次从控制端口输出显 示。向右逻辑移位所得结果通过单片机端口输出到移位寄存器 74HC595，然后输出到 LED 灯的阳极。如此依次循环选通各列来显示所需画面。 动态显示程序流程图如 3-3 所示。把显示的数据送到 P0 口，相应的移位寄存器接 收数据，再把数据送到端口并存储输出显示，接着把下一组数据送到 P0 口，改变片选 移位寄存器的数据，送到相应移位寄存器输出显示，直到把所有的数据局输出传送完 毕后，显示完成后，退出显示程序，等待指令。输出形式多种多样，可以静态输出图 案，也可以动态、左移、右移、循环等花样显示。 图3-3 显示程序流程图 3.3 软

36、件调试 单片机是本设计的核心控制器，只有保证单片机的正常工作才能完成程序的运行 及显示的控制。保证单片机最小系统能够正常工作是前提。判断办法就是用万用表测 量单片机时钟引脚（18、19 脚）的对地电压，以正常工作的单片机用数字万用表测量 为例：18 脚对地约 2.24V，19 脚对地约 2.09V。对于怀疑是复位电路故障而不能正常 工作的单片机也可以采用模拟复位的方法来判断，单片机正常工作时第 9 脚对地电压 为零，可以用导线短时间和5V 连接一下，模拟一下上电复位，如果单片机能正常工 作了，说明这个复位电路没问题。 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 第 15 页 本设计功能很多，所

37、以对于它的程序也较为复杂，所以在编写程序和测试时出现 了相对较多的问题。如烧入程序后，LED 显示屏显示闪动，而且亮度不均匀。则要首 先对测用的延时进行逐渐修改，可以解决显示闪动问题。其次，由于本作品使作动态 扫描方式显示的数字，动态扫描很快，人的肉眼是无法看出，但是测用的显示程序时， 如果不在返回时屏蔽掉最后的附值，则会出现很亮或残影的现象，所以在显示的后面 加了屏蔽灭灯指令。 本设计采用 Keil 软件用来进行编写程序和程序的调试，它是目前最流行开发 MCS-51 系列单片机的软件， Keil 提供了包括 C 编译器、宏汇编、连接器、库管理 和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，

38、通过一个集成开发环境( uVision)将 这些部份组合在一起。运行 Keil 软件需要 Pentium 或以上的 CPU，16MB 或更多 RAM、20M 以上空闲的硬盘空间、WIN98、NT、WIN2000、WINXP 等操作系统。掌 握这一软件的使用对于使用 51 系列单片机的爱好者来说是十分必要的。 在使用 Keil 软件时需要注意的是：在程序编译的时候一定要记得输出.hex 文件， 因为 STCISP.exe 只有.hex 文件才能下进单片机里去。 由于本光立方设计程序比较多，为了便于对程序的修改和可移植性等要求，本光 立方软件设计使用 C 语言来进行编程，其特点是 C 语言简洁、使

39、用方便、灵活，具有 强大的图形功能，C 语言生成目标代码质量高，程序执行效率高等。 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 第 16 页 第四章 硬件焊接与调试 硬件的焊接与调试是整个光立方设计必不可少的一个环节，它将验证整个系统设 计是否实现了所要完成的功能。 这一章重点介绍 PCB 主板的焊接、LED 灯的焊接与光立方的搭建方法、ISP 软件 的使用以及整机的调试。 4.1 主板的焊接 主板是整个光立方硬件中最为重要的主体，它不仅是电子元器件电气连接的提供 者，更是本光立方设计的载体，也关系到整个硬件设计的合理性和美观；所以对它的 制作和焊接尤为重要。 4.1.1 PCB 板的制作 P

40、CB 板的制作和主板的焊接一般包括印制底图图样描绘、底图掩膜层制作和蚀刻 加工等三个环节。 首先根据整机设计，采用电子设计自动化软件中的 Protel 99 SE 进行印制电路板底 图图样的设计。在软件环境下绘制好底图后，可用喷墨式或激光打印机将 PCB 板的设 计图样打印出来，然后进行制作。 PCB 板的制作一般分制作印制电路板、清洗与打孔和检修三个环节。 1、制作印制电路板 利用所打印的 PCB 板图样、热转印纸和恒温电熨斗完成制 作。而热转印法制板的不足之处是：由于热转印纸局部缺陷等原因，会出现墨粉在热 转印纸上局部附着不均匀等现象，对附着层太薄的地方，使抗腐蚀能力下降，影响 PCB 板

41、的质量。 2、清除防护层 对于腐蚀好的印制电路板，选用细砂纸将防护层打磨掉，并进行 清洗。 3、打孔 对清洗好的印制电路板，需要在焊盘和固定位置钻孔后，才能进行安装。 4、检修 对制作好的 PCB 板，要进行严格检查，判断印制线间是否有短路、断 裂、脱落和起层问题，及时发现问题后，可采用相应的修理或补救措施，若有严重质 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 第 17 页 量问题时，需要重新制作。 出于实际需要和美观需要，本光立方设计使用的 PCB 板为军工级 A 级黑漆双面板， 它与普通的 PCB 板相比具有耐高温焊盘牢固可靠、抗压力强不易变形等优点；而且黑 漆板更显高贵和效果更炫目。

42、4.1.2 主板的焊接 在焊接元件前，要做好准备各项工作，清理与检测好元件，再按电子工艺要求进 行元件焊接、剪引脚、清洗和检查等。且安装元件要遵循先小后大，先轻后重，先内 后外的原则采用手工烙铁锡焊。 1、单片机最小系统的焊接 最小系统是单片机得以正常工作的前提，包括时钟电路和复位电路，在焊接时需 注意电解电容的正负极，晶振要尽可能的靠近单片机的 18、19 引脚，而且对晶振的焊 接要迅速，不能长时间加热，以免烧坏晶振。最小系统焊接实物如下图 4-1 所示： 图4-1 最小系统 2、电源指示灯及按键的焊接 在焊接之前要用万用表对指示灯和按键进行好坏的测试。其焊接实物如图 4-1 所 示： 图4

43、-2 指示灯及按键 3、插针及芯片插座的焊接 在对插针和芯片插座进行焊接前，先确定元件是卧装还是立装，并对引脚按照电 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 第 18 页 子装配工艺要求进行成形处理，然后再实施焊接。本光立方设计的插针焊接在 PCB 板 的正面用来承接 LED 灯，而芯片插座则焊接在 PCB 板的反面，不影响整个光立方的 美观，也易于插取芯片。 在焊接完后，PCB 板的正反面实物图如下图 4-3 所示： 图4-3 PCB板的正反面 值得注意的是在焊接完每个小模块的电路时 ，都必须通电检测一下每个模块是否 能正常的工作，必要时记录一些数据，以便后面把每个模块连接成一个整体时方

44、便检 查和找故障。 4.2 LED 光立方的搭建 为了保持光立方整体的通透性、立体感，本光立方设计没有设计额外的 LED 支架， 所有搭接直接使用 LED 自身的管脚来完成。本光立方的搭建构思是：由点到线、线到 面、面到体的搭建方法。在 LED 光立方的搭建之前要把需要用到的相关工具与元件准 备好，比如钳子、烙铁、木板、电钻等。 在搭建前要对 LED 灯进行折角和好坏的检测。把 LED 的阴极水平折弯，阳极垂 直折弯，可借助尖嘴钳来折角，这样做的目的是便于把阴极焊接在一个水平上，让阳 极摆出发光体一部，使其可以与其上下的 LED 进行搭接。 4.2.1 由点到线 首先制作一块搭建用的木板如下页

45、图4-4所示，木板上孔与孔直接的距离为 22.86mm，必须与 PCB 电路板上的两孔距离一致。将 LED 灯逐个安在板上，并对 LED 的脚进行修正使阳极引脚与阴极的夹角为直角。最后将8个 LED 的阴极焊接在一 起构成一束，如下页图4-5所示。这里需要注意的是：弯折阴极脚时弯曲处尽量靠近灯 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 第 19 页 体不要留太长，这样焊接阳极时才不容易造成短路。 图 4-4 搭建的木板 图 4-5 已焊接好的 8 个 LED 灯 4.2.2 由线到面 进行八次上述焊接后接下来就是将8束的 LED 焊接起来。在从点到线时是将所有 LED 的阴极连在一起，而这次

46、则是将所有 LED 阳极弯折并依次焊接在一起构成一面， 如图4-6所示。注意：由于焊接过程中将产生静电容易将 LED 烧坏，因此本项工作完 成后请认真检查每个灯的好坏，可以用万用笔等工具检测；同时检测灯与灯之间有无 虚焊的情况。 图4-6 已焊接好的一面 LED 灯 4.2.3 由面到体 最后一个步骤是将已焊好的 8 个面进行焊接，其方法是将之前 8 个面上的阴极对 应位置依次焊接，最后每一层留出的一个阴极线与 ULN2803 的输出端进行连接，LED 灯的 64 阳极则与 8 个 74HC595 的数据输出端依次连接，从而构成一个完整的光立方 体，如下页图 4-7 所示。 四川信息职业技术学

47、院毕业设计说明书(论文) 第 20 页 图 4-7 光立方整体图 4.3 电脑端的 ISP 控制软件 STC-ISP 是一款单片机下载编程烧录软件，是针对 STC 系列单片机而设计的，可 下载 STC89系列、12C2052 系列和12C5410等系列的 STC 单片机，使用简便，现已被 广泛使用。 在使用时的操作步骤如下： Step1/步骤1：选择你所使用的单片机型号，如 STC12C5A60S2等 Step2/步骤2：打开文件，要烧录用户程序，必须调入用户的程序代码（*.bin, *.hex） Step3/步骤3：选择电脑串行口。 Step4/步骤4：选择下次冷启动后，时钟源为“内部 R/

48、C 振荡器”还是“外部晶体或时 钟”（STC12系列单片机只有内部 R/C 振荡时钟) Step5/步骤5：选择“Download/下载”按钮下载用户的程序进单片机内部，可重复执 行电脑端操作如下页图4-8所示： 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 第 21 页 图 4-8 电脑端 STC-ISP 烧录 4.4 整机调试及结果分析 整机的元件焊接完成后，要使电路处理最佳工作状态，需要对单元模块电路和整 个电路进行调试。调试与测试方案的选择应根据现有的仪器仪表条件来确定，比如万 用表、稳压电源、示波器、逻辑分析仪等。调试工作分调试前的准备和调试操作两步 完成。 1、调试准备 调试准备指在

49、调试前，对调试过程中所需要的仪器、设备、工具、 元件和材料等进行调配。 2、调试操作 电路调试的基本原则是：先静态，后动态，先局部，后整体。对于 动态技术指标调试，要从末级开始，逐级向前级反复进行，直到调准为止。 3、性能检测 该项工作在电路调试完成后进行，通过测量相关技术指标来主要了 解电路是否达到技术要求。 本系统设计由于用到较多的 LED 灯，对于焊接和调试造成一定的难度，512个灯 中只要有一个出问题替换工作将是非常的麻烦，必须把八层的 LED 拆开再取出坏的 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文) 第 22 页 LED 重新焊接。在对电路检查时由于本设计电路版面较大，检查起来并非易事。在本 光立方整机调试中，发现了一些问题。以下为主要的问题及解决方案： 1、在调试过程中发现插上已烧入程序的单片机后对光立方主体起不到控制的作用。 解决方法：根据经验猜测是单片机引脚没起作用造成的。后来换了块单片机发现 动画出来了，由此判断是单片机烧坏造成。 2、在调试过程中发现插上已烧入程序的单片