基于单片机的光立方的设计_毕业论文.doc

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1、郑州科技学院毕业设计（论文）开题报告郑州科技学院毕业设计（论文）开题报告 课题名 称 基于单片机的光立方的设计 课题来 源 教师命 题 课题类 型 指导教 师 学生姓 名 学 号专 业 电子科学与技 术 开题报告内容：（调研资料的准备，设计的目的、要求、思路 与预期成果；任务完成的阶段内容及时间安排；完成设计（论文） 所具备的条件因素等。 ） 一、调研资料准备 LED 点阵显示屏已经应用到了我们生活中的方方面面，科技发 展的脚步一直向前，3D 电影给人们带来了更加震撼的视觉体验。于 是想设计出一种 3D 显示屏。通过学习单片机原理与应用一书， 知道 LED 显示分静态显示和动态显示，以及两种显

2、示的控制方法。 加上模电 数电的学习，理解了 LED 共阴和共阳接法不同的 驱动方法。在网站上查找相关文献时，了解 LED 显示技术的特色之 处：一是节能（直接功耗，间接耗能） ，二是基本无电离辐射，三 提高空间利用率。LED 点阵显示屏的特点还有比数码管具有实用、 便宜、亮度高等优点，而且做出来的 LED 显示很耐用。LED 显示屏 还具有亮度高、工作电压低、功耗小、小型化、寿命长、耐冲击和 性能稳定等优点。LED 点阵显示屏的发展前景极为广阔，目前正朝 着更高亮度，更高耐气候性，更高的发光密度，形状的多样性，更 高的发光均匀性、可靠性、多色化方向发展。另外在电子工程师之 家看过网友发帖晒自

3、己制做的 3D 光立方显示，有 5X5X5 的、8X8X8 的、甚至还有一个 16X16X16 的。在爱折腾网站也曾看过有用蓝色 LED 和白色 LDE 制作的光立方。于是我最终确定也制作一个蓝色 LED 显示 8X8X8 的光立方。 二、设计目的 在当今现代信息化社会的高速发展过程中，大屏幕显示已经从 公共信息展示等商业应用向消费类多媒体应用渗透。随着宽带网络 的发展，数字化的多媒体内容将在信息世界中占据主流，新型的大 屏幕显示设备将代替传统电视机成为人们享受信息和多媒体内容的 中心。为追求舒适、逼真、清晰的 3D 视频显示，为此制作出一个 三维立体显示图案的 LED 光立方。该设计方案将打

4、破了传统的平面 显示视频的方法，该方案设计的 LED 显示屏显示画面色彩鲜艳，立 体感强， 静如油画，可以广泛应用于广告公司、交通运输、车站、商场、医 院、宾馆、证券市场、工业企业管理等公共场所。 三、设计要求 1毕业设计（论文）中心突出，内容充实，论据充分，论证 有力，数据可靠，结构紧凑，层次分明，图表清晰，格式规范，字 迹工整，结论正确。 2设计制作一个 8*8*8 的三维的发光二极管显示方阵，能够 通过编写程序来实现对每一个发光二级管控制，从而来显示多种多 样的图案。控制显示输出至少二十种显示效果。 3通过大量编写程序调试实验现象结果分析研究数据形成规 律，对规律总结得出结论并初步确定算

5、法。 四、设计思路 本设计根据二极管点阵的原理由单片机 I/O 口控制点亮不同的 二极管从而组成出不同的画面，根据人眼的视觉暂留现象即当物体 移去时视觉神经对物体的印象不会立即消失而是要延续 0.1-0.4 秒 的时间 ，来设置每幅画面的延迟时间使连续的一系列画面呈现动 态。每一个层面的二极管阳极接在一起受一路 I/O 口控制，实际电 路中该路 I/O 口输出的控制信号通过 5V 继电器的吸合和断开来控 制的，再输入发光二极管的阳极使其驱动。每一个二极管的阴极分 别受单片机扩展后的 I/O 控制。每个灯都是由片选端口和控制端口 共同决定亮或灭。因此，我们可以随意的来点亮立方体中任意一处 的灯，

6、来构建多种多样的图案。 五、设计预期成果 完成焊接调试，烧烤程序后，作品上电工作时 8*8*8 的光立方 显示可以按照程序依次点亮相应位置的 LED 灯来构造我所想要显示 的图案，并且可以显示静态和动态的图案，还可以模拟 3D 显示来 完成相应的花样的展示。 六、任务完成的阶段内容及时间安排 第一阶段：第 8 学期 1-2 周 上交 3D 光立方显示设计的开题 报告、文献综述及外文翻译。 第二阶段：第 8 学期 3-4 周 整理收集光立方显示的相关资 料，开始初步设计 3D 光立方显示的硬件电路，绘制出电路原理图。 并与指导老师沟通后，最 终确定作品设计硬件电路图。 第三阶段：第 8 学期 5

7、-7 周 编写硬件电路的软件程序部分， 利用仿真软件对程序进行调试修改。与指导老师共同来完成软件的 编写 第四阶段：第 8 学期 8-9 周 依据电路原理图焊接实际电路， 经检查电路没有虚焊、漏接、错接等问题后，下载程序调试电路达 3D 光立方显示的预期成果。 第五阶段：第 8 学期 10-12 周 开始撰写 3D 光立方显示设 计说明书的初稿，并完成初稿并交给指导老师初审。 第六阶段：第 8 学期 13-14 周 提交毕业设计说明书及实做 作品，开始准备参加论文答辩。 七、完成设计（论文）所具备的条件因素 1.主修理论课程： 模电 数电 单片机原理与应用 嵌入 式系统 微电子器件与 IC 设

8、计 电子测量技术 集成电路设计 传感器与 检测技术。 2.软件课程： Multisim2001、wave、 、proteus 等相关软件。 3.做过的作品： 亚超声波和声光控开关、超外差式半导体收 音机、声光报警器、数字万用表的组装和调试，直流稳压电源，数 字动态扫描显示，花样流水灯。 4.具备的能力：较强的动手能力，善于分析和解决问题，有创 新和创造的思维。 5.实作所需的工具：烙铁，万用表，电脑，Proteus、protel 软件等等。 6.实作所需地点及论文资料来源： 电子创新实验室，数字图 书万方数据库。 指导教师签名： 日期： 注：课题来源要填写明确（如教师拟定、学生建议、某企事业单

9、位 项目等） 课题类型：（1）A工程设计； B技术开发； C软件工程； D理论 研究；E制作（作品） （2）X真实课题；Y模拟课题；Z虚拟课题； 要求（1） 、 （2）均要填，如 AY，BY 等。 基于单片机的光立方的设计 I 基于单片机的光立方的设计 摘 要 本设计制作出一个三维立体显示图案的 LED 光立方。本产品不 仅可以像发光二极管点阵一样显示平面的静态或动态画面，还可以 显示立体的静态或动态画面，打破了传统的平面显示方案。同时又 增加了显示的花样和立体图案显示效果，可以广泛用于传媒信息显 示和各种装饰显示，为将来显示技术的进步和发展指导了方向，光 立方显示比发光二极管点阵更具有视觉效

10、果，而且画面图案更加非 富多彩。 本设计是采用 AT89S52 单片机为核心控制器，八 D 边沿触发器 （三态）74LS574 扩展 I/O 口，完成硬件电路设计。通过软件编程 控制数据下载到单片机完成设计图案的显示。软件采用自上而下的 模块化设计思想，使系统朝着分布式、小型化方向发展，增强系统 的可扩展性和运行的稳定性。 关键词 51单片机/74LS574锁存器/8*8*8/LED显示 基于单片机的光立方的设计 II THETHE DESIGNDESIGN OFOF LIGHTLIGHT CUBECUBE BASEDBASED ONON THETHE MICROCONTROLLERMICRO

11、CONTROLLER ABSTRACTABSTRACT This design produced a three-dimensional pattern of the LED light cube. This product can not only like a light-emitting diode dot matrix display plane static or dynamic screen can also display three-dimensional static or dynamic images， and to break the traditional progra

12、m.While increasing the display patterns and three- dimensional effect can be widely used to display and decorative display for future progress and development to guide the direction， light cube display more visual effects than the light-emitting diode dot matrix， and the picture is more rich colorfu

13、l. With a combination of graphics and characters more perfect display characteristics. The design is AT89S52 MCU core controller， eight D edge flip-flop 74LS574 (tri-state) expansion I / O port completion of the hardware circuit design. Programmed by software to control the data is downloaded to the

14、 MCU to complete the designs of the show. This design software is 基于单片机的光立方的设计 III a top-down modular design， the system moving in the direction of distributed， small development， enhance the stability of the systems scalability and running. KEYKEY WORDSWORDS 5151 single-chip, 74LS574 latch, 8 * 8 *

15、 8, 3DLED 基于单片机的光立方的设计 目 录 摘 要 .I ABSTRACT II 1 绪论 .1 1.1 国内外 LED 显示屏的发展概况1 1.2 我国 LED 显示屏研究现状及发展趋势1 1.3 设计的总体要求及方案选择2 1.4 设计说明书的结构安排2 2 系统总体方案设计 .4 2.1 系统总体硬件方案选择4 2.1.1 3D 显示屏核心控制器4 2.1.2 电源电路 5 2.1.3 IO 口扩展芯片.5 2.1.4 层面控制驱动电路 6 2.1.5 串口通讯芯片的选择 6 2.1.6 LED 发光显示二级管.6 2.1.7 硬件电路绘图软件 7 2.2 系统总体软件方案选择

16、8 2.2.1 单片机编程语言 8 2.2.2 系统软件编译器 WAVE 介绍 .9 3 系统硬件方案设计 10 3.1 硬件整体设计概述及功能分析.10 3.2 电源供电系统设计.10 基于单片机的光立方的设计 3.3 51 系列单片机简介 11 3.3.1 时钟电路设计 .11 3.3.2 复位电路设计 .13 3.4 驱动电路设计.13 3.4.1 层驱动电路设计 .13 3.4.2 列驱动电路设计 .15 3.5 通信系统硬件设计.16 3.6 光立方的制作及工作原理介绍.17 3.6.1 3D LED 光立方搭接.17 3.6.2 3D LED 光立方工作原理.19 4 系统软件方案

17、设计 21 4.1 概述.21 4.2 主程序设计.21 4.3 显示程序的设计.22 4.3.1 LED 显示屏的数据传送22 4.3.2 显示程序的设计 .22 4.4 软件中防止程序出错 ERR 处理.23 4.5 ISP 软件程序下载 .24 5 光立方 PCB 版制作 25 5.1 PROTUES制作 PCB 版图 .25 5.1.1 绘制电路原理图并仿真测试 .25 5.1.2 加载网络表及元件封装 .26 5.1.3 规划电路板并设置相关参数 .27 5.1.4 元件布局及调整 .27 5.1.5 元件布线及调整 .29 5.1.6 输出及制作 PCB30 基于单片机的光立方的设

18、计 5.2 PCB 版的制作过程 .30 5.2.1 热转印版图 .31 5.2.2 蚀刻去铜 .31 5.2.3 去墨打孔 .31 6 系统测试及仿真 32 6.1 硬件系统测试.32 6.2 软件系统测试.33 6.3 系统总体测试.33 6.4 系统测试结果与结论.34 6.4.1 测试结果分析 .34 6.4.2 测试结论 .34 总 结 35 致 谢 37 参考文献 38 附录 1 总体电路原理图39 附录 2 电路 PCB 版图40 附录 3 电路 3D 仿真图.41 附录 4 元器件清单42 附录 5 电路实物图44 附录 6 源程序45 基于单片机的光立方的设计 1 1 绪论

19、1.1 国内外 LED 显示屏的发展概况 在当今信息化社会的高速发展过程中，大屏幕显示已经从公共 信息展示等商业应用向消费类多媒体应用渗透。随着宽带网络的发 展，数字化的多媒体内容将在信息世界中占据主流，新型的大屏幕 显示设备将代替传统电视机成为人们享受信息和多媒体内容的中心。 与传统的显示设备相比，这种未来的巨大需求让 LED 大屏幕显示技 术成为众人目光的焦点。LED 显示屏一般分为图文显示屏和视频显 示屏，均由 LED 矩阵块组成。动态图文显示屏可与计算机同步显示 汉字、英文文本和图形；视频显示屏采用微型计算机进行控制，图 文、图像并茂，以实时、同步、清晰的信息传播方式播放各种信息， 还

20、可显示二维、三维的动画、录像、电视、VCD 节目以及现场实况 转播。不仅可以用于室内环境装饰还可以用于室外环境信息传播， 具有投影仪、电视墙、液晶显示屏无法比拟的优点。而且显示画面 色彩鲜艳，立体感强，静如油画，动如电影，广泛应用于交通运输、 车站、商场、医院、宾馆、证券市场、工业企业管理等公共场所1。 随着社会经济的不断进步，人们对 LED 显示器的认识不断加深， 其应用领域越来越广。目前正朝着更高亮度、更高耐气候性、更高 的发光密度、更高的发光均匀性，可靠性、全色化方向发展。 1.2 我国 LED 显示屏研究现状及发展趋势 （1）我国 LED 产业发展现状 目前国内主要 LED 广告大屏幕

21、制造厂商主要集中在华东、华北、 华南区域，大型制造商的市场范围几乎覆盖整个国内市场。国产 基于单片机的光立方的设计 2 LED 广告大屏幕的性价比比较高，市场占有率近 100%。我国的 LED 显示屏产业经过几年的发展，基本形成了一批具有一定规模的骨干 企业。我国 LED 显示屏产业在规模发展的同时，产品技术推陈出新， 一直保持比较先进的水平。LED 显示屏产业正成为我国电子信息产 业的重要组成部分，也是平板显示领域唯一立足国内形成的民族高 科技产业2。 （2）LED 显示屏的发展趋势 二十一世纪的显示技术将是平板显示的时代。基础材料的产业 化，使 LED 全彩色显示产品成本下降，应用加快发展

22、。LED 产品性 能的提高，使全彩色显示屏的亮度、色彩、白平衡均达到比较理想 的效果，完全可以满足户外全天候的环境条件要求，同时，由于全 彩色显示屏价格性能比的优势，预计在未来几年的发展中，全彩色 LED 3D 显示显示屏在户外广告媒体中会越来越多地代替传统的灯箱、 霓红灯、磁翻板等产品，体育场馆的显示方面全彩色 LED 3D 显示 屏更会成为主流产品。全彩色 LED 3D 显示屏的广泛应用会是 LED 3D 显示屏产业发展的一个新的增长点。 未来 LED 3D 显示屏会向着标准化、规范化、产品结构多样化 的方向发展。 1.3 设计的总体要求及方案选择 本次设计制作一个 8*8*8 的三维的发

23、光二极管立方显示体，能 够通过编写程序来实现对每一个发光二级管的亮灭控制，从而可以 显示多种多样的图案。为了吸引观众增强显示效果，可以有多种显 示模式。最简单的显示模式是静态显示。与静态显示模式相对应， 就有各种动态显示模式，它们所显示的图文都是能够变化的。按照 图文运动的特点又可以分为闪烁、平移、旋转、缩放等多种显示模 基于单片机的光立方的设计 3 式。产生不同显示显示模式的方法，并不意味着一定要重新编写显 示数据，可以通过一定的算法从原来的显示数据直接生成。这样程 序书写就不会过于繁琐和重复，而且对核心控制器的内存空间要求 不高3。 借鉴单片机控制 LED 点阵显示的原理，通过系统分析，确

24、定该 系统该具有哪些功能，有哪些模块，各个模块之间是怎样连接，以 及怎样组合电路是最合理最简单的，即硬件方案设计。编写硬件电 路的相对应软件程序部分，利用仿真软件对程序进行测试修改。电 路系统焊接完毕后，测试整个的系统模块的功能，看各个功能是否 能正常运行，并依据实验结果找出程序中的错误，改正这些错误至 测试成功完成毕业设计要求。 1.4 设计说明书的结构安排 针对毕业设计说明书的要求，对论文的内容和结构将做如下安 排： （1）初步整体方案的论证和选择 搜集题目的有关资料，并参照目前通用的设计思想和设计方法 拟定几套设计方案进行分析比较。最终选定了以 8 位 51 系列单片 机为核心控制器件，

25、外加 I/O 扩展电路和层驱动电路来设计方案满 足设计要求。 （2）方案实现 以设计要求为指导思想选择合适的器件来实现这一思想，选择 器件时要从功能和电气特性两方面来选择和论证。经过对比选择选 定 AT89S52 单片机为核心控制器件，由八 D 边沿触发器（三态） 74LS574 扩展 I/O 口输出，三极管 8550 和 5V 继电器为驱动电路器 件。论文列出了详细的器件参数和在系统中的连接使用方法。 基于单片机的光立方的设计 4 （3）软件编写 根据硬件特点和设计要求，软件选用汇编语言编写。程序按功 能分为静态显示、动态显示、通信等几个功能上相对独立的模块。 然后按照所划分的模块逐个编写程

26、序，最后将独立的模块整合起来。 （4）验证与测试 测试分为硬件测试、软件测试和系统联合测试几步来进行。在 硬件测试中发现有单片机端口驱动能力不足、驱动电路工作不稳定、 LED 显示不正常等问题。在软件测试中出现程序整合工作不协测等 问题。通过分析，查找出问题的原因并设法解决。 （5）结论 设计作品完成后对设计中所遇到的问题、经验教训、以及自己 的想法进行总结分析。以便于为将来的设计提供宝贵的借鉴经验。 （5）致谢 针对设计中所遇到的问题和难处，解决的方法来自指导老师的 讲解和点拨，以及同学的探讨和帮助，对此表示衷心的感谢！ 基于单片机的光立方的设计 5 2 系统总体方案设计 本节是该设计的方案

27、论证部分，对设计中所采用的芯片从多方 面综合的进行比较，最后经过仔细的研究后决定所器件、编程软件 和仿真电路绘制软件的选取。 2.1 系统总体硬件方案选择 2.1.1 3D 显示屏核心控制器 控制部分是整个系统的核心部分，其功能可以实现与上位机通 信接收上位机发送的数据和控制指令经处理过后控制显示屏显示内 容。其常用的电子设计方法有单片机、DSP、及 EDA 技术。 方案一：单片机 单片机是集成了 CPU，ROM，RAM 和 I/ O 口的微型计算机。它 有很强的接口性能，非常适合于工业控制，因此又叫微控制器(MCU)。 单片机品种齐全，型号多样 CPU 从 8，16，32 到 64 位，多采

28、用 RISC 技术，片上 I/O 非常丰富，有的单片机集成有 A/ D， “ 看门 狗” ，PWM，显示驱动，函数发生器，键盘控制等。它们的价格也高 低不等，这样极大地满足了开发者的选择自由。除此之外单片机还 具有低电压和低功耗的特点。随着超大规模集成电路的发展，单片 机在便携式产品中大有用武之地4。 方案二：DSP 芯片 DSP 又叫数字信号处理器。顾名思义，DSP 主要用于数字信号 处理领域，非常适合高密度，重复运算及大数据容量的信号处理。 现在已经广泛应用于通信、便携式计算机和便携式仪表、雷达、图 像、航空、家用电器、医疗设备等领域。 DSP 区别于一般微处理器 的另一重要标志是硬件乘法

29、器以及特殊指令，一般微处理器用软件 基于单片机的光立方的设计 6 实现乘法，逐条执行指令，速度慢。DSP 依靠硬件乘法器单周期完 成乘法运算，而且还具有专门的信号处理指令。它的强大数据处理 能力和高运行速度，是最值得称道的两大特色。芯片内置 544 字的 高速 SRAM。外部可寻址 64K 字程序/数据及 I/O，令周期在 25ns50ns 之间，实时性处理比 16 位单片机快 2 倍以上，可取代 一般的单片机5。 方案三：EDA EDA(即 Electronic Design Automation) 即电子设计自动化， 它是以计算机为工具，在 EDA 软件平台上，对用硬件描述语言 HDL 完

30、成的设计文件自动地逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合 及优化、逻辑布局布线、逻辑仿真，直至对于特定目标芯片进行适 配编译、逻辑影射和编程下载等。而且 MCU 和 DSP 都是通过串行执 行指令来实现特定功能，不可避免低速，而 FPGA/CPLD 则可实现硬 件上的并行工作，在实时测控和高速应用领域前景广阔；另一方面， FPGA/CPLP 器件在功能开发上是软件实现的，但物理机制却和纯硬 件电路一样，十分可靠。 基于以上分析，三种设计方式相比较各有优点且都能够实现控 制功能，但单片机的技术门槛较低开发成本也较低非常适合初学者 进行学习和锻炼使用。现在市场上常用的单片机主要有 MCS- 51、

31、AVR、ARM、PIC 等。其中应用最广泛的单片机首推 Intel 的 51 系列，由于产品硬件结构合理，指令系统规范，加之生产历史“悠 久” ，有先入为主的优势常作为单片机学习的教材。所以决定选取 51 系列单片机作为控制部分的核心器件。 2.1.2 电源电路 方案一：采用普通干电池作为 LED 系统的电源，由于点阵系统 基于单片机的光立方的设计 7 耗电量较大，点阵系统一般悬挂在高处上，一直不停的工作。使用 干电池需经常换电池，不符合节约型社会的要求。 方案二：采用一块 LM7805 三端集成稳压器。把市电经变压器 降压输入电路，而后整流送到 LM7805 三端稳压器稳压输出作为工 作电压

32、。不仅功率上可以满足系统需要，不需要更换电源，并且比 较轻便，使用更加安全可靠。 基于以上分析，决定选取 LM7805 三端稳压器稳压电路作为系 统供电电源。 2.1.3 IO 口扩展芯片 方案一：选取串口输入并口输出芯片 74LS164，虽然 I/O 口使 用较少，由于本次设计共需要 72 路 I/O 口，列驱动电路就需要 8 块 74LS164。显示数据是先后顺序给送去的，显示会有延迟，而 LED 动态显示的刷新的时间控制大约 10ms，实时性差，效果不好。 方案二：采用边沿触发 D 型触发器 74LS574，74LS574 是三态 总线驱动输出，可以缓冲控制输入，置数并行存取并且有改善抗

33、扰 度的滞后作用。输出控制不影响触发器的内部工作，既老数据可以 保持，甚至当输出被关闭，新的数据也可以置入。时钟上升沿输入 有效，8 块 74LS574 共用 16 个 I/O 口，数据可以并行写入芯片，延 迟时间少，满足设计要求6。 综合以上比较，决定选取 74LS574 作为列线驱动 IO 口扩展芯 片。 2.1.4 层面控制驱动电路 由于当 512 个 LED 同时点亮时，层面积聚电流大，需要把电流 放大才能驱动。否则显示会出现不亮、半亮的现象，影响显示效果。 基于单片机的光立方的设计 8 方案一：采用 ULN2803 达林顿管来驱动层面，由于层面积聚电 流大，虽然 2803 的驱动电流

34、可以达到 500mA，但是测试结果亮度低， 甚至有的就不亮。 方案二：采用 5V 固体继电器来控制。把它看做一个电子开关， 通过程序来控制动静点吸合来控制层面与电源正极的通断，可以满 足电流的需求。测试结果很好，可以满足设计要求。 基于以上分析，决定选取 5V 固体继电器作为层面电路控制器。 2.1.5 串口通讯芯片的选择 AT89S52 串行口采用的是 TTL 电平，与上位机通信时，必须要 有电平转换电路，可以选择 1488，1489，MAX232。 方案一：采用 1488 或 1489 芯片实现电平转换，但在使用中发 现这两种芯片可靠性不高，且需要正负 12V 电源，电路搭建麻烦。 方案二

35、：采用单电源电平转换芯片 MAX232，电源与单片机供电 相同，外围电路简单、可靠。采用 RS-232 接口与上位机通信，方 便后来设计的软件调试和程序烧录。 基于以上分析，决定选取 MAX232 作为串行通信芯片。 2.1.6 LED 发光显示二级管 LED 是一种固体光源，当它两端加上正向电压时就可以发光。 采用不同的材料，可制成不同颜色的发光二极管。作为一种新的光 源，广受欢迎而得以快速发展。从而在各种各样的传媒信息的宣传 中得以体现。简述其分类方法如下。 1）按颜色分类 单基色显示屏：单一颜色（红色、绿色、黄色、蓝色等等） 。 双基色显示屏：红和绿双基色，256 级灰度、可以显示 65

36、536 基于单片机的光立方的设计 9 种颜色。 全彩色显示屏：红、绿、蓝三基色，256 级灰度的全彩色显示 屏可以显示一千六百多万种颜色。 2）按使用场合分类 室内显示屏：发光点较小，一般 3mm-8mm，显示面积一般 零点几至十几平方米。 室外显示屏：面积一般几十平方米至几百平方米，亮度高，可 在阳光下工作，具有防风、防雨、防水功能。 3）按发光点直径分类 室内屏：3mm、3。75mm、5mm。 室外屏： 10mm、12mm、16mm、19mm、21mm、26mm。 基于以上分析结果，加上由于成本和控制的难易程度，决定选 取单色蓝光 LED 作为本次设计显示色彩，亮度高，显示效果很好7。 2

37、.1.7 硬件电路绘图软件 方案一：PROTEL DXP 2004 是桌面环境下第一个以设计管理和 协作技术为核心的全方位印刷电路板设计系统，它集强大的设计能 力，复杂工艺的可生产性和设计过程管理于一体，可完整实现电子 产品从概念设计到生成物理生产数据的全过程，以及中间的所有分 析，仿真和验证。整个过程包括以下几个步骤： （1）构想电路模型 （2）设计电路原理图 （3）校对后输出原理图 （4）产生网络表 基于单片机的光立方的设计 10 （5）设计印刷电路板 （6）检查后输出 PCB 板图 方案二：PROTUES 是英国 Labcenter 公司开发的电路分析与实 物仿真软件。它运行于 Wind

38、ows 操作系统上，可以仿真、分析 (SPICE)各种模拟器件和集成电路，该软件的特点是： 1）实现了单片机仿真和 SPICE 电路仿真相结合。具有模拟电 路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、 RS232 动态仿真、I2C 测试器、SPI 测试器、键盘和 LCD 系统仿真的 功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。 2）支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有： ARM7(LPC21xx)、 8051/52 系列、AVR 系列、PIC10/12/16/18 系列、 HC11 系列以及多种外围芯片。 3）提供软件测试功能。在硬件仿真系统中具有全速、

39、单步、 设置断点等测试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状 态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第 三方的软件编译和测试环境，如 Keil C51 uVision2、WAVE 伟福等 软件。 4）具有强大的原理图绘制功能。总之，该软件是一款集单片 机和 SPICE 分析于一身的仿真软件，功能极其强大。 基于以上分析结果，本次设计决定选取 Protues 7.5 作为电路 原理图和 PCB 版图绘制软件。 2.2 系统总体软件方案选择 软件的设计除了满足设计功能外还必须要满足易读写，方便下 载和编译。设计目标和硬件总体结构确定的情况下，可以把软件可 以分为主程序，显示

40、子程序，各种延时子程序，按键扫描程序四个 基于单片机的光立方的设计 11 主要部分组成。 软件的编写需要借助软件编辑器和编译软件，编译完成后还需 要程序烧录器下载到单片机中执行。编写软件之前得首先选择一种 合适的语言以及配套的编辑器和编译软件。最后还要选择一款与所 选单片机的下载器或下载软件来把编写的程序下载到单片机中执行。 2.2.1 单片机编程语言 现在主要运用的单片机编程语言为汇编语言和 C 语言。下面对 汇编语言和 C 语言做一些简介8。 汇编语言（Assembly Language）是面向机器的程序设计语言， 在汇编语句中，用助记符代替操作码，用地址符号或标号代替地址 码，这样符号代

41、替机器语言变成了汇编语言，于是汇编语言亦称为 符号语言。使用汇编语言编写的程序，机器不能直接识别，要由一 种程序将汇编语言翻译成机器语言，这种起翻译作用的程序叫汇编 语言。汇编程序是系统软件中语言处理系统软件，汇编语言把汇编 程序翻译成机器语言的过程称为汇编7。作为最基本的编程语言 之一，汇编语言虽然应用的范围不算很广，但重要性却勿庸置疑， 因为它能够完成许多其他语言所无法完成的功能。 C 语言是一种结构化语言，可产生压缩代码。与汇编相比，C 的编译效率低，硬件可操控性比较差，目标代码体积大。 基于以上分析结果，本次设计决定选取编程语言为汇编语言。 汇编语言相对 C 语言优点有： 1) 速度快

42、，可以直接对硬件进行操作。 2) 能够直接访问与硬件相关的存储器或 I/O 端口。 3) 能够不受编译器的限制，对生成的二进制代码进行完全的 基于单片机的光立方的设计 12 控制。 4) 能够对关键代码进行更准确的控制，避免因线程共同访问 或者硬件设备共享引起的死锁。 5) 能够根据特定的应用对代码做最佳的优化，提高运行速度。 6) 能够最大限度地发挥硬件的功能。 基于以上分析决定采用汇编语言为该显示系统软件设计的编程 语言。 2.2.2 系统软件编译器 WAVE 介绍 汇编语言编写的程序并不能被单片机直接执行还需要编译为单 片机可执行的机器语言。因此在系统软件设计中，编译器必不可少。 支持

43、MCS51 用汇编语言编程的编译器我们常用的是伟福 WAVE6000 编译器。因此软件设计最终方案为采用汇编语言为编程语 言，WAVE 为编译工具按照控制、通信、显示等几个功能模块来编写 程序。 在伟福软件下汇编程序编译的一些详细步骤和要点： 1）启动伟福 6000 编程、仿真、编译集成环境，运行主菜单中 的：文件打开文件，开始编写程序。完成后保存为.ASM 文件。 2）执行主菜单中的项目编译。这样就在你保存那个*.ASM 文 件的目录编译生成了相关的*.BIN、*.HEX 文件，此时你只要连接好 编程器，打开编程器的操作软件。运行载入文件选择要写入的 *.HEX，执行编程操作就行了！ 基于单

44、片机的光立方的设计 13 3 系统硬件方案设计 3.1 硬件整体设计概述及功能分析 3D LED 光立方总体框图如图 3.1 所示。电路大体上可以分成核 心控制电路、显示驱动电路、 、串信通信电路三部分。核心控制电 路部分包括一个 51 系统 CUP 和一些外围电路。在整个电路当中此 电路部分可以相当于一个上位机，它负责控制整个电路以及相应的 程序的运行、与 PC 机的串行通讯、以及给显示屏部分发送命令。 单片机根据编写好的内容和指令通过 I/O 口扩展后驱动 8X8X8 LED 光立方显示屏。本次设计将以此方案为指导思想展开具体的硬件电 路设计9。 显示电路采用动态扫描方式进行显示时，每列有

45、一个列驱动器， 各列的同名行共用一个行驱动器。由单片机给出的行选通信号，从 第一列开始，按顺序依次对各列进行扫描选通，根据锁存器的特性 可以把数据锁存输出。这样就可以把八列的数据输出显示，完成列 线数据的传送。另一方而，根据各列层面要显示的数据，通过三极 管驱动继电器来控制相应层面的电平，列与层面的数据结合共同来 显示图案10。 AT89S52 行 驱 动 器 列驱动器 16X16LED 点阵 显示屏 电源 复位 电路 时钟 电路 图 3.1 系统结构设计总图 基于单片机的光立方的设计 14 3.2 电源供电系统设计 电路能够正常工作，电源是必不可少的。单片机属于数字电路 中的器件，所以这里需

46、要选择+5V 的直流电源。供电电源电路原理 图见图 3.2。 VI 1 VO 3 GND 2 U6 7805 BR1 BRIDGE 2 3 1 5 6 4 SW21 SW-DPDT-MOM AK D3 LED-RED D4 LED-GREEN R12 1KR13 220 C10 1nF C11 1nF C12 100u C13 470u D5 1N4007 220 5v 图 3.2 电源电路图 220V 交流市电通过电源变压器变换成交流低压，再经过桥式整 流电路和滤波电容的整流和滤波，在固定式三端稳压器 LM7805 的 Vin 和 GND 两端形成一个并不十分稳定的直流电压(该电压常常会因

47、为市电电压的波动或负载的变化等原因而发生变化)。此直流电压 经过 LM7805 的稳压和电容的滤波便在稳压电源的输出端产生了精 度高、稳定度好的直流输出电压。该稳压电源可作为 TTL 电路或单 片机电路的电源。三端稳压器是一种标准化、系列化的通用线性稳 压电源集成电路，以其体积小、成本低、性能好、工作可靠性高、 使用简捷方便等特点，成为目前稳压电源中应用最为广泛的一种单 片式集成稳压器件。在 TTL 器件电路广泛采用 LM1805 三端稳压器 作为供电电源的控制器。 3.3 51 系列单片机简介 单片机（Microcontroller，又称微处理器）是在一块硅片上 基于单片机的光立方的设计 1

48、5 集成了各种部件的微型机，这些部件包括中央处理器 CPU、数据存 储器 RAM、程序存储器 ROM、定时器/计数器和多种 I/O 接口电路。 单片机最小系统包括时钟电路和复位电路。 时钟电路用于产生 AT89S52 单片机工作时必需的控制信号。单片机 的内部电路正是在时钟信号的控制下，严格地按照时序执行指令进 行工作。复位电路是为单片机初始化操作准备的。只要单片机的复 位引脚 RST 上的复位信号要持续两个机器周期（24 个时钟周期）以 上，就可以使 AT89S52 单片机复位。单片机最小系统电路图见图 3.3。 3.3.1 时钟电路设计 AT89S52 单片机各功能部件的运行都以时钟信号为

49、基准，有条 不紊、一拍一拍地工作。因此时钟频率直接影响单片机的处理速度， 时钟电路的质量也是直接影响单片机系统的稳定性。常用的时钟电 路有两种方式，一种是内部时钟方式，另一种是外部时钟方式。本 次采用外部时钟方式。 AT89S52 单片机芯片内部设有一个由反向放大器构成的振荡器， XTAL1 和 XTAL2 分别为振荡电路的的输入端和输出端，时钟可有内 部或外部生成，在 XTAL1 和 XTAL2 引脚上外接定时元件，内部振荡 电路就会产生自激振荡。系统采用的定时元件为石英晶体和电容组 成的并联谐振回路。时钟频率 fosc 采用 12MHZ，C1、C2 的电容值 取 30pF，电容的大小起频率微测的作用。时钟电路见图 3.4。 基于单片机的光立方的设计 16 图 3.3 单片机最小系统电路图 图 3.4 时钟电路图 3.3.2 复位电路设计 AT89S52 单片机在启动运行时或者出现死机时需要复位，使 CPU 以及其他功能部件处于一个确定的初始状态，PC 初始化为 0000H。单片机从这个状态开始执行程序。除了进入系统的正常初 始化之外，当程序行出错(如程序“跑飞”