基于單片機的光立方的設(shè)計

鄭州科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）題目基于單片機的光立方的設(shè)計鄭州科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書題目基于單片機的光立方的設(shè)計專業(yè)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)號姓名主要內(nèi)容、基本要求、主要參考資料等：一、主要內(nèi)容1．設(shè)計方案的選擇和方案說明；2．光立方的硬件構(gòu)成；3．光立方的單片機編程；4．設(shè)計并繪制電路原理圖；5．制作實物并調(diào)試電路；6．撰寫論文；7．撰寫文獻綜述和論文。二、基本要求1．論文內(nèi)容充實，有理有據(jù)，條理清晰。2．設(shè)計制作一8*8*8的三維的發(fā)光二極管顯示方陣，能夠?qū)崿F(xiàn)對每一個發(fā)光二級管實現(xiàn)控制。控制顯示輸出至少二十種顯示效果。3．研究數(shù)據(jù)表形成規(guī)律，并初步確定算法。三、主要參考資料1．林占江.電子測量技術(shù).北京：電子工業(yè)出版社，2011.2．童詩白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).北京：高等教育出版社，2006.3．趙景波.Prote199SE應(yīng)用與實例教程.北京：人民郵電出版社，2009.4．尹勇.Multisim電路仿真入門與進階.北京：科學(xué)出版社，2005.5．彭虎.微機原理與接口技術(shù).北京：電子工業(yè)出版社，2008.6．張毅剛.單片機原理及應(yīng)用.北京：高等教育出版社，2003.完成期限：2012年5月17日指導(dǎo)教師簽名：專業(yè)負責(zé)人簽名：年月日鄭州科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告課題名稱基于單片機的光立方的設(shè)計課題來源教師命題課題類型EX指導(dǎo)教師朱小會學(xué)生姓名王德敏學(xué)號專業(yè)電子科學(xué)與技術(shù)開題報告內(nèi)容：（調(diào)研資料的準備，設(shè)計的目的、要求、思路與預(yù)期成果；任務(wù)完成的階段內(nèi)容及時間安排；完成設(shè)計（論文）所具備的條件因素等。）一、調(diào)研資料準備LED點陣顯示屏已經(jīng)應(yīng)用到了我們生活中的方方面面，科技發(fā)展的腳步一直向前，3D電影給人們帶來了更加震撼的視覺體驗。于是想設(shè)計出一種3D顯示屏。通過學(xué)習(xí)《單片機原理與應(yīng)用》一書，知道LED顯示分靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示，以及兩種顯示的控制方法。加上《模電》《數(shù)電》的學(xué)習(xí)，理解了LED共陰和共陽接法不同的驅(qū)動方法。在網(wǎng)站上查找相關(guān)文獻時，了解LED顯示技術(shù)的特色之處：一是節(jié)能（直接功耗，間接耗能），二是基本無電離輻射，三提高空間利用率。LED點陣顯示屏的特點還有比數(shù)碼管具有實用、便宜、亮度高等優(yōu)點，而且做出來的LED顯示很耐用。LED顯示屏還具有亮度高、工作電壓低、功耗小、小型化、壽命長、耐沖擊和性能穩(wěn)定等優(yōu)點。LED點陣顯示屏的發(fā)展前景極為廣闊，目前正朝著更高亮度，更高耐氣候性，更高的發(fā)光密度，形狀的多樣性，更高的發(fā)光均勻性、可靠性、多色化方向發(fā)展。另外在電子工程師之家看過網(wǎng)友發(fā)帖曬自己制做的3D光立方顯示，有5X5X5的、8X8X8的、甚至還有一個16X16X16的。在愛折騰網(wǎng)站也曾看過有用藍色LED和白色LDE制作的光立方。于是我最終確定也制作一個藍色LED顯示8X8X8的光立方。二、設(shè)計目的在當今現(xiàn)代信息化社會的高速發(fā)展過程中，大屏幕顯示已經(jīng)從公共信息展示等商業(yè)應(yīng)用向消費類多媒體應(yīng)用滲透。隨著寬帶網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，數(shù)字化的多媒體內(nèi)容將在信息世界中占據(jù)主流，新型的大屏幕顯示設(shè)備將代替?zhèn)鹘y(tǒng)電視機成為人們享受信息和多媒體內(nèi)容的中心。為追求舒適、逼真、清晰的3D視頻顯示，為此制作出一個三維立體顯示圖案的LED光立方。該設(shè)計方案將打破了傳統(tǒng)的平面顯示視頻的方法，該方案設(shè)計的LED顯示屏顯示畫面色彩鮮艷，立體感強，靜如油畫，可以廣泛應(yīng)用于廣告公司、交通運輸、車站、商場、醫(yī)院、賓館、證券市場、工業(yè)企業(yè)管理等公共場所。三、設(shè)計要求1．畢業(yè)設(shè)計（論文）中心突出，內(nèi)容充實，論據(jù)充分，論證有力，數(shù)據(jù)可靠，結(jié)構(gòu)緊湊，層次分明，圖表清晰，格式規(guī)范，字跡工整，結(jié)論正確。2．設(shè)計制作一個8*8*8的三維的發(fā)光二極管顯示方陣，能夠通過編寫程序來實現(xiàn)對每一個發(fā)光二級管控制，從而來顯示多種多樣的圖案。控制顯示輸出至少二十種顯示效果。3．通過大量編寫程序調(diào)試實驗現(xiàn)象結(jié)果分析研究數(shù)據(jù)形成規(guī)律，對規(guī)律總結(jié)得出結(jié)論并初步確定算法。四、設(shè)計思路本設(shè)計根據(jù)二極管點陣的原理由單片機I/O口控制點亮不同的二極管從而組成出不同的畫面，根據(jù)人眼的視覺暫留現(xiàn)象即當物體移去時視覺神經(jīng)對物體的印象不會立即消失而是要延續(xù)0.1-0.4秒的時間，來設(shè)置每幅畫面的延遲時間使連續(xù)的一系列畫面呈現(xiàn)動態(tài)。每一個層面的二極管陽極接在一起受一路I/O口控制，實際電路中該路I/O口輸出的控制信號通過5V繼電器的吸合和斷開來控制的，再輸入發(fā)光二極管的陽極使其驅(qū)動。每一個二極管的陰極分別受單片機擴展后的I/O控制。每個燈都是由片選端口和控制端口共同決定亮或滅。因此，我們可以隨意的來點亮立方體中任意一處的燈，來構(gòu)建多種多樣的圖案。五、設(shè)計預(yù)期成果完成焊接調(diào)試，燒烤程序后，作品上電工作時8*8*8的光立方顯示可以按照程序依次點亮相應(yīng)位置的LED燈來構(gòu)造我所想要顯示的圖案，并且可以顯示靜態(tài)和動態(tài)的圖案，還可以模擬3D顯示來完成相應(yīng)的花樣的展示。六、任務(wù)完成的階段內(nèi)容及時間安排第一階段：第8學(xué)期1-2周上交3D光立方顯示設(shè)計的開題報告、文獻綜述及外文翻譯。第二階段：第8學(xué)期3-4周整理收集光立方顯示的相關(guān)資料，開始初步設(shè)計3D光立方顯示的硬件電路，繪制出電路原理圖。并與指導(dǎo)老師溝通后，最終確定作品設(shè)計硬件電路圖。第三階段：第8學(xué)期5-7周編寫硬件電路的軟件程序部分，利用仿真軟件對程序進行調(diào)試修改。與指導(dǎo)老師共同來完成軟件的編寫第四階段：第8學(xué)期8-9周依據(jù)電路原理圖焊接實際電路，經(jīng)檢查電路沒有虛焊、漏接、錯接等問題后，下載程序調(diào)試電路達3D光立方顯示的預(yù)期成果。第五階段：第8學(xué)期10-12周開始撰寫3D光立方顯示設(shè)計說明書的初稿，并完成初稿并交給指導(dǎo)老師初審。第六階段：第8學(xué)期13-14周提交畢業(yè)設(shè)計說明書及實做作品，開始準備參加論文答辯。七、完成設(shè)計（論文）所具備的條件因素1.主修理論課程：模電數(shù)電單片機原理與應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)微電子器件與IC設(shè)計電子測量技術(shù)集成電路設(shè)計傳感器與檢測技術(shù)。2.軟件課程：Multisim2001、wave、、proteus等相關(guān)軟件。3.做過的作品：亞超聲波和聲光控開關(guān)、超外差式半導(dǎo)體收音機、聲光報警器、數(shù)字萬用表的組裝和調(diào)試，直流穩(wěn)壓電源，數(shù)字動態(tài)掃描顯示，花樣流水燈。4.具備的能力：較強的動手能力，善于分析和解決問題，有創(chuàng)新和創(chuàng)造的思維。5.實作所需的工具：烙鐵，萬用表，電腦，Proteus、protel軟件等等。6.實作所需地點及論文資料來源：電子創(chuàng)新實驗室，數(shù)字圖書萬方數(shù)據(jù)庫。 指導(dǎo)教師簽名：日期：注：課題來源要填寫明確（如教師擬定、學(xué)生建議、某企事業(yè)單位項目等）課題類型：（2）X—真實課題；Y—模擬課題；Z—虛擬課題；要求（1）、（2）均要填，如AY，BY等。基于單片機的光立方的設(shè)計摘要本設(shè)計制作出一個三維立體顯示圖案的LED光立方。本產(chǎn)品不僅可以像發(fā)光二極管點陣一樣顯示平面的靜態(tài)或動態(tài)畫面，還可以顯示立體的靜態(tài)或動態(tài)畫面，打破了傳統(tǒng)的平面顯示方案。同時又增加了顯示的花樣和立體圖案顯示效果，可以廣泛用于傳媒信息顯示和各種裝飾顯示，為將來顯示技術(shù)的進步和發(fā)展指導(dǎo)了方向，光立方顯示比發(fā)光二極管點陣更具有視覺效果，而且畫面圖案更加非富多彩。本設(shè)計是采用AT89S52單片機為核心控制器，八D邊沿觸發(fā)器（三態(tài)）74LS574擴展I/O口，完成硬件電路設(shè)計。通過軟件編程控制數(shù)據(jù)下載到單片機完成設(shè)計圖案的顯示。軟件采用自上而下的模塊化設(shè)計思想，使系統(tǒng)朝著分布式、小型化方向發(fā)展，增強系統(tǒng)的可擴展性和運行的穩(wěn)定性。關(guān)鍵詞51單片機/74LS574鎖存器/8*8*8/LED顯示the

design

of

LIGHTcubeBased

on

the

microcontrollerABSTRACTThisdesignproducedathree-dimensionalpatternoftheLEDlightcube.Thisproductcannotonlylikealight-emittingdiodedotmatrixdisplayplanestaticordynamicscreencanalsodisplaythree-dimensionalstaticordynamicimages，andtobreakthetraditionalprogram.Whileincreasingthedisplaypatternsandthree-dimensionaleffectcanbewidelyusedtodisplayanddecorativedisplayforfutureprogressanddevelopmenttoguidethedirection，lightcubedisplaymorevisualeffectsthanthelight-emittingdiodedotmatrix，andthepictureismorerichcolorful.Withacombinationofgraphicsandcharactersmoreperfectdisplaycharacteristics.ThedesignisAT89S52MCUcorecontroller，eightDedgeflip-flop74LS574(tri-state)expansionI/Oportcompletionofthehardwarecircuitdesign.ProgrammedbysoftwaretocontrolthedataisdownloadedtotheMCUtocompletethedesignsoftheshow.Thisdesignsoftwareisatop-downmodulardesign，thesystemmovinginthedirectionofdistributed，smalldevelopment，enhancethestabilityofthesystem'sscalabilityandrunning.KEYWORDS51single-chip,74LS574latch,8*8*8,3DLED目錄摘要 IABSTRACT II1緒論 11.1國內(nèi)外LED顯示屏的發(fā)展概況 11.2我國LED顯示屏研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 11.3設(shè)計的總體要求及方案選擇 21.4設(shè)計說明書的結(jié)構(gòu)安排 22系統(tǒng)總體方案設(shè)計 42.1系統(tǒng)總體硬件方案選擇 42.1.13D顯示屏核心控制器 42.1.2電源電路 52.1.3I\O口擴展芯片 52.1.4層面控制驅(qū)動電路 62.1.5串口通訊芯片的選擇 62.1.6LED發(fā)光顯示二級管 62.1.7硬件電路繪圖軟件 72.2系統(tǒng)總體軟件方案選擇 82.2.1單片機編程語言 82.2.2系統(tǒng)軟件編譯器WAVE介紹 93系統(tǒng)硬件方案設(shè)計 103.1硬件整體設(shè)計概述及功能分析 103.2電源供電系統(tǒng)設(shè)計 103.351系列單片機簡介 113.3.1時鐘電路設(shè)計 113.3.2復(fù)位電路設(shè)計 133.4驅(qū)動電路設(shè)計 133.4.1層驅(qū)動電路設(shè)計 133.4.2列驅(qū)動電路設(shè)計 153.5通信系統(tǒng)硬件設(shè)計 163.6光立方的制作及工作原理介紹 173.6.13DLED光立方搭接 173.6.23DLED光立方工作原理 194系統(tǒng)軟件方案設(shè)計 214.1概述 214.2主程序設(shè)計 214.3顯示程序的設(shè)計 224.3.1LED顯示屏的數(shù)據(jù)傳送 224.3.2顯示程序的設(shè)計 224.4軟件中防止程序出錯ERR處理 234.5ISP軟件程序下載 245光立方PCB版制作 255.1protues制作PCB版圖 255.1.1繪制電路原理圖并仿真測試 255.1.2加載網(wǎng)絡(luò)表及元件封裝 265.1.3規(guī)劃電路板并設(shè)置相關(guān)參數(shù) 275.1.4元件布局及調(diào)整 275.1.5元件布線及調(diào)整 295.1.6輸出及制作PCB 305.2PCB版的制作過程 305.2.1熱轉(zhuǎn)印版圖 315.2.2蝕刻去銅 315.2.3去墨打孔 316系統(tǒng)測試及仿真 326.1硬件系統(tǒng)測試 326.2軟件系統(tǒng)測試 336.3系統(tǒng)總體測試 336.4系統(tǒng)測試結(jié)果與結(jié)論 346.4.1測試結(jié)果分析 346.4.2測試結(jié)論 34總結(jié) 35致謝 37參考文獻 38附錄1總體電路原理圖 39附錄2電路PCB版圖 40附錄3電路3D仿真圖 41附錄4元器件清單 42附錄5電路實物圖 44附錄6源程序 451緒論1.1國內(nèi)外LED顯示屏的發(fā)展概況在當今信息化社會的高速發(fā)展過程中，大屏幕顯示已經(jīng)從公共信息展示等商業(yè)應(yīng)用向消費類多媒體應(yīng)用滲透。隨著寬帶網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，數(shù)字化的多媒體內(nèi)容將在信息世界中占據(jù)主流，新型的大屏幕顯示設(shè)備將代替?zhèn)鹘y(tǒng)電視機成為人們享受信息和多媒體內(nèi)容的中心。與傳統(tǒng)的顯示設(shè)備相比，這種未來的巨大需求讓LED大屏幕顯示技術(shù)成為眾人目光的焦點。LED顯示屏一般分為圖文顯示屏和視頻顯示屏，均由LED矩陣塊組成。動態(tài)圖文顯示屏可與計算機同步顯示漢字、英文文本和圖形；視頻顯示屏采用微型計算機進行控制，圖文、圖像并茂，以實時、同步、清晰的信息傳播方式播放各種信息，還可顯示二維、三維的動畫、錄像、電視、VCD節(jié)目以及現(xiàn)場實況轉(zhuǎn)播。不僅可以用于室內(nèi)環(huán)境裝飾還可以用于室外環(huán)境信息傳播，具有投影儀、電視墻、液晶顯示屏無法比擬的優(yōu)點。而且顯示畫面色彩鮮艷，立體感強，靜如油畫，動如電影，廣泛應(yīng)用于交通運輸、車站、商場、醫(yī)院、賓館、證券市場、工業(yè)企業(yè)管理等公共場所[1]。隨著社會經(jīng)濟的不斷進步，人們對LED顯示器的認識不斷加深，其應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣。目前正朝著更高亮度、更高耐氣候性、更高的發(fā)光密度、更高的發(fā)光均勻性，可靠性、全色化方向發(fā)展。1.2我國LED顯示屏研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢（1）我國LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀目前國內(nèi)主要LED廣告大屏幕制造廠商主要集中在華東、華北、華南區(qū)域，大型制造商的市場范圍幾乎覆蓋整個國內(nèi)市場。國產(chǎn)LED廣告大屏幕的性價比比較高，市場占有率近100%。我國的LED顯示屏產(chǎn)業(yè)經(jīng)過幾年的發(fā)展，基本形成了一批具有一定規(guī)模的骨干企業(yè)。我國LED顯示屏產(chǎn)業(yè)在規(guī)模發(fā)展的同時，產(chǎn)品技術(shù)推陳出新，一直保持比較先進的水平。LED顯示屏產(chǎn)業(yè)正成為我國電子信息產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，也是平板顯示領(lǐng)域唯一立足國內(nèi)形成的民族高科技產(chǎn)業(yè)[2]。（2）LED顯示屏的發(fā)展趨勢二十一世紀的顯示技術(shù)將是平板顯示的時代?；A(chǔ)材料的產(chǎn)業(yè)化，使LED全彩色顯示產(chǎn)品成本下降，應(yīng)用加快發(fā)展。LED產(chǎn)品性能的提高，使全彩色顯示屏的亮度、色彩、白平衡均達到比較理想的效果，完全可以滿足戶外全天候的環(huán)境條件要求，同時，由于全彩色顯示屏價格性能比的優(yōu)勢，預(yù)計在未來幾年的發(fā)展中，全彩色LED3D顯示顯示屏在戶外廣告媒體中會越來越多地代替?zhèn)鹘y(tǒng)的燈箱、霓紅燈、磁翻板等產(chǎn)品，體育場館的顯示方面全彩色LED3D顯示屏更會成為主流產(chǎn)品。全彩色LED3D顯示屏的廣泛應(yīng)用會是LED3D顯示屏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個新的增長點。未來LED3D顯示屏?xí)蛑鴺藴驶?、?guī)范化、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)多樣化的方向發(fā)展。1.3設(shè)計的總體要求及方案選擇本次設(shè)計制作一個8*8*8的三維的發(fā)光二極管立方顯示體，能夠通過編寫程序來實現(xiàn)對每一個發(fā)光二級管的亮滅控制，從而可以顯示多種多樣的圖案。為了吸引觀眾增強顯示效果，可以有多種顯示模式。最簡單的顯示模式是靜態(tài)顯示。與靜態(tài)顯示模式相對應(yīng)，就有各種動態(tài)顯示模式，它們所顯示的圖文都是能夠變化的。按照圖文運動的特點又可以分為閃爍、平移、旋轉(zhuǎn)、縮放等多種顯示模式。產(chǎn)生不同顯示顯示模式的方法，并不意味著一定要重新編寫顯示數(shù)據(jù)，可以通過一定的算法從原來的顯示數(shù)據(jù)直接生成。這樣程序書寫就不會過于繁瑣和重復(fù)，而且對核心控制器的內(nèi)存空間要求不高[3]。借鑒單片機控制LED點陣顯示的原理，通過系統(tǒng)分析，確定該系統(tǒng)該具有哪些功能，有哪些模塊，各個模塊之間是怎樣連接，以及怎樣組合電路是最合理最簡單的，即硬件方案設(shè)計。編寫硬件電路的相對應(yīng)軟件程序部分，利用仿真軟件對程序進行測試修改。電路系統(tǒng)焊接完畢后，測試整個的系統(tǒng)模塊的功能，看各個功能是否能正常運行，并依據(jù)實驗結(jié)果找出程序中的錯誤，改正這些錯誤至測試成功完成畢業(yè)設(shè)計要求。1.4設(shè)計說明書的結(jié)構(gòu)安排針對畢業(yè)設(shè)計說明書的要求，對論文的內(nèi)容和結(jié)構(gòu)將做如下安排：（1）初步整體方案的論證和選擇搜集題目的有關(guān)資料，并參照目前通用的設(shè)計思想和設(shè)計方法擬定幾套設(shè)計方案進行分析比較。最終選定了以8位51系列單片機為核心控制器件，外加I/O擴展電路和層驅(qū)動電路來設(shè)計方案滿足設(shè)計要求。（2）方案實現(xiàn)以設(shè)計要求為指導(dǎo)思想選擇合適的器件來實現(xiàn)這一思想，選擇器件時要從功能和電氣特性兩方面來選擇和論證。經(jīng)過對比選擇選定AT89S52單片機為核心控制器件，由八D邊沿觸發(fā)器（三態(tài)）74LS574擴展I/O口輸出，三極管8550和5V繼電器為驅(qū)動電路器件。論文列出了詳細的器件參數(shù)和在系統(tǒng)中的連接使用方法。（3）軟件編寫根據(jù)硬件特點和設(shè)計要求，軟件選用匯編語言編寫。程序按功能分為靜態(tài)顯示、動態(tài)顯示、通信等幾個功能上相對獨立的模塊。然后按照所劃分的模塊逐個編寫程序，最后將獨立的模塊整合起來。（4）驗證與測試測試分為硬件測試、軟件測試和系統(tǒng)聯(lián)合測試幾步來進行。在硬件測試中發(fā)現(xiàn)有單片機端口驅(qū)動能力不足、驅(qū)動電路工作不穩(wěn)定、LED顯示不正常等問題。在軟件測試中出現(xiàn)程序整合工作不協(xié)測等問題。通過分析，查找出問題的原因并設(shè)法解決。（5）結(jié)論設(shè)計作品完成后對設(shè)計中所遇到的問題、經(jīng)驗教訓(xùn)、以及自己的想法進行總結(jié)分析。以便于為將來的設(shè)計提供寶貴的借鑒經(jīng)驗。（5）致謝針對設(shè)計中所遇到的問題和難處，解決的方法來自指導(dǎo)老師的講解和點撥，以及同學(xué)的探討和幫助，對此表示衷心的感謝！2系統(tǒng)總體方案設(shè)計本節(jié)是該設(shè)計的方案論證部分，對設(shè)計中所采用的芯片從多方面綜合的進行比較，最后經(jīng)過仔細的研究后決定所器件、編程軟件和仿真電路繪制軟件的選取。2.1系統(tǒng)總體硬件方案選擇2.1.13D顯示屏核心控制器控制部分是整個系統(tǒng)的核心部分，其功能可以實現(xiàn)與上位機通信接收上位機發(fā)送的數(shù)據(jù)和控制指令經(jīng)處理過后控制顯示屏顯示內(nèi)容。其常用的電子設(shè)計方法有單片機、DSP、及EDA技術(shù)。方案一：單片機單片機是集成了CPU，ROM，RAM和I/O口的微型計算機。它有很強的接口性能，非常適合于工業(yè)控制，因此又叫微控制器(MCU)。單片機品種齊全，型號多樣CPU從8，16，32到64位，多采用RISC技術(shù)，片上I/O非常豐富，有的單片機集成有A/D，“看門狗”，PWM，顯示驅(qū)動，函數(shù)發(fā)生器，鍵盤控制等。它們的價格也高低不等，這樣極大地滿足了開發(fā)者的選擇自由。除此之外單片機還具有低電壓和低功耗的特點。隨著超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，單片機在便攜式產(chǎn)品中大有用武之地[4]。方案二：DSP芯片DSP又叫數(shù)字信號處理器。顧名思義，DSP主要用于數(shù)字信號處理領(lǐng)域，非常適合高密度，重復(fù)運算及大數(shù)據(jù)容量的信號處理?，F(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于通信、便攜式計算機和便攜式儀表、雷達、圖像、航空、家用電器、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域。DSP區(qū)別于一般微處理器的另一重要標志是硬件乘法器以及特殊指令，一般微處理器用軟件實現(xiàn)乘法，逐條執(zhí)行指令，速度慢。DSP依靠硬件乘法器單周期完成乘法運算，而且還具有專門的信號處理指令。它的強大數(shù)據(jù)處理能力和高運行速度，是最值得稱道的兩大特色。芯片內(nèi)置544字的高速SRAM。外部可尋址64K字程序/數(shù)據(jù)及I/O，令周期在25ns～50ns之間，實時性處理比16位單片機快2倍以上，可取代一般的單片機[5]。方案三：EDAEDA(即ElectronicDesignAutomation)即電子設(shè)計自動化，它是以計算機為工具，在EDA軟件平臺上，對用硬件描述語言HDL完成的設(shè)計文件自動地邏輯編譯、邏輯化簡、邏輯分割、邏輯綜合及優(yōu)化、邏輯布局布線、邏輯仿真，直至對于特定目標芯片進行適配編譯、邏輯影射和編程下載等。而且MCU和DSP都是通過串行執(zhí)行指令來實現(xiàn)特定功能，不可避免低速，而FPGA/CPLD則可實現(xiàn)硬件上的并行工作，在實時測控和高速應(yīng)用領(lǐng)域前景廣闊；另一方面，F(xiàn)PGA/CPLP器件在功能開發(fā)上是軟件實現(xiàn)的，但物理機制卻和純硬件電路一樣，十分可靠。基于以上分析，三種設(shè)計方式相比較各有優(yōu)點且都能夠?qū)崿F(xiàn)控制功能，但單片機的技術(shù)門檻較低開發(fā)成本也較低非常適合初學(xué)者進行學(xué)習(xí)和鍛煉使用?，F(xiàn)在市場上常用的單片機主要有MCS-51、AVR、ARM、PIC等。其中應(yīng)用最廣泛的單片機首推Intel的51系列，由于產(chǎn)品硬件結(jié)構(gòu)合理，指令系統(tǒng)規(guī)范，加之生產(chǎn)歷史“悠久”，有先入為主的優(yōu)勢常作為單片機學(xué)習(xí)的教材。所以決定選取51系列單片機作為控制部分的核心器件。2.1.2電源電路方案一：采用普通干電池作為LED系統(tǒng)的電源，由于點陣系統(tǒng)耗電量較大，點陣系統(tǒng)一般懸掛在高處上，一直不停的工作。使用干電池需經(jīng)常換電池，不符合節(jié)約型社會的要求。方案二：采用一塊LM7805三端集成穩(wěn)壓器。把市電經(jīng)變壓器降壓輸入電路，而后整流送到LM7805三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓輸出作為工作電壓。不僅功率上可以滿足系統(tǒng)需要，不需要更換電源，并且比較輕便，使用更加安全可靠。基于以上分析，決定選取LM7805三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓電路作為系統(tǒng)供電電源。2.1.3I\O口擴展芯片方案一：選取串口輸入并口輸出芯片74LS164，雖然I/O口使用較少，由于本次設(shè)計共需要72路I/O口，列驅(qū)動電路就需要8塊74LS164。顯示數(shù)據(jù)是先后順序給送去的，顯示會有延遲，而LED動態(tài)顯示的刷新的時間控制大約10ms，實時性差，效果不好。方案二：采用邊沿觸發(fā)D型觸發(fā)器74LS574，74LS574是三態(tài)總線驅(qū)動輸出，可以緩沖控制輸入，置數(shù)并行存取并且有改善抗擾度的滯后作用。輸出控制不影響觸發(fā)器的內(nèi)部工作，既老數(shù)據(jù)可以保持，甚至當輸出被關(guān)閉，新的數(shù)據(jù)也可以置入。時鐘上升沿輸入有效，8塊74LS574共用16個I/O口，數(shù)據(jù)可以并行寫入芯片，延遲時間少，滿足設(shè)計要求[6]。綜合以上比較，決定選取74LS574作為列線驅(qū)動I\O口擴展芯片。2.1.4層面控制驅(qū)動電路由于當512個LED同時點亮?xí)r，層面積聚電流大，需要把電流放大才能驅(qū)動。否則顯示會出現(xiàn)不亮、半亮的現(xiàn)象，影響顯示效果。方案一：采用ULN2803達林頓管來驅(qū)動層面，由于層面積聚電流大，雖然2803的驅(qū)動電流可以達到500mA，但是測試結(jié)果亮度低，甚至有的就不亮。方案二：采用5V固體繼電器來控制。把它看做一個電子開關(guān)，通過程序來控制動靜點吸合來控制層面與電源正極的通斷，可以滿足電流的需求。測試結(jié)果很好，可以滿足設(shè)計要求。基于以上分析，決定選取5V固體繼電器作為層面電路控制器。2.1.5串口通訊芯片的選擇AT89S52串行口采用的是TTL電平，與上位機通信時，必須要有電平轉(zhuǎn)換電路，可以選擇1488，1489，MAX232。方案一：采用1488或1489芯片實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，但在使用中發(fā)現(xiàn)這兩種芯片可靠性不高，且需要正負12V電源，電路搭建麻煩。方案二：采用單電源電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232，電源與單片機供電相同，外圍電路簡單、可靠。采用RS-232接口與上位機通信，方便后來設(shè)計的軟件調(diào)試和程序燒錄?；谝陨戏治?，決定選取MAX232作為串行通信芯片。2.1.6LED發(fā)光顯示二級管LED是一種固體光源，當它兩端加上正向電壓時就可以發(fā)光。采用不同的材料，可制成不同顏色的發(fā)光二極管。作為一種新的光源，廣受歡迎而得以快速發(fā)展。從而在各種各樣的傳媒信息的宣傳中得以體現(xiàn)。簡述其分類方法如下。1）按顏色分類單基色顯示屏：單一顏色（紅色、綠色、黃色、藍色等等）。雙基色顯示屏：紅和綠雙基色，256級灰度、可以顯示65536種顏色。全彩色顯示屏：紅、綠、藍三基色，256級灰度的全彩色顯示屏可以顯示一千六百多萬種顏色。2）按使用場合分類室內(nèi)顯示屏：發(fā)光點較小，一般Φ3mm--Φ8mm，顯示面積一般零點幾至十幾平方米。室外顯示屏：面積一般幾十平方米至幾百平方米，亮度高，可在陽光下工作，具有防風(fēng)、防雨、防水功能。3）按發(fā)光點直徑分類室內(nèi)屏：Φ3mm、Φ3。75mm、Φ5mm。室外屏：Φ10mm、Φ12mm、Φ16mm、Φ19mm、Φ21mm、Φ26mm。基于以上分析結(jié)果，加上由于成本和控制的難易程度，決定選取單色藍光LED作為本次設(shè)計顯示色彩，亮度高，顯示效果很好[7]。2.1.7硬件電路繪圖軟件方案一：PROTELDXP2004是桌面環(huán)境下第一個以設(shè)計管理和協(xié)作技術(shù)為核心的全方位印刷電路板設(shè)計系統(tǒng)，它集強大的設(shè)計能力，復(fù)雜工藝的可生產(chǎn)性和設(shè)計過程管理于一體，可完整實現(xiàn)電子產(chǎn)品從概念設(shè)計到生成物理生產(chǎn)數(shù)據(jù)的全過程，以及中間的所有分析，仿真和驗證。整個過程包括以下幾個步驟：（1）構(gòu)想電路模型（2）設(shè)計電路原理圖（3）校對后輸出原理圖（4）產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)表（5）設(shè)計印刷電路板（6）檢查后輸出PCB板圖方案二：PROTUES是英國Labcenter公司開發(fā)的電路分析與實物仿真軟件。它運行于Windows操作系統(tǒng)上，可以仿真、分析(SPICE)各種模擬器件和集成電路，該軟件的特點是：1）實現(xiàn)了單片機仿真和SPICE電路仿真相結(jié)合。具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機及其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真、RS232動態(tài)仿真、I2C測試器、SPI測試器、鍵盤和LCD系統(tǒng)仿真的功能；有各種虛擬儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器等。2）支持主流單片機系統(tǒng)的仿真。目前支持的單片機類型有：ARM7(LPC21xx)、8051/52系列、AVR系列、PIC10/12/16/18系列、HC11系列以及多種外圍芯片。3）提供軟件測試功能。在硬件仿真系統(tǒng)中具有全速、單步、設(shè)置斷點等測試功能，同時可以觀察各個變量、寄存器等的當前狀態(tài)，因此在該軟件仿真系統(tǒng)中，也必須具有這些功能；同時支持第三方的軟件編譯和測試環(huán)境，如KeilC51uVision2、WAVE偉福等軟件。4）具有強大的原理圖繪制功能?？傊?，該軟件是一款集單片機和SPICE分析于一身的仿真軟件，功能極其強大?；谝陨戏治鼋Y(jié)果，本次設(shè)計決定選取Protues7.5作為電路原理圖和PCB版圖繪制軟件。2.2系統(tǒng)總體軟件方案選擇軟件的設(shè)計除了滿足設(shè)計功能外還必須要滿足易讀寫，方便下載和編譯。設(shè)計目標和硬件總體結(jié)構(gòu)確定的情況下，可以把軟件可以分為主程序，顯示子程序，各種延時子程序，按鍵掃描程序四個主要部分組成。軟件的編寫需要借助軟件編輯器和編譯軟件，編譯完成后還需要程序燒錄器下載到單片機中執(zhí)行。編寫軟件之前得首先選擇一種合適的語言以及配套的編輯器和編譯軟件。最后還要選擇一款與所選單片機的下載器或下載軟件來把編寫的程序下載到單片機中執(zhí)行。2.2.1單片機編程語言現(xiàn)在主要運用的單片機編程語言為匯編語言和C語言。下面對匯編語言和C語言做一些簡介[8]。匯編語言（AssemblyLanguage）是面向機器的程序設(shè)計語言，在匯編語句中，用助記符代替操作碼，用地址符號或標號代替地址碼，這樣符號代替機器語言變成了匯編語言，于是匯編語言亦稱為符號語言。使用匯編語言編寫的程序，機器不能直接識別，要由一種程序?qū)R編語言翻譯成機器語言，這種起翻譯作用的程序叫匯編語言。匯編程序是系統(tǒng)軟件中語言處理系統(tǒng)軟件，匯編語言把匯編程序翻譯成機器語言的過程稱為匯編[7]。作為最基本的編程語言之一，匯編語言雖然應(yīng)用的范圍不算很廣，但重要性卻勿庸置疑，因為它能夠完成許多其他語言所無法完成的功能。C語言是一種結(jié)構(gòu)化語言，可產(chǎn)生壓縮代碼。與匯編相比，C的編譯效率低，硬件可操控性比較差，目標代碼體積大。基于以上分析結(jié)果，本次設(shè)計決定選取編程語言為匯編語言。匯編語言相對C語言優(yōu)點有：1)速度快，可以直接對硬件進行操作。2)能夠直接訪問與硬件相關(guān)的存儲器或I/O端口。3)能夠不受編譯器的限制，對生成的二進制代碼進行完全的控制。4)能夠?qū)﹃P(guān)鍵代碼進行更準確的控制，避免因線程共同訪問或者硬件設(shè)備共享引起的死鎖。5)能夠根據(jù)特定的應(yīng)用對代碼做最佳的優(yōu)化，提高運行速度。6)能夠最大限度地發(fā)揮硬件的功能?；谝陨戏治鰶Q定采用匯編語言為該顯示系統(tǒng)軟件設(shè)計的編程語言。2.2.2系統(tǒng)軟件編譯器WAVE介紹匯編語言編寫的程序并不能被單片機直接執(zhí)行還需要編譯為單片機可執(zhí)行的機器語言。因此在系統(tǒng)軟件設(shè)計中，編譯器必不可少。支持MCS－51用匯編語言編程的編譯器我們常用的是偉福WAVE6000編譯器。因此軟件設(shè)計最終方案為采用匯編語言為編程語言，WAVE為編譯工具按照控制、通信、顯示等幾個功能模塊來編寫程序。在偉福軟件下匯編程序編譯的一些詳細步驟和要點：1）啟動偉福6000編程、仿真、編譯集成環(huán)境，運行主菜單中的：文件>打開文件，開始編寫程序。完成后保存為.ASM文件。2）執(zhí)行主菜單中的項目>編譯。這樣就在你保存那個*.ASM文件的目錄編譯生成了相關(guān)的*.BIN、*.HEX文件，此時你只要連接好編程器，打開編程器的操作軟件。運行載入文件>選擇要寫入的*.HEX，執(zhí)行編程操作就行了！3系統(tǒng)硬件方案設(shè)計3.1硬件整體設(shè)計概述及功能分析3DLED光立方總體框圖如圖3.1所示。電路大體上可以分成核心控制電路、顯示驅(qū)動電路、、串信通信電路三部分。核心控制電路部分包括一個51系統(tǒng)CUP和一些外圍電路。在整個電路當中此電路部分可以相當于一個上位機，它負責(zé)控制整個電路以及相應(yīng)的程序的運行、與PC機的串行通訊、以及給顯示屏部分發(fā)送命令。單片機根據(jù)編寫好的內(nèi)容和指令通過I/O口擴展后驅(qū)動8X8X8LED光立方顯示屏。本次設(shè)計將以此方案為指導(dǎo)思想展開具體的硬件電路設(shè)計[9]。顯示電路采用動態(tài)掃描方式進行顯示時，每列有一個列驅(qū)動器，各列的同名行共用一個行驅(qū)動器。由單片機給出的行選通信號，從第一列開始，按順序依次對各列進行掃描選通，根據(jù)鎖存器的特性可以把數(shù)據(jù)鎖存輸出。這樣就可以把八列的數(shù)據(jù)輸出顯示，完成列線數(shù)據(jù)的傳送。另一方而，根據(jù)各列層面要顯示的數(shù)據(jù)，通過三極管驅(qū)動繼電器來控制相應(yīng)層面的電平，列與層面的數(shù)據(jù)結(jié)合共同來顯示圖案[10]。AT89S52行驅(qū)動器列驅(qū)動器16X16LED點陣顯示屏電源復(fù)位電路時鐘電路圖3.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計總圖3.2電源供電系統(tǒng)設(shè)計電路能夠正常工作，電源是必不可少的。單片機屬于數(shù)字電路中的器件，所以這里需要選擇+5V的直流電源。供電電源電路原理圖見圖3.2。圖3.2電源電路圖220V交流市電通過電源變壓器變換成交流低壓，再經(jīng)過橋式整流電路和濾波電容的整流和濾波，在固定式三端穩(wěn)壓器LM7805的Vin和GND兩端形成一個并不十分穩(wěn)定的直流電壓(該電壓常常會因為市電電壓的波動或負載的變化等原因而發(fā)生變化)。此直流電壓經(jīng)過LM7805的穩(wěn)壓和電容的濾波便在穩(wěn)壓電源的輸出端產(chǎn)生了精度高、穩(wěn)定度好的直流輸出電壓。該穩(wěn)壓電源可作為TTL電路或單片機電路的電源。三端穩(wěn)壓器是一種標準化、系列化的通用線性穩(wěn)壓電源集成電路，以其體積小、成本低、性能好、工作可靠性高、使用簡捷方便等特點，成為目前穩(wěn)壓電源中應(yīng)用最為廣泛的一種單片式集成穩(wěn)壓器件。在TTL器件電路廣泛采用LM1805三端穩(wěn)壓器作為供電電源的控制器。3.351系列單片機簡介單片機（Microcontroller，又稱微處理器）是在一塊硅片上集成了各種部件的微型機，這些部件包括中央處理器CPU、數(shù)據(jù)存儲器RAM、程序存儲器ROM、定時器/計數(shù)器和多種I/O接口電路。單片機最小系統(tǒng)包括時鐘電路和復(fù)位電路。時鐘電路用于產(chǎn)生AT89S52單片機工作時必需的控制信號。單片機的內(nèi)部電路正是在時鐘信號的控制下，嚴格地按照時序執(zhí)行指令進行工作。復(fù)位電路是為單片機初始化操作準備的。只要單片機的復(fù)位引腳RST上的復(fù)位信號要持續(xù)兩個機器周期（24個時鐘周期）以上，就可以使AT89S52單片機復(fù)位。單片機最小系統(tǒng)電路圖見圖3.3。3.3.1時鐘電路設(shè)計AT89S52單片機各功能部件的運行都以時鐘信號為基準，有條不紊、一拍一拍地工作。因此時鐘頻率直接影響單片機的處理速度，時鐘電路的質(zhì)量也是直接影響單片機系統(tǒng)的穩(wěn)定性。常用的時鐘電路有兩種方式，一種是內(nèi)部時鐘方式，另一種是外部時鐘方式。本次采用外部時鐘方式。AT89S52單片機芯片內(nèi)部設(shè)有一個由反向放大器構(gòu)成的振蕩器，XTAL1和XTAL2分別為振蕩電路的的輸入端和輸出端，時鐘可有內(nèi)部或外部生成，在XTAL1和XTAL2引腳上外接定時元件，內(nèi)部振蕩電路就會產(chǎn)生自激振蕩。系統(tǒng)采用的定時元件為石英晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。時鐘頻率fosc采用12MHZ，C1、C2的電容值取30pF，電容的大小起頻率微測的作用。時鐘電路見圖3.4。圖3.3單片機最小系統(tǒng)電路圖圖3.4時鐘電路圖3.3.2復(fù)位電路設(shè)計AT89S52單片機在啟動運行時或者出現(xiàn)死機時需要復(fù)位，使CPU以及其他功能部件處于一個確定的初始狀態(tài)，PC初始化為0000H。單片機從這個狀態(tài)開始執(zhí)行程序。除了進入系統(tǒng)的正常初始化之外，當程序行出錯(如程序“跑飛”)或操作錯誤使系統(tǒng)處于“死鎖”狀態(tài)時，也需要按復(fù)位鍵即RST腳為高電平，使AT89S52擺脫“跑飛”“死鎖”狀態(tài)而重新啟動程序。單片機有多種復(fù)位方式，常用的復(fù)位操作有上電復(fù)位和手動按鍵電平復(fù)位方式。本設(shè)計采用手動按鍵電平復(fù)位方式，電路搭建圖見圖3.5。上電復(fù)位是通過外部復(fù)位電路的電容充電來實現(xiàn)的，復(fù)位電路產(chǎn)生的復(fù)位信號（高電平有效）由RST通過一個施密特觸發(fā)器與復(fù)位電路相連，施密特觸發(fā)器用來抑制噪聲干擾，在每一個機器周期的S5P2，施密特觸發(fā)器的輸出電平由復(fù)位電路采樣一次，然后才能得到內(nèi)部復(fù)位操作所需要的信號對AT89S52單片機進行復(fù)位。當上電時，C1相當于短路，有時碰到干擾時會造成錯誤復(fù)位，可在復(fù)位端加個去耦電容，可以復(fù)位電路更加可靠。圖3.5按鍵電平復(fù)位電路圖3.4驅(qū)動電路設(shè)計3.4.1層驅(qū)動電路設(shè)計繼電器是本設(shè)計中的層面片選控制器電路的核心控制器。本設(shè)計中的繼電器采用5V固體繼電器，繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點簧片等組成的，結(jié)構(gòu)圖見3.6。繼電器就是電子機械開關(guān)，它是用漆包銅線在一個圓鐵芯上繞幾百圈至幾千圈，當線圈中流過電流時，圓鐵芯產(chǎn)生了磁場，把圓鐵芯上邊的帶有接觸片的動觸點吸住，使之斷開第一個觸點（常閉觸點）而接通第二個開關(guān)觸點（常開觸點），這一過程稱為電磁繼電器的啟動，繼電器啟動的結(jié)果是把常閉觸點所接的外電路斷開和把常開觸點所接的外電路接通。當線圈斷電時，鐵芯失去磁性，由于接觸銅片的彈性作用，使鐵板離開鐵芯，恢復(fù)與第一個觸點（常閉觸點）的接通，這一過程稱為電磁繼電器的復(fù)位。它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動開關(guān)”。故在電路中起著自動測節(jié)、安全保護、轉(zhuǎn)換電路等作用。因此，可以用很小的電流去控制其他電路的開關(guān)。整個繼電器由塑料或有機玻璃防塵罩保護著，有的還是全密封的，以防觸電氧化[11]。圖3.6電磁繼電器的原理圖本設(shè)計中用繼電器控制層面的LED陽極公共端與電源正極的通斷，可以通過程序來控制片選層面組建不同的圖案。把控制層面的數(shù)據(jù)送到繼電器控制器時，繼電器根據(jù)電平高低來當控制繼電器的開關(guān)和閉合。電磁鐵通電后便具有磁性，將銜鐵吸下，使繼電器觸點接觸，與觸點相連接的電源電路便接通。把相應(yīng)的層面點亮，配合列線數(shù)據(jù)共同來顯示數(shù)據(jù)。當控制開關(guān)斷開時，電磁鐵的磁性被撤消，繼電器觸點彈開，電源電路亦隨之斷開層面隨即被滅。繼電器控制電路見圖3.7。圖3.7電磁繼控制電路圖3.4.2列驅(qū)動電路設(shè)計鎖存器74L5747是一個八D邊沿觸發(fā)觸發(fā)器(三態(tài))。引腳排布圖見3.8。圖3.874LS574引腳排布圖74LS574的八個觸發(fā)器是邊沿觸發(fā)D型觸發(fā)器。在時鐘的正跳動，Q輸出將處于D輸入端已建立的邏輯狀態(tài)。三態(tài)總線驅(qū)動輸出、置數(shù)全并行存取、緩沖控制輸入、時鐘輸入有改善抗擾度的滯后作用。時鐘線上的施密特觸發(fā)緩沖輸入將簡化系統(tǒng)設(shè)計，因為輸入滯后作用使交流和直流抗擾度一般提高400mV。緩沖輸出的控制輸入將使八個輸出處于正常狀態(tài)（高電平或低電平）或處于高阻狀態(tài)。在高阻態(tài)下，輸出既不能有效地給總線加負載，也不能有效地驅(qū)動總線。輸出控制不影響觸發(fā)器的內(nèi)部工作，既老數(shù)據(jù)可以保持，甚至當輸出被關(guān)閉，新的數(shù)據(jù)也可以置入。74LS574的邏輯功能見表3.1。八D鎖存器74LS574中的OC當三態(tài)允許控制端OE為低電平時，O0~O7為正常邏輯狀態(tài)，可用來驅(qū)動負載或總線。表3.174LS574的邏輯功能表輸入輸出輸出控制時鐘數(shù)據(jù)OE'CLKDQL↑HHL↑LLLL×Q0H××Z注：H=高電平L=低電平x=不定Z=高阻態(tài)↑=上升沿Q0=初始狀態(tài)3.5通信系統(tǒng)硬件設(shè)計計算機與計算機或計算機與終端之間的數(shù)據(jù)傳送可以采用串行通訊和并行通訊二種方式。由于串行通訊方式具有使用線路少、成本低，特別是在遠程傳輸時，避免了多條線路特性的不一致而被廣泛采用。RS-232C標準是美國EIA(電子工業(yè)聯(lián)合會)與BELL等公司一起開發(fā)的1969年公布的通信協(xié)議。它適合于數(shù)據(jù)傳輸速率在0~20000b/s范圍內(nèi)的通信。這個標準對串行通信接口的有關(guān)問題，如信號線功能、電器特性都作了明確規(guī)定。由于通行設(shè)備廠商都生產(chǎn)與RS-232C制式兼容的通信設(shè)備，因此，它作為一種標準，目前已在微機通信接口中廣泛采用[12]。AT89S52單片機具有全雙工串行UART通道，支持單片機進行數(shù)據(jù)的串行通信傳輸。除了單片機要與PC機制定通信協(xié)議，確定發(fā)送速率外還需要解決的問題就是信號電平問題。RS-232C標準規(guī)定了PC機發(fā)送數(shù)據(jù)總線TXD和接收數(shù)據(jù)總線RXD采用EIA電平，即傳送數(shù)字“1”時傳輸線上的電平在－3～－15V之間；傳送數(shù)字“0”時，傳輸線上的電平在＋3～＋15之間。但單片機串行口采用正邏輯TTL電平，即數(shù)字“1”時為＋5V數(shù)字“0”時為-5V，所以單片機與計算機不能直接相連進行通信必須將RS-232C與TTL電平進行通過芯片轉(zhuǎn)換。串口通信系統(tǒng)電平轉(zhuǎn)換電路圖見圖3.9。在通用的電平轉(zhuǎn)換芯片中MAX232系列的芯片以集成度高，單＋5V電源工作，只需外接5個小電容即可完成RS-232C與TTL電平之間的轉(zhuǎn)換而成為單片機系統(tǒng)中的常用芯片。該電路用于測試程序，以及系統(tǒng)軟件的修改。本系統(tǒng)軟件編寫的程序可直接通過PC機的串行口，再經(jīng)過MAX232電平轉(zhuǎn)換下載到單片機中，從而去執(zhí)行相應(yīng)的功能。在該顯示系統(tǒng)中，MAX232為通信系統(tǒng)中最重要的硬件組成部分。圖3.9串口通信系統(tǒng)下載電路圖3.6光立方的制作及工作原理介紹3.6.13DLED光立方搭接（1）LED元件選型3D8光立方采用高亮藍色草帽頭LED。設(shè)計中LED可以更換為其他型號的，只需滿足以下條件：1）額定驅(qū)動電壓3.3v（2.7v-3.8v）。2）額定驅(qū)動電流為20mA。3）陽極管腳長度27±1mm，陰極管腳長度為25±1mm。（2）LED亮度測試方法1）可使用兩節(jié)常見的1.5V的干電池判斷LED的陽極陰極。2）將萬能面包板接通電源，將LED插入面包板的一對插孔內(nèi)，其中靠近邊緣的為陽極、另一個為陰極，觀察其是否能被正常點亮，并可以改變限流電阻改變亮度，觀察該型LED的可測亮度范圍。建議從最低亮度開始，防止LED被燒毀。（3）LED光立方搭接方法為了保持整體的通透性、立體感，3D8光立方?jīng)]有設(shè)計額外的LED支架，所有搭接直接使用LED自身的管腳。1）水平折彎：基本徒手就可以保證焊接的整齊性和保證角度的統(tǒng)一。2）垂直折彎：可借助尖嘴鉗，目的是讓陰極擺出發(fā)光體一部，使其可以與其上下的LED進行搭接。（4）由點到線準備一塊木板，在上面打上8x8的64個孔，分布均勻，其間距為22.86mm，孔徑以配合LED為準。將折彎好的LED插入一排插入以后，其陽極正好可以搭接在一起。進行焊接，實現(xiàn)線行內(nèi)共陽的操作。（5）由線到面將焊好的一條一條LED平躺在平面上，實現(xiàn)束方向陰極的焊接。上方LED與下方LED陰極搭接的位置，可用LED自身根部的突起作為標志?？刂茖优c層間距，理想值依然為22.86(2.54*9)mm。一個層面LED搭建圖見圖3.10。圖3.10一個層面LED搭建圖圖3.11由面到體搭建圖（6）由面到體將垂直各面依次插到面包板上面，以后，將露出的陽極引腳橫向折90°，是其可以與其前后同一高度（同一層）的陽極進行焊接，實現(xiàn)各8x8平面的層共陽。實現(xiàn)層共陽以后，我們就得到了共計8條對陽極引線，通過漆包銅線，實現(xiàn)各層的陽極線與主板的連接。其中最頂層的對應(yīng)最靠近DC電源插座的陽極座。兩個層面搭建體圖見圖3.11。（7）靜態(tài)測試進行LED的靜態(tài)測試，對內(nèi)部常亮點、常暗點進行更換。由于LED還是比較嬌貴的元件，焊接過程中，應(yīng)避免靜電造成LED的損傷。最好使用防靜電焊臺，并佩戴防靜電手環(huán)。有硬件制作基礎(chǔ)的朋友，可以制作一個簡單的單面測試的模塊，借助鱷魚夾，對面內(nèi)各點進行測試，從而避免在各層都實現(xiàn)共陽連接以后再從中拆出個別壞點。就原理圖來說，3D8的LED搭接結(jié)果相對簡單，512個LED，分為64束，8層，束內(nèi)共陰，層內(nèi)共陽。3.6.23DLED光立方工作原理本設(shè)計介紹一個3DLED光立方顯示屏的制作，在單片機的P0口輸出顯示代碼，然后把掃描片選擇鎖存器送入74LS574，通過片選哪一列對應(yīng)的芯片就可以把顯示的內(nèi)容送到顯示屏顯示[13]?？紤]到P0口必需設(shè)置上拉電阻，我們采用4.7kΩ排電阻作為上拉電阻。整體顯示框圖見3.12。設(shè)計原理：利用單片控制LED點陣顯示的原理和控制技術(shù)，來制作控制光立方顯示。通過編寫程序控制不同LED的顯示，顯示所要顯示的內(nèi)容。根據(jù)人眼的視覺暫留效應(yīng)，設(shè)置每幅畫面的延遲時間使連續(xù)的一系列畫面呈現(xiàn)動態(tài)。最終達到所要顯示的內(nèi)容。每個燈都是由層控制端和列控制端共同決定亮或滅。單片機單片機層驅(qū)動器 LED光立方 列驅(qū)動器 3.12LED光立方整體顯示框圖在三維光立方中采用動態(tài)掃描顯示，這種顯示方式巧妙地利用了人眼的視覺暫留特性。將連續(xù)的幾幀畫面高速的循環(huán)顯示，只要幀速率高于24幀/秒，人眼看起來就是一個完整的，相對靜止的畫面。最典型的例子就是電影放映機。在電子領(lǐng)域中，因為這種動態(tài)掃描顯示方式極大的縮減了發(fā)光單元的信號線數(shù)量，因此在LED顯示技術(shù)中被廣泛使用?，F(xiàn)簡單描述一下用動態(tài)掃描顯示的方式，顯示字符“B”的過程。其掃描顯示過程見圖3.13。圖3.13用動態(tài)掃描顯示字符“B”的過程4系統(tǒng)軟件方案設(shè)計4.1概述 軟件設(shè)計包括按鍵程序、主程序、顯示程序三大部分，軟件功能結(jié)構(gòu)框圖見4.1。主程序通過調(diào)用按鍵查詢程序來判斷待顯示的圖案及花樣，主程序則調(diào)用相對應(yīng)的顯示程序送到控制端口。主程序主程序顯示程序按鍵程序圖4.1軟件功能結(jié)構(gòu)框圖4.2主程序設(shè)計系統(tǒng)軟件采用匯編語言編寫，按照模塊化的設(shè)計思路設(shè)計程序。首先分析程序所要實現(xiàn)的功能，程序要實現(xiàn)可靜態(tài)顯示、動態(tài)顯示、三維立體顯示。通過按鍵控制程序選擇不同的顯示程序進行顯示[14]。主程序的工作流程見圖4.2。圖4.2主程序流程圖程序開始時首先必須對單片機進行初始化設(shè)置，其中初始化設(shè)置的內(nèi)容包括：中斷優(yōu)先級的設(shè)定，中斷初始化，定時器初始化，串行通信時通信方式的選擇和波特率的設(shè)定，各IO口功能的設(shè)定等。把各子程序?qū)憺橐粋€可單獨執(zhí)行的完整子程序段。各子程序編譯沒有錯誤后再下載到單片機進行仿真驗證，這兩項都通過后再將所有的程序整合到一起，形成一個完整的程序再進行編譯和仿真驗證。4.3顯示程序的設(shè)計4.3.1LED顯示屏的數(shù)據(jù)傳送動態(tài)掃描顯示是把整個LED屏幕分成若干部分，每一幅畫面顯示過程是顯示完一部分后，又顯示第二部分……直到顯示完最后一部分又重新開始顯示第一部分，重復(fù)循環(huán)進行。在重復(fù)掃描速度足夠快的情況下，我們看到的就是一幅穩(wěn)定的靜態(tài)畫面。也就是說采用動態(tài)掃描顯示需要不斷進行畫面的刷新。動態(tài)掃描分為行掃描和列掃描，兩種方式區(qū)別在于選通端和數(shù)據(jù)輸入端分別是行還是列。先選通列然后再從行送入對應(yīng)列的數(shù)據(jù)，這樣從第1列到第8列循環(huán)往復(fù)，只要切換的速度足夠的快利用人眼的延時特性就可以看見一幅穩(wěn)定的畫面[15]。4.3.2顯示程序的設(shè)計顯示采用的是掃描顯示方式，選通一列后按照列對應(yīng)的數(shù)據(jù)表的數(shù)據(jù)第i列對應(yīng)的列數(shù)據(jù)為數(shù)組中的第i和第i+7個元素。將對應(yīng)數(shù)據(jù)由低至高位依次從控制端口輸出顯示。向右邏輯移位所得結(jié)果通過單片機端口輸出到鎖存器，通過片選需要顯示對應(yīng)的鎖存器在輸出顯示。如此依次循環(huán)選通各列來顯示所需畫面。動態(tài)顯示程序流程圖見4.4。把顯示的數(shù)據(jù)送到P0口，相應(yīng)的鎖存器接收數(shù)據(jù)，再把片選鎖存器的數(shù)據(jù)送到端口，相應(yīng)鎖存器接收數(shù)據(jù)并鎖存輸出顯示，接著把下一組數(shù)據(jù)送到P0口，改變片選鎖存器的數(shù)據(jù)，送到相應(yīng)鎖存器輸出顯示，直到把所有的數(shù)據(jù)局輸出傳送完畢后，顯示完成后，退出顯示程序，等待指令。輸出形式多種多樣，可以靜態(tài)輸出圖案，也可以動態(tài)、左移、右移、循環(huán)等花樣顯示。YYN顯示數(shù)據(jù)送P0選通列，送鎖存器輸出送下一列數(shù)據(jù)，選通信號左移左移次數(shù)>8顯示完成后程序初始化開始子程序返回圖4.4顯示程序流程圖4.4軟件中防止程序出錯ERR處理CPU受到干擾后，則CPU就不能按正常狀態(tài)執(zhí)行程序，往往將一些操作數(shù)當作指令碼來執(zhí)行，造成程序執(zhí)行混亂。這就是通常所說的程序“跑飛”。程序“跑飛”后使其恢復(fù)正常的一個最簡單的方法是使CPU復(fù)位，讓程序從頭開始重新運行。很多單片機控制的設(shè)備中都有設(shè)置人工復(fù)位電路。人工復(fù)位一般是在整個系統(tǒng)已經(jīng)完全癱瘓，無計可施的情況下才不得已而為之的。因此在進行軟件設(shè)計時就要考慮到萬一程序“跑飛”，應(yīng)讓其能夠自動恢復(fù)到正常狀態(tài)下運行。采用“指令冗余”是使“跑飛”的程序恢復(fù)正常的一種措施。所謂“指令冗余”，就是在一些關(guān)鍵的地方人為地插入一些單字節(jié)的空操作指令NOP。當程序“跑飛”到某條單字節(jié)指令上時，就不會發(fā)生將操作數(shù)當成指令來執(zhí)行的錯誤。應(yīng)該注意的是在一個程序中“指令冗余”不能使用過多，否則會降低程序的執(zhí)行效率。這時可以采用另一種軟件抗干擾措施，即設(shè)置“軟件陷阱”?！败浖葳濉笔且粭l引導(dǎo)指令，強行將捕獲的程序引向一個指定的地址，在那里有一段專門處理錯誤的程序。假設(shè)這段處理錯誤的程序入口地址為ERR，則下面三條指令即組成一個“軟件陷阱”：NOPNOPLJMPERR“軟件陷阱”一般安排在下列四種地方。（l）未使用的中斷向量區(qū)。51單片機的中斷向量區(qū)為0003H～002FH，在剩余的中斷向量區(qū)安排“軟件陷阱”，以便能捕捉到錯誤的中斷。（2）未使用的大片EPROM空間。對于剩余未編程的EPROM空間，一般都維持其原狀，即其內(nèi)容為OFFH。（3）表格區(qū)。表格一般有兩種，即數(shù)據(jù)表格和散轉(zhuǎn)表格。由于表格的內(nèi)容與檢索值有一一對應(yīng)的關(guān)系，因此只能在表格的最后安排陷阱設(shè)置指令。（4）子程序區(qū)。子程序區(qū)是由一系列的指令所構(gòu)成的，可以在子程序的結(jié)尾處安排陷阱。4.5ISP軟件程序下載ISP（In-SystemProgramming）是當今流行的單片機編程模式?？稍诰€系統(tǒng)編程的意思是指電路板上的可編程下載的空白元器件可以直接編程寫入最終用戶代碼，而不需要從電路板上取下可重復(fù)編程邏輯器件。已經(jīng)編程的器件也可以用ISP方式擦除或再編程。ISP的引腳接線圖見4.5。在完成編寫程序的編譯通過之后，把可以燒寫AT89S52的ISP編程器并與電腦主機硬件連接后，打開相應(yīng)下載軟件按步驟即可對AT89S52芯片進行程序燒錄下載。燒錄完成成功后會有提示。重新通電即可測試和運行電路。圖4.5ISP下載器接口接線圖5光立方PCB版制作5.1protues制作PCB版圖本設(shè)計采用protues制作PCB版圖，用Proteus制作PCB通常包括以下一些步驟：（1）繪制電路原理圖并仿真測試；（2）加載網(wǎng)絡(luò)表及元件封裝；（3）規(guī)劃電路板并設(shè)置相關(guān)參數(shù)；（4）元件布局及調(diào)整；（5）元件自動布線并手動調(diào)整布線；（6）輸出及制作PCB文件。5.1.1繪制電路原理圖并仿真測試在Proteus6Professional中用ISIS6Professional設(shè)計好電路原理圖，并結(jié)合WAVE進行軟件編程和硬件的仿真測試。電路原理圖見圖5.1。圖5.1電路原理圖5.1.2加載網(wǎng)絡(luò)表及元件封裝在ISIS6Professional界面中單擊DesignToolbar中的圖標或通過Tools菜單的NetlisttoARES命令打開ARES6Professional窗口如圖5.2所示?？梢钥吹?，在圖5.2中左下角的元器件選擇窗口中列出了從原理圖加載過來的所有元器件。若原理圖中的某些器件沒有自動加載封裝或者封裝庫中沒有合適的封裝，那么在加載網(wǎng)絡(luò)表時就會彈出一個要求選擇封裝的對話框，這時就需要根據(jù)具體的元件及其封裝進行手動選擇并加載。圖5.2ARES6Professional編輯界面對于沒有封裝或是封裝不合適的，則需要自己創(chuàng)建封裝。如本次設(shè)計中開關(guān)沒有合適的封裝需要自己畫開關(guān)封裝，四引腳開關(guān)封裝見圖5.3。圖5.3四引腳開關(guān)封裝5.1.3規(guī)劃電路板并設(shè)置相關(guān)參數(shù)（1）規(guī)劃電路板在ARES6Professional窗口中選中2D畫圖工具欄的圖標，在底部的電路層中選中BoardEdge層（黃色底層），即可以單擊鼠標左鍵拖畫出PCB板的邊框了。邊框的大小就是PCB板的大小，所以在畫邊框時應(yīng)根據(jù)實際，用測量工具來確定尺寸大小，本設(shè)計電路板采用150mm*200mm的單層覆銅版。（2）設(shè)置電路板的相關(guān)參數(shù)PCB板邊框畫好以后，就要設(shè)置電路板的相關(guān)參數(shù)。版層設(shè)置圖見圖5.4。單擊System中的SetDefaultRules項，在彈出的對話框中設(shè)置規(guī)則參數(shù)，有焊盤間距、線與焊盤間距、線與線間距等一些安全允許值。然后在Tools中選中(布線規(guī)則)項，在彈出的對話框中單擊EditStrategies項，出現(xiàn)一個對話框如圖5.4所示。在左上Strategy欄中分別選中POWER和SIGNAL，在下面的Pair1中選同一層BoardEdge層（黃色底層）。這樣，就完成了在單層板中布線的設(shè)置。其他系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，可以在System和Tools中去設(shè)置完成。圖5.4設(shè)置板層參數(shù)5.1.4元件布局及調(diào)整電路板的規(guī)則設(shè)計好以后，就可導(dǎo)入元件并布局。布局有自動布局和手動布局兩種方式。我采用手動布局的方式，則在左下角的元件選擇窗口中選中元件，在PCB板邊框中適當位置單擊左鍵，就可以把元件放入。本設(shè)計線采用自動布局然后手動調(diào)整的方式。自動布局后電路版圖見圖5.5，手動調(diào)整元器件后電路版圖見圖5.6。圖5.5元件自動布局版圖圖5.6手動調(diào)整元件布局版圖5.1.5元件布線及調(diào)整同樣，PCB的布線也是有自動布線和手動布線兩種布線方式。一般，是先用自動布線，然后手工修改，也可以直接手工布線。在布線時盡量要把焊盤測大一些以有利于后續(xù)的焊接工作。自動布線版圖見圖5.7，調(diào)整布線覆銅見圖5.8。圖5.7自動布線圖5.8手動調(diào)整并覆銅5.1.6輸出及制作PCB最后就是輸出打印電路版圖了。先單擊Output選項中的SetOutputArea選項，按住鼠標左鍵并拖動，選中要輸出的版圖。然后是設(shè)置要打印的輸出電路層。在Output選項中單擊Print/PlotLayout選項，出現(xiàn)設(shè)置對話框。在設(shè)置對話框中，單擊選擇Printer，可以選擇打印機和設(shè)置打印紙張以及版圖放置方向。在下面的Layers/Artworks欄中選擇要打印的層。因為布線是在底層進行的，所以在打印布線層時，在BottomCopper和BoardEdge選項前打勾，表示選中要打印輸出；而在打印元件的布局層（絲印層）時，在TopSilk和BoardEdge選項前打勾（這一層在打印時注意需要選擇鏡象打印）；Scale選項是打印輸出的圖紙比例，選100%；Rotation和Reflection選項分別是橫向/縱向輸出和是否要鏡象的設(shè)置。設(shè)置好以后就可以打印了，布線層的打印效果圖見5.9。圖5.9布線層的打印效果圖5.2PCB版的制作過程印制電路板PCB按基材的性質(zhì)可分為剛性印制板和撓性印制板兩大類；PCB按布線層數(shù)可分為單面板、雙面板和多層板三類。目前單面板和雙面板的應(yīng)用最為廣泛。剛性印制板PCB具有一定的機械強度，用它裝成的部件具有一定的抗彎能力，在使用時處于平展狀態(tài)。一般電子設(shè)備中使用的都是剛性印制板PCB。單面板(單面PCB)——絕緣基板上僅一面具有導(dǎo)電圖形的印制電路板PCB。它通常采用層壓紙板和玻璃布板加工制成。單面板的導(dǎo)電圖形比較簡單，大多采用絲網(wǎng)漏印法制成。本次設(shè)計制作PCB版采用的是單層剛性印制板。5.2.1熱轉(zhuǎn)印版圖首先把繪制好的PCB版圖用熱轉(zhuǎn)印紙打印出來，待冷卻后之后把轉(zhuǎn)印紙平鋪到覆銅板上用耐高溫膠帶粘好防止移動，打開熱轉(zhuǎn)印機，當溫度上升值設(shè)定值—183。C時，將覆銅板和轉(zhuǎn)印紙一起放入熱轉(zhuǎn)印機中轉(zhuǎn)印3至5遍。轉(zhuǎn)印完成之后，放置冷卻后，為的轉(zhuǎn)印效果更好，可以先揭一個小角看看轉(zhuǎn)印效果，若轉(zhuǎn)印完成很好，可以完全揭開轉(zhuǎn)印紙，否則就重新轉(zhuǎn)印1到2遍。5.2.2蝕刻去銅當覆銅板上已轉(zhuǎn)印上了版圖，圖紙顯示的是制圖的鏡像圖。打開刻蝕機預(yù)熱1到2分鐘，將細線系好覆銅板放到蝕刻液中，設(shè)置好時間為6分鐘。時間到后機器報警提醒時間到，慢慢的拿出銅版觀察多余的銅是否腐蝕完全，若沒有腐蝕完全重新繼續(xù)腐蝕，同時設(shè)置時間為4分鐘。當觀察到快腐蝕完全時，為防止腐蝕過度，損壞設(shè)計的電路布線圖，需要在一旁觀察，直到腐蝕完全。慢慢拿出，用清水沖洗殘余的腐蝕液，然后用烤箱烤干。5.2.3去墨打孔打孔是為了放置元器件，是至關(guān)重要的一步。制版方法可以分為：先打孔再轉(zhuǎn)印版圖和先轉(zhuǎn)印版圖在打孔。前者一般是采用智能鉆孔機自動打孔，后者一般采用手工打孔。由于本次設(shè)計采用PROTUES制版，對焊盤、走線、孔徑、最小距離等設(shè)置不熟練，選用的是手工打孔。把墨跡去除干凈后，焊盤走線顯示出來，依據(jù)設(shè)計原理圖，開始采用手動鉆孔機打孔。同時，仔細檢查電路防止在打孔中出現(xiàn)錯打空、漏打空等。打孔完成后，將制作好的PCB版圖圖上松香助焊劑，晾干。至此，一塊完整的PCB版圖制作完成。本次設(shè)計電路板制作良好，可靠。6系統(tǒng)測試及仿真控制電路板的安裝與測試在整個系統(tǒng)研制中占有重要位置，它是把理論付諸實踐的過程，也是把紙面電路設(shè)計轉(zhuǎn)變?yōu)閷嶋H產(chǎn)品的必經(jīng)階段。系統(tǒng)測試檢測可以分為硬件系統(tǒng)測試和軟件系統(tǒng)測試。6.1硬件系統(tǒng)測試對試驗階段的電路板的安裝一般有兩種方式即焊接方式和面包板插接方式。使用面包板焊接更加方便，容易更換線路和器件，而且可以多次使用。但在多次使用的面包板中彈簧片會變松，彈性變差，容易造成接觸不良，這是需要注意的。實驗和測試常用的儀器有：萬用表、穩(wěn)壓電源、示波器、邏輯分析儀等。（1）測試前不加電源的檢查對照電路圖和實際線路檢查連線是否正確，包括錯接、少接、多接等；用萬用表電阻檔檢查焊接和接插是否良好；元器件引腳之間有無短路；連接處有無接觸不良；二極管、三極管、集成電路的電源正負極和電解電容的極性是否正確；電源供電包括極性、信號源連線是否正確；電源端對地是否存在短路（用萬用表測量電阻）。若電路經(jīng)過上述檢查，確認無誤后，可轉(zhuǎn)入靜態(tài)檢測與測試。（2）靜態(tài)檢測與測試斷開輸入信號，把經(jīng)過準確測量的電源接入電路，用萬用表電壓檔監(jiān)測電源電壓，觀察有無異常現(xiàn)象。如冒煙、異常氣味、手摸元器件發(fā)燙，電源短路等。如發(fā)現(xiàn)異常情況，立即切斷電源，排除故障；如無異常情況，分別測量各關(guān)鍵點直流電壓，如靜態(tài)工作點、數(shù)字電路各輸入端和輸出端的高、低電平值及邏輯關(guān)系、放大電路輸入、輸出端直流電壓等是否在正常工作狀態(tài)下，如不符，則調(diào)整電路元器件參數(shù)、更換元器件等，使電路最終工作在合適的工作狀態(tài)；對于放大電路還要用示波器觀察是否有自激發(fā)生。（3）動態(tài)檢測與測試動態(tài)測試是在靜態(tài)測試的基礎(chǔ)上進行的，測試的方法地在電路的輸入端加上所需的信號源，并循著信號的注射逐級檢測各有關(guān)點的波形、參數(shù)和性能指標是否滿足設(shè)計要求，如有必要對電路參數(shù)作進一步調(diào)整。若發(fā)現(xiàn)問題，要設(shè)法找出原因，排除故障后，繼續(xù)檢測完電路至沒有錯誤。（4）測試注意事項1）正確使用測量儀器的接地端，儀器的接地端與電路的接地端要可靠連接。2）在信號較弱的輸入端，盡可能使用屏蔽線連線，屏蔽線的外屏蔽層要接到公共地線上，在頻率較高時要設(shè)法隔離連接線分布電容的影響，例如用示波器測量時應(yīng)該使用示波器探頭連接，以減少分布電容的影響。3）測量電壓所用儀器的輸入阻抗必須遠大于被測處的等效阻抗。4）測量儀器的帶寬必須大于被測量電路的帶寬。5）正確選擇測量點和測量。6）認真觀察記錄實驗過程，包括條件、現(xiàn)象、數(shù)據(jù)、波形、相位等。7）出現(xiàn)故障時要認真查找原因。6.2軟件系統(tǒng)測試單片機是本設(shè)計的核心控制器，只有保證單片機的正常工作才能完成程序的運行及顯示的控制。保證單片機最小系統(tǒng)能夠正常工作是前提。判斷辦法就是用萬用表測量單片機時鐘引腳（18、