基于51單片機(jī)的4階光立方實(shí)驗(yàn)報(bào)告書

1、目錄一、單片機(jī)最小系統(tǒng)的介紹 1.1 元件清單 1.2 電路組成 1.2.1 電源模塊 1.2.2 顯示模塊 1.2.3 時(shí)鐘電路 1.2.4 復(fù)位電路 1.2.3 p0口外接上拉電阻 1.2.6 濾波電路 1.3 工作原理二、光立方的工作原理三、電路板的焊接與檢測(cè)調(diào)試 3.1電路的焊接過程與注意事項(xiàng) 3.1.1 led光立方的焊接 3.1.1.1 將led燈從點(diǎn)到線的焊接 3.1.1.2 將led燈從線到面的焊接 3.1.1.3 將led燈從面到體的焊接 3.1.2 電路板部分的焊接 3.1.2.1 電源電路的焊接 3.1.2.2 晶振電路的焊接 3.1.2.3 濾波電路的焊接 3.1.2.

2、4 復(fù)位電路的焊接 3.1.2.5 陽極電阻和母座的焊接 3.1.2.6 ic插座、上位排阻以及燒寫排針的焊接 3.1.3 整體搭線工作 3.2 電路板的檢測(cè)步驟與注意事項(xiàng)四、程序下載與電路運(yùn)行4.1 程序編寫與編譯的過程以及注意事項(xiàng) 4.2 目標(biāo)文件下載及其注意事項(xiàng)五、課程總結(jié)與體會(huì)一、單片機(jī)最小系統(tǒng)的介紹單片機(jī)最小系統(tǒng)是之能夠讓單片機(jī)工作并發(fā)揮其作用的必要組成部分，就stc89c52rc單片機(jī)來說，其一般包括：單片機(jī)、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、輸入/輸出設(shè)備等。1.1 元件清單 2*3*4mm二極管led燈64個(gè)，10k歐姆金屬膜電阻1個(gè)，500歐姆金屬膜電阻16個(gè)，圓孔單排針母座16只，a10

3、3j九腳排阻1個(gè)， 排針4個(gè)，ic插座1個(gè)，10uf電解電容1個(gè)， 6*6*5mm輕觸按鍵開關(guān)1個(gè)，12mhz石英晶振1個(gè)，30pf瓷片電容2個(gè)，100uf電解電容1個(gè)，104瓷片電容1個(gè)，六腳自鎖開關(guān)1個(gè)，dc插座一個(gè)。 1.2 電路組成1.2.1電源模塊 本光立方系統(tǒng)采用5伏電源的移動(dòng)充電寶進(jìn)行供電，將電源接于電路dc插座，后將陽極接上六角自鎖開關(guān)的4腳，將5腳接給系統(tǒng)各vcc處供電。六腳開關(guān)彈起時(shí)為斷路狀態(tài)，45腳不聯(lián)通，系統(tǒng)斷電；按下后45腳聯(lián)通，電源給系統(tǒng)供電。圖 1-1 電源模塊原理圖1.2.2顯示模塊 本光立方采用2*3*4mm二極管led藍(lán)色燈做為顯示燈，共64顆燈，搭建為4*

4、4*4的立方體。光立方層共陰，列共陽，通過單片機(jī)控制到每一顆燈的亮滅。1.2.3時(shí)鐘電路 單片機(jī)的各個(gè)功能部件的運(yùn)行都是以時(shí)鐘控制信號(hào)為基礎(chǔ)，一拍一拍的工作。因此時(shí)鐘頻率直接影響單片機(jī)的速度。單片機(jī)上的xtal1和xtal2分別為振蕩電路輸入和輸出端。在這兩個(gè)引腳上接上一個(gè)石英晶體振蕩器和兩個(gè)微調(diào)電容就構(gòu)成內(nèi)部方式的振蕩器電路，有振蕩器產(chǎn)生自激振蕩，便構(gòu)成了一個(gè)完整的震蕩信號(hào)發(fā)生器。 一般選用石英晶體振蕩器。此電路在加電大約延遲10ms后振蕩器起振，在xtal2引腳產(chǎn)生幅度為3v左右的正弦波時(shí)鐘信號(hào)。電路中電容器c1、c2的作用有兩個(gè)：一是幫助振蕩器起振；二是對(duì)振蕩器的頻率進(jìn)行微調(diào)。本系統(tǒng)中的

5、c1、c2的值為30pf。 單片機(jī)工作時(shí)，由內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生或由外直接輸入的送至內(nèi)部控制邏輯單元的時(shí)鐘信號(hào)的周期稱為時(shí)鐘周期。其大小是時(shí)鐘信號(hào)頻率的倒數(shù)，f表示。本系統(tǒng)使用的時(shí)鐘頻率為12mhz，即f=12mhz，則時(shí)鐘周期為1/12us。圖 1-2 時(shí)鐘電路原理圖1.2.4復(fù)位電路 單片機(jī)的復(fù)位是通過外部電路來實(shí)現(xiàn)的，一般復(fù)位電路采用上電復(fù)位、手動(dòng)按鍵復(fù)位和看門狗復(fù)位三種方式進(jìn)行復(fù)位，本次采用的是上電復(fù)位方式。stc89c52rc的復(fù)位引腳為rst。復(fù)位電路由輕觸按鍵開關(guān)、10k歐姆金屬膜電阻和10uf電解電容組成。具體構(gòu)造圖如下。圖 1-3 復(fù)位電路原理圖1.2.5 p0 口外接上拉電阻 由

6、于stc89c52rc單片機(jī)p0口內(nèi)部沒有上拉電阻，是開漏的，不管它的驅(qū)動(dòng)能力多大，相當(dāng)于它是沒有電源的，需要外部的電路提供，絕大多數(shù)情況下p0口是必須加上上拉電阻的。本系統(tǒng)采用了a103j九腳排阻外界上p0口做為上拉電阻。 圖 1-4 p0口的上拉電阻1.2.6 濾波電路一般vcc和vss間應(yīng)接高頻去耦電容和低頻濾波電容。一般 大電 容 旁 邊 并 聯(lián)一個(gè)小 電 容 的目的是降低 頻內(nèi)阻，因?yàn)榇蟮碾娊怆娙菀话悴捎镁砝@工藝制造，所以等效電感較大，小電容可以提供一個(gè)小內(nèi)阻的高頻通道 ，降低電源全頻帶內(nèi)阻，這個(gè)在實(shí)際電路中非常常見。本系統(tǒng)采用104pf和100uf并聯(lián)做為濾波電路。 圖1-5 濾波

7、電路 1.3 工作原理 將4*4*4的led光立方分層4層，分別由單片機(jī)的p00、p01、p02、p03，四個(gè)口來控制每一層，且給低電位有效。再有p10到p17，p20到p27總共16個(gè)口來控制光立方的16列，給高電位有效。單片機(jī)vcc口到p07口加上上位排阻。這樣就可以通過控制每個(gè)口的輸出信號(hào)來控制每個(gè)單片機(jī)的亮滅。 二、光立方的工作原理 本設(shè)計(jì)根據(jù)二極管點(diǎn)陣的原理，由單片機(jī)i/o口控制點(diǎn)亮不同的二極管從而組成出不同的畫面。利用人眼的視覺暫留現(xiàn)象即當(dāng)物體移去時(shí)視覺神經(jīng)對(duì)物體的印象不會(huì)立即消失而是要延續(xù)0.1-0.4秒的時(shí)間，來設(shè)置每幅畫面的延遲時(shí)間使連續(xù)的一系列畫面呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)。每一列的二極管陽

8、極接到一起受一路p1或者p2口控制，每一層的二極管陰極并聯(lián)到一起后受同一個(gè)p0口控制。每個(gè)燈都是由片選端口和控制端口共同決定亮滅的。因此，我們可以隨意的來點(diǎn)亮立方體中的任意一處燈，來構(gòu)建多種多樣的圖案。三、電路板的焊接與檢測(cè)調(diào)試3.1 電路的焊接過程與注意事項(xiàng)3.1.1 led光立方的焊接3.1.1.1 將led燈從點(diǎn)到線的焊接 將led燈從點(diǎn)到線的焊接是整個(gè)光立方搭建的第一步。首先要將led燈的陰極（長度較短的一腳）掰彎90度。然后找到一塊萬能板，找好距離之后將兩個(gè)連在一起的排針共4組固定在萬能板上，然后將led燈平臥插進(jìn)排針里面固定起來。 這里應(yīng)該注意取好距離，以免待會(huì)做出來的時(shí)候光立方不

9、是一個(gè)正方體。同時(shí)也要注意整個(gè)焊接過程不能在led燈泡旁邊停留太久，以免損壞led燈泡。電烙鐵前端烙鐵頭做好接地，防止焊接時(shí)電烙鐵的烙鐵頭靜電將led燈泡擊穿。每焊好一條線四個(gè)之后，用萬用表二極管檔位檢測(cè)一次，并將不亮的燈泡替換掉。焊接的錫不能太多也不能太少，太多則不美觀，太少則不牢固。 3.1.1.2 將led燈從線到面的焊接 每焊好四條線之后，將四條led燈線插到萬能板上，注意取好距離，然后將每一條線最末端的陰極掰彎，讓其與隔壁線的陰極相連，然后焊接。最后再在相對(duì)的另一邊焊接上一條銅線固定。效果圖如下 圖 3-1 led燈從線連到面3.1.1.3 將led燈從面到體的焊接 依次焊好四個(gè)面后

10、，先用萬用表檢測(cè)是否有損壞的led燈泡。然后再開始進(jìn)行立體的搭建。單人完成立體的搭建不是很方便，最后能有個(gè)搭檔一起做，同時(shí)也能培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)意識(shí)。 由面到體，需要把每一列的陽極都連接起來。在焊接之前最好先取定一下兩個(gè)平面的高度差，盡量保持整體焊接出來的是個(gè)立方體。焊接時(shí)可以先焊接四個(gè)角腳，起固定作用，然后就可以單人獨(dú)立完成余下的焊接了。 立體焊接完成以后，需要再次用萬用表檢測(cè)一下是否損壞的燈泡，如果有的話就拆出來更換沒有問題的led燈泡。焊接完成后效果圖如下。 圖3-2 led燈從面到體的焊接 圖3-3 led燈從面到體的焊接 圖3-4 led燈從面到體的焊接3.1.2 電路板部分的焊接 焊接電路板

11、前，需要在電路板上大致確定好各個(gè)電路元件以及光立方的位置。然后先開始安插，檢查無誤后才開始焊接固定，焊接固定后再次檢查無誤，再進(jìn)行連線。注意焊接過程中，一直到電路板整體確認(rèn)無誤前，都不可以安插單片機(jī)，否則焊接過程中可能會(huì)損壞單片機(jī)。3.1.2.1電源電路的焊接 本系統(tǒng)采用5伏直流電源供電，在電路板上使用dc插座供電。dc插座的三只腳比較大，不能直接插進(jìn)電路板的洞里面，因此需要先在電路板上標(biāo)記好dc插座三只腳的位置，然后拿到實(shí)驗(yàn)室的鉆孔機(jī)上鉆孔，然后將dc插座插到鉆好的孔里面，在背面用較多的錫焊接固定。 確定焊接好dc插座以后，將六腳自鎖開關(guān)安插在dc座的后面并進(jìn)行焊接。帶整體焊接完成，電路檢查

12、無誤后，將dc插座的陽極將六腳自鎖開關(guān)的4腳用導(dǎo)線焊接在一起。 圖 3-5 電源電路3.1.2.2 晶振電路的焊接 晶振電路被安排在接近單片機(jī)xtal1/2口的位置，然后按照電路圖依次焊接固定。待整體電路檢查無誤后再進(jìn)行連線。連線完成后應(yīng)該用萬用表檢測(cè)連線是否有問題。 圖 3-6晶振電路3.1.2.3 濾波電路的焊接 本系統(tǒng)濾波電路被安放在六腳自鎖開關(guān)后面，這樣待會(huì)接線比較方便。濾波電路中有使用100uf電解電容，電解電容有分極性，在焊接是千萬注意不可接反（一般有灰色桿的一腳為負(fù)極），否則通電后電解電容將在很短的時(shí)間內(nèi)升溫爆炸。下圖為濾波電路。 圖3-7 濾波電路3.1.2.4復(fù)位電路的焊接

13、復(fù)位電路被安排在接近單片機(jī)機(jī)rst口的位置，三個(gè)元件的具體位置如下圖所示。復(fù)位電路也有電解電容，因此在焊接的時(shí)候要特別注意正負(fù)極不能接反。安插固定后，也是等整體電路檢測(cè)無誤后在進(jìn)行連線。 圖 3-8 復(fù)位電路3.1.2.5 陽極電阻和母座的焊接 光立方并不是直接將陽極焊接在電路板上的，而是用圓孔單排針母座做為基座，將光立方的陽極插在母座上。焊接的時(shí)候應(yīng)該測(cè)量好母座之間的距離，以免插光立方的時(shí)候出現(xiàn)光立方的陽極對(duì)不上孔而插不上去的情況。焊接好母座之后再依次串聯(lián)上500歐姆電阻。示意圖如下。 圖 3-9 母座以及電阻的焊接后視圖 圖3-10母座以及電阻的焊接前視圖3.1.2.6 ic插座、上位排阻

14、以及燒寫排針的焊接 按照電路圖，將上位排阻安插在ic插座的p0端附近，將燒寫程序的排針安排在rxd/txd口附近，再進(jìn)行焊接固定。 圖 3-11 ic插座、排阻及燒寫排針位置示意圖3.1.3 整體搭線工作 將各個(gè)元件固定焊接好后，按照老師給的電路原理圖檢查一下是否有安插錯(cuò)誤的元件。檢查無誤后就開是接線的焊接了。固定電線焊接之前應(yīng)該規(guī)劃一下，避免底面線路雜亂無章。有一些線也可以接到電路板頂面上來，減少底面電線數(shù)量，讓整個(gè)電路板更加美觀一些。同時(shí)，要用導(dǎo)線將led光立方每層陰極引下來。圖 3-12 接線期間拍攝的照片 圖 3-13 陰極引線示意圖3.2 電路板的檢測(cè)步驟與注意事項(xiàng)焊好整個(gè)電路板后，

15、就需要進(jìn)行兩遍以上的檢測(cè)，才可以插上單片機(jī)，然后通電寫程序。檢測(cè)的過程大部分是使用萬用表二極管檔位來完成的。首先進(jìn)行整體連線是否有問題的檢測(cè)。當(dāng)電路中某點(diǎn)電路不連通時(shí)，萬用表蜂鳴器將不會(huì)響，此時(shí)應(yīng)該具體查看是哪個(gè)點(diǎn)出現(xiàn)了問題。我做好之后用萬用表檢測(cè)連線情況，都沒有什么問題。其次在進(jìn)行電源正負(fù)極有無短接的情況。將表筆放置于電路中各vcc和vss位置，查看蜂鳴器是否報(bào)警。我檢測(cè)的時(shí)候并沒有出現(xiàn)正負(fù)極短接的情況。然后是整體電路具體的檢測(cè)，對(duì)電路進(jìn)行多方位、多種多樣的檢測(cè)。知道確保電路沒有問題之后才插上單片機(jī)進(jìn)行燒寫程序步驟。四、程序下載與電路運(yùn)行4.1 程序編寫與編譯的過程以及注意事項(xiàng) 限于作者水平

16、，本光立方系統(tǒng)使用了授課老師所提供的c語言程序，但得到的程序是c文件，必須將其轉(zhuǎn)換為 .hex后綴的文件才可使用。這里需要使用keil uvision4 軟件進(jìn)行編譯轉(zhuǎn)換。 使用keil uvision4進(jìn)行編譯之前，需要先搭建正確的編譯環(huán)境。首先打開keil uvision4軟件，點(diǎn)擊上面菜單欄一行 “project”菜單，進(jìn)行新建工程，工程名字不重要，隨意取。具體圖如下 圖 4-1 使用keil uvision4 新建工程然后找到我們使用的單片機(jī)型號(hào)atmel目錄下的at89c52 圖 4-2單片機(jī)型號(hào)的查找 圖 4-3單片機(jī)型號(hào)的查找 選擇好單片機(jī)信號(hào)之后在界面左側(cè)project欄目中，

17、新建一個(gè)新的文件，注意選擇為c程序文件，名字隨意，不需要加后綴。具體如下。 圖4-4 新建文件 圖4-5 文件類型選擇選擇好文件類型之后來到主頁面，點(diǎn)擊上方target options 按鍵進(jìn)行操作。首先將xtal（mhz）的值從 24 改為 12 ，因?yàn)槲覀兪褂玫木д耦l率是12mhz的，然后點(diǎn)擊上方output菜單，將“create hex file”選項(xiàng)勾上，待會(huì)才能生成 .hex 文件。 圖 4-6修改參數(shù) 圖4-7 修改頻率參數(shù) 圖4-8 修改輸出設(shè)置 做完以上步驟以后就進(jìn)行程序的編寫，然后編譯、組建，就能得到.hex文件供待會(huì)使用。4.2 目標(biāo)文件下載及其注意事項(xiàng) 我所使用的電腦系統(tǒng)

18、是win7系統(tǒng)，在燒寫程序之前需要安裝串口驅(qū)動(dòng)。幸好班群上有發(fā)win7 的驅(qū)動(dòng)文件以及燒寫程序。我下載之后就進(jìn)行寫入程序的操作了，使用的軟件是 stc-isp（v6.82）。首先需要查看自己usb轉(zhuǎn)串口是在串口幾。需要打開電腦中的設(shè)備管理器查看端口是com幾 ，我的電腦接上去后是com 3。知道串口數(shù)后按照?qǐng)D 4-10 操作。這里要注意單片機(jī)串口的排針順序，紅線是陽極線，黑線是陰極線，綠色線緊貼著陽極線，白色線緊貼著黑色線。所以從陽極數(shù)過來顏色順序依次是：紅、綠、白、黑。在點(diǎn)擊下載按鈕后，需要對(duì)單片機(jī)進(jìn)行冷啟動(dòng)。冷啟動(dòng)就是在原先通電的基礎(chǔ)上斷電，然后再重新接上電源的啟動(dòng)方式。進(jìn)行冷啟動(dòng)后，st

19、c-isp（v6.82）就會(huì)自動(dòng)的將程序輸入到單片機(jī)中，并重新運(yùn)行單片機(jī)。此時(shí)就可以看到最終效果了，整個(gè)光立方系統(tǒng)的制作過程也到此結(jié)束了。圖 4-9 win7系統(tǒng)上usb端口的查看 圖 4-10 stc-isp（v6.82）軟件的操作順序五、課程總結(jié)與體會(huì)時(shí)間過得真快，為期8周的創(chuàng)新訓(xùn)練課程到此已經(jīng)接近尾聲。通過本課程的學(xué)習(xí)，使我了解了protues仿真電路軟件的基本使用，keil uvision4軟件的使用和編譯環(huán)境的搭建，了解了單片機(jī)的基本知識(shí)和燒寫程序步驟，認(rèn)識(shí)了各種基本電路元件，還有鍛煉了自己的焊接技術(shù)，增長了萬用表的使用檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)，也了解了很多生活中的電路知識(shí)。應(yīng)該說，作為工科專業(yè)自動(dòng)

20、化的學(xué)生，我自知應(yīng)該掌握扎實(shí)的理論知識(shí)，同時(shí)也要提高自己的動(dòng)手能力，實(shí)踐能力和綜合能力，為以后就業(yè)提高競(jìng)爭(zhēng)力。 現(xiàn)在回想起整個(gè)光立方的焊接制作調(diào)試過程，我心中充滿了感慨。本光立方的制作，包括本論文的書寫整理，花費(fèi)了我很多的時(shí)間和精力。在制作的過程中，我經(jīng)常利用各種各樣的空閑時(shí)間來進(jìn)行光立方系統(tǒng)的焊接，沒時(shí)間的時(shí)候也盡量的擠出時(shí)間來做工作。 一開始，在充滿濃厚氣味的實(shí)驗(yàn)室中將64顆燈一顆顆掰彎，慢慢的焊接成條，再焊接成面和立體。然后又要用萬用表去檢測(cè)，其實(shí)第一次焊接的時(shí)候損壞了不少的燈，后來也花了一些時(shí)間去拆除替換這些損壞的燈泡。 到了制作的中期，電路板的焊接也花費(fèi)了很多時(shí)間，有時(shí)候要盯著電路原

21、理圖看很久，在心中規(guī)劃好各種元件的位置以及電線的搭建牽引。電路板的焊接并不比光立方燈的焊接簡單多少，反而覺得更加困難，做好了之后也要進(jìn)行各種檢測(cè)，以確保整個(gè)電路安全可靠。 到了制作后期，主要是進(jìn)行電路的調(diào)試和程序的燒寫工作，老師說過，調(diào)試是最花費(fèi)時(shí)間的一個(gè)環(huán)節(jié)，在此次的制作過程中，我深有體會(huì)。到程序的燒寫工作時(shí)，老師還沒有教到我們?nèi)绾巫鲞@一工作，因此我是自己上網(wǎng)百度了解，并且下載了燒寫程序，自己嘗試著去寫程序，并沒有取得太大的進(jìn)展。在這過程中我不小心將單片機(jī)反接插到ic插座上，十幾秒后，我才發(fā)現(xiàn)接反了，而此時(shí)單片機(jī)也出現(xiàn)了發(fā)燙的現(xiàn)象。顯然，這塊單片機(jī)已經(jīng)報(bào)廢了，因此我被迫中斷了整個(gè)調(diào)試工作，只能買新的單片機(jī)。這次意外的發(fā)生使我受到了打擊，也增添了很多麻煩，所以我當(dāng)時(shí)覺得很不開心。 但是當(dāng)后來看到自己的光立方亮起的時(shí)候，我的心中滿滿的都是激動(dòng)、感慨。這個(gè)光立方做了也