基于单片机的艺术彩灯的设计与实现.doc

沈阳理工大学学士学位论文摘 要发光二极管(Light Emitting Diode，LED)发明于20世纪60年代，它是利用半导体材料中的电子和空穴相互结合并释放出能量，使得能量带(Energy Gat，)位阶改变，以发光显示其所释放出的能量。LED具有体积小、寿命长、驱动电压低、耗电量低、反应速率快、耐震性佳等优点。随着社会的快速发展，LED照明装饰技术将在社会的应用越来越广。19世纪兴起的数字电路以其先天的便捷、稳定的优点在现代电子技术电路中占有越来越重要的地位。随着人们生活环境的不断改善和美化，在许多场合可以看到彩灯。LED彩灯由于其丰富的灯光色彩，低廉的造价以及控制简单等特点而得到了广泛的应用，用彩灯来装饰街道和城市建筑物已经成为一种时尚。但目前市场上各式样的LED彩灯控制器大多数用全硬件电路实现，电路结构复杂、功能单一，这样一旦制作成品只能按照固定的模式闪亮，不能根据不同场合、不同时间段的需要来调节亮灯时间和变化。关键词：LED；单片机；艺术彩灯 AbstractLight Emitting Diode was invented in the 1960s, It is the use of semiconductor material in the electronic and cavities mutual combination and release energy,and make the Energy Gat change and as emitting shows release energy.LED has small shape,long life, low voltage driver, low power consumption, reaction velocity and Seismic sex good, etc.With the rapid development of society, LED lighting decoration technology will be in social used more and more widely. The rise of digital circuit in the 19 th century with its innate convenient stable advantages in the modern electronic technology in the circuit plays more and more important position. As people life environment constantly improve and beautification, in many occasions to see colorful lights. Because of its rich LED lights,light color, low cost and control of simple features and a wide range of applications. With colored lights to decorate the streets and city building has become a fashion. But on the market at present the style of LED lights controller with all the hardware circuit implementation most, Circuit structure is complex single function.Then, once the production of finished products according to the fixed mode only shine, cannot according to different situations the needs of different period to adjust the light on time and change.Keywords:LED; lights controller; semiconductor material59目 录1 引 言11.1选题背景及目的11.2LED介绍及其应用领域11.3主要研究内容31.3.1 三基色的原理31.3.2 设计的主要内容32艺术彩灯系统52.1 单片机的概念52.2 STC15F100系统单片机62.2.1 引脚说明62.2.2 STC15F100系列单片机最小应用系统83 艺术彩灯硬件电路设计93.1艺术彩灯系统电路总体设计方案93.2 艺术彩灯系统电路各部分模块的设计103.2.1 艺术彩灯电源设计103.2.2 按键控制电路的设计113.2.3 下载电路的设计113.2.3 显示电路的设计134 系统软件设计214.1 艺术彩灯延时子程序214.2 初始化设计224.3 七彩渐变部分程序234.4 七彩跳变部分程序设计234.5 呼吸灯部分程序设计234.6 点阵屏程序设计234.6.1 点阵屏主程序设计244.6.1 点阵屏显示程序设计255 制作与调试265.1 硬件的绘制265.1.1 原理图的绘制265.1.2 元器件封装的绘制265.1.2 布局布线275.2 硬件的制作与调试275.3 软件的调试285.4 软硬件结合调试29结 论32致 谢33参考文献34附录A 英文原文35附录B 汉语翻译41附录C 程序代码45附录D 艺术彩灯原理图54附录E 艺术彩灯PCB板图55附录F 艺术彩灯实物图561 引 言 1.1 选题背景及目的随着社会的快速发展，LED照明装饰技术将在社会的应用越来越广。19世纪兴起的数字电路以其先天的便捷、稳定的优点在现代电子技术电路中占有越来越重要的地位。随着人们生活环境的不断改善和美化，在许多场合可以看到彩灯。LED彩灯由于其丰富的灯光色彩，低廉的造价以及控制简单等特点而得到了广泛的应用，用彩灯来装饰街道和城市建筑物已经成为一种时尚。但目前市场上各式样的LED彩灯控制器大多数用全硬件电路实现，电路结构复杂、功能单一，这样一旦制作成品只能按照固定的模式闪亮，不能根据不同场合、不同时间段的需要来调节亮灯时间和变化。因此选择单片机作为控制元件可以方便的对彩灯进行调节和控制1。1.2 LED介绍及其应用领域LED发光原理:发光二极管LED (Light Emitting Diode)是利用二极管內电子与空隙结合过程中能量转换产生光的输出。LED特性:冷性发光不产生热，元件寿命长(十万小时以上)、反应速度很快、体积小、功耗小、适合量产，高可靠度。LED制作材料通常为砷、磷、镓等-族元素，制作过程包括上游的晶圆制作、磊晶成长，中游的扩散制程、金属蒸镀、晶粒制作，以及下游的产品封装及应用市场等。LED应用 LED的应用领域非常广，包括通讯、消费性电子、汽车、照明、信号灯等，可大体区分为背光源、照明、电子设备、显示屏、汽车等五大领域。LED在使用时也有很多的弊端。第一点LED发光二极管已被全球公认为最高效的人造照明技术。虽然国内还有不少人在商家误导下认为LED是用来替代LCD液晶的显示技术，但实际上这种高能效照明技术从上世纪六七十年代就已经开始应用，如今从各种指示灯、路灯、节日彩灯再到笔记本、电视背光都在广泛采用LED照明。由于其高能效，人们普遍认为用LED灯取代传统的灯泡、荧光灯是一种非常环保的做法。 然而，近日由美国加州大学艾尔文分校进行的一项调查却显示，使用LED的环保功效很可能会被其包含的有毒物质所抵消。在该校社会生态学系和公共健康项目共同进行的这项研究中，他们分析了市场上常见的圣诞树彩灯组中的红色、黄色、绿色和蓝色的LED灯，其中既包括高亮度LED，也包括低亮度产品。结果显示，这些LED灯中包含有锑、砷、铬、铅以及其他多种金属元素。其中，部分LED灯的有毒元素含量已经超过了监管部门制定的标准。比如在低亮度红色LED灯中，研究人员发现其铅含量超标达到8倍，镍含量也超标2.5倍。实际上在美国加州法律中，绝大多数LED灯都已经被明确定义为有毒垃圾，如果使用普通填埋的办法处理将会污染土壤和地下水。而如果LED灯破碎，还可能会对直接接触的人体健康造成损害。但至今，无论各国政府还是民众都对LED灯的环境和健康危险知之甚少。该报告表示，LED中的砷、铅、镍和铜元素对人体和环境的影响最为严重，未来应当进行更为细致深入的调查，以促进政府对LED产品的安全使用和回收处理制定规范。简单的说，大家应该清楚，虽然LED的能效非常高，但它绝非完全环保的选择，只是蕴含的潜在危险和其他照明技术不同罢了。 第二点 LED需要由于单个发光面比较窄，通常大规模集成在线路板上，形成一个比较大的发光源，由此会造成大量热量积累，有时会击穿电路板。所以LED灯的散热一定要好。第三点 人眼最不能接受的是蓝光和UV光(即紫外线光)，蓝光杀伤人眼活性细胞的能力是绿光的10倍，而UV光杀伤人眼活性细胞的能力又是蓝光的10倍，长期接触大量低波长的蓝光能大量杀伤人眼活性细胞，最终癌化形成斑块。而LED白光形成主要是靠450-455NM波长蓝光激发荧光粉，其中波长越低击发能力越强，通常LED的波长出厂控制在500NM之内，即450-455NM，或455-460NM，属于伤害最强的区段，如果波长变大，那么激发荧光粉的能力就下降，效率降低。人们为了追求亮度，通常更会加强LED的蓝光强度，点灯时间越久，荧光粉衰减越快，进而导致人眼接触的蓝光波段的光照越强烈，从而对人眼造成伤害。所以LED灯具在道路交通的LED导航指示、LED路灯、LED台灯的使用上具有一定的不利因素，容易让人在使用过程中产生头晕眼花、不舒服的感觉，甚至长期使用会变成眼晴伤害，使得患眼病的机率会有所提高。LED的出现打破了传统光源的设计方法与思路，目前有两种最新的设计理念。 1、情景照明：是2008年由飞利浦提出的情景照明，以环境的需求来设计灯具。情景照明以场所为出发点，旨在营造一种漂亮、绚丽的光照环境，去烘托场景效果，使人感觉到有场景氛围。 2、情调照明：是以人的需求来设计灯具。情调照明是以人情感为出发点，从人的角度去创造一种意境般的光照环境。情调照明与情景照明有所不同，情调照明是动态的，可以满足人的精神需求的照明方式，使人感到有情调;而情景照明是静态的，它只能强调场景光照的需求，而不能表达人的情绪，从某种意义上说，情调照明涵盖情景照明。情调照明包含四个方面：一是环保节能，二是健康，三是智能化，四是人性化。1.3 主要研究内容主要的课题研究包括三基色的显示原理和设计单片机控制三色光。1.3.1 三基色的原理三基色是指红，绿，蓝三色，人眼对红、绿、蓝最为敏感，大多数的颜色可以通过红、绿、蓝三色按照不同的比例合成产生。同样绝大多数单色光也可以分解成红绿蓝三种色光。这是色度学的最基本原理，即三基色原理。红绿蓝三基色按照不同的比例相加合成混色称为相加混色，除了相加混色法之外还有相减混色法。可根据需要相加相减调配颜色。主要内容：（1）自然界中的绝大部分彩色，都可以由三种基色按一定比例混合得到；反之，任意一种彩色均可被分解为三种基色。（2）作为基色的三种彩色，要相互独立，即其中任何一种基色都不能由另外两种基色混合来产生。（3）由三基色混合而得到的彩色光的亮度等于参与混合的各基色的亮度之和。（4）三基色的比例决定了混合色的色调和色饱和度2。三基色的相加原理如下：红色+绿色=黄色绿色+蓝色=青色红色+蓝色=品红红色+绿色+蓝色=白色1.3.2 设计的主要内容 用单片机控制PWM波形来完成彩色显示任务，其系统原理框图如图1.1所示：电源处理模块单片机模块输出显示模块图1.1 艺术彩灯系统框图艺术彩灯的设计思路如下：电源处理模块：直接接220V市电，利用变压器转换为低电压，利用电流桥转换为直流电压，并使用LM7805芯片转换成5V电压以供后续模块的使用3。单片机模块：单片机模块主要有主控芯片STC15F104E单片机、下载模块、限流电阻、和控制微动开关组成。输出显示模块：由独立的三个LED灯外加9015三极管组成，包括红、绿、蓝三种；另外有LED的16*16点阵屏一块作为扩展。点阵屏为面包板搭建，使用的是74HC595和74HC164作为引脚扩展芯片。2 艺术彩灯系统本设计是基于单片机控制的，设计所用单片机是STC15F104E，在介绍电路设计之前，先简单了解一下单片机的工作原理，即STC15F104E的基本特性。 众所周知，近几十年来微型计算机的发展速度是十分迅速的，其发展方向主要有两个方面：其一是不断推出高性能的通用微型计算机系统。从20世纪80年代的286、386直到今天的P4，字长已从原来的8位扩展到64位；CPU的处理速度和处理能力大大增强；先进的系统结构，使微机适合组成网络。通用微型计算机系统主要用于信息管理、科学计算、辅助设计、辅助制造等。其二是面向控制型应用领域的单片微型计算机的大量生产和广泛应用。如Intel、ZILOG、NEC等公司都生产单片微型计算机。由于单片机具有可靠性高、体积小、价格低、易于产品化等特点，因而在智能仪器仪表、实时工业控制、智能终端、通信设备、导航系统、家用电器等自控领域获得广泛应用4。2.1 单片机的概念随着大规模集成电路技术的飞速发展，20世纪70年代后，人们能够把中央处理器（Central Processing Unit， CPU）、存储器（Memory）、输入/输出（Input/Output，I/O）接口以及常用的功能模块（如定时器/计数器、中断系统、串行接口等）集成在一块集成电路芯片上，这就形成了单片微型计算机，简称单片机。单片机常被作为控制部件嵌入在应用系统中，所以也被称为嵌入式微控制器或嵌入式单片微机。在国际上，“微控制器”的叫法更通用些，在我国比较习惯“单片机”这一名称5。单片机的发展历史虽然不长，但已在许多领域中得到了广泛的应用，这是因为单片机具有卓越的性能和突出的特点。体积小，成本低，使用灵活，易于产品化。这使得能用单片机方便地组成各种智能化的控制设备和仪器，做到机电一体化。面向控制。单片机的硬件结构和指令系统都带有强烈的控制色彩，可以用单片机有针对性地解决从简单到复杂的给类控制任务。抗干扰能力强。单片机能适用的温度范围宽，在各种恶劣的环境下都能可靠地工作，这是其他类型的计算机无法比拟的。网络功能。用单片机可以方便地构成多机或分布式控制系统。使整个控制系统的效率和可靠性大为提高。也可以将单片机作为网络的终端。外部扩展能力强。在单片机内部的各种功能部件不能满足应用需要时，均可在外部进行扩展（如扩展ROM、RAM，I/O接口，定时器/计数器，中断系统等），由于它与许多通用的微机接口芯片兼容，给应用系统设计带来极大的方便和灵活性。可靠性高。为了满足各种复杂的应用要求，单片机芯片是按工业测试环境要求设计的。产品在120温度下经44小时老化处理，还要通过电气测试及最终质量检测，以适应各种恶劣的工作环境。2.2 STC15F100系统单片机STC是在深圳的一家8051单片机设计生产公司。STC系列的单片机现在在中国的51单片机市场上占有较大比例。宏晶科技现已成长为全球最大的8051单片机设计公司，现提供专用MCU设计服务。深圳宏晶科技有限公司是专业单片机供应商，致力于提供处于业内领先地位的，高性能STC系列MCU和SRAM。其产品已通过国际权威认证机构SGS（瑞士通用公证行）的多项认证：1、EFT测试认证：过4KV快速脉冲干扰2、绿色环保认证：无铅认证 STCMCU性能特点在于：89C系列：工作频率040M相当于普通8051的080M，FLASH程序储存4K-64K，RAM数据储存512B1280B，内部集成EEPROM 2K16K及看门狗和专用复位电路，带A/D功能。12C系列：单时钟/机器周期。超小封装。2-4路PWM，8-10位高速A/D转换。FLASH程序储存512B60K，RAM数据储存256B1280B，集成EEPROM及硬件WDT。产品都有为低功耗。有ISP和IAP功能，强抗干扰和降低EMI性能。15F系列有STC最少引脚8引脚的单片机.最显著的特点就是支持ISP在线下载功能。STC15F100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/高可靠 /低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，采用宏晶第八代加密技术，加密性超强，指令代码 完全兼容传统8051，但速度快6-12倍。内部集成高精度R/C时钟，1%温飘，常温下温飘5， 5MHz35MHz宽范围可设置，可彻底省掉外部昂贵的晶振。内部高可靠复位，8级可选复位门 槛电压，可彻底省掉外部复位电路。2.2.1 引脚说明由于STC15F104E单片机是8引脚单片机，故没有所谓的P0、P1和P2口。其中除去电源VCC和地GND外，其余为六个引脚，分别为普通单片机的P3.0口P3.5口，如下：VCC：供电电压。GND：接地。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，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为STC15F104E的一些特殊功能口，如下所示：P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）STC15F104E的外部引脚图如图2.1所示：图2.1 STC15F104E外部引脚图在STC15F104E单片机当中，P3.0和P3.1接口是下载预留口，VCC和GND是电源的预留口。与普通的51单片机不同，STC15F104E由于只有8个外部接口，故它的管脚分布和普通的51单片机有所不同。STC15F104E单片机只具有P3口，而且只有P3.0P3.5六个外部引脚。在官方给的资料当中，介绍说，STC15F104E在使用外部中断时，会出现故障。传统8051单片机执行I/O口操作,由高变低或由低变高，以及读外部状态都是12个时钟，而现在STC15F100系列单片机执行相应的操作是4个时钟。传统8051单片机如果对外输出为低，直接读外部状态是读不对的。必须先将I/O口置高才能够读对，而传统8051单片机由低变高的指令是12个时钟，该指令执行完成后，该I/O口也确实已变高.故可以紧跟着由低变高的指令后面，直接执行读该I/O口状态指令。而STC15F100系列单片机由于执行由低变高的指令是4个周期，速度太快，相应的指令执行完以后，I/O口还没有变高，要再过一个时钟之后，该I/O口才可以变高。故建议此状态下增加2个空操作延时指令，再读外部口的状态。最新STC15F00系列单片机I/O口的灌电流是20mA，驱动能力超强，驱动大电流时，不容易烧坏。传统STC89Cxx系列单片机I/O口的灌电流是6mA，驱动能力不够强，不能驱动大电流2.2.2 STC15F100系列单片机最小应用系统STC15F100系列单片机最小应用系统图如图2.2所示：图2.2 STC15F100系列最小应用系统STC15F100系列单片机，具有内部晶振高可靠复位，不需要外部复位电路P3.4/RST/T0/CLKOUT1/ INT2/IRC_CLKO脚出厂时默认为I/O 口，可通过 STC-ISP 编程器将其设置为RST 复位脚。内部高精度度R/C振荡器，温飘1%(-40+85)常温下温飘5, 不需要昂贵的外部晶振建议加上电容C1(10F), C2(0.1F), 可去除电源噪声，提高抗干扰能力 。3 艺术彩灯硬件电路设计艺术彩灯的硬件设计包括电源、主控芯片、控制按键、外接模块的设计。其中电源模块和外接模块均采用面包板搭建。而与单片机直接相连的部分是用单层铜板利用刻蚀技术完成的。3.1 艺术彩灯系统电路总体设计方案艺术彩灯的系统电路如图3.1所示：图3.1 艺术彩灯系统原理图由单片机STC15F104E编程产生PWM脉冲，由P3.3、P3.4、P3.5输出，等待高电平输出。PWM可以控制LED彩灯的亮灭变换，以实现彩灯的效果6。该测距装置是由单片机控制电路、控制模块、下载电源及预留模块、LED显示扩展模块。由于使用的单片机为8引脚单片机，故没有外接的晶振。单片机的外部电源接市电220V，故有单独的处理模块，由一12V变压器、电流桥、整流电解电容、LM7805电压转换芯片组成。7外扩模块中，最初采用的是三个单纯的LED灯，在后来的测试中发现采用这种模式的LED灯驱动能力不强，结果就是LED亮度较低不能满足设计的要求。在后来的改进设计中采用的是9015三极管提供上拉电压，而单片机的接口只是提供输出信号。外扩模块还有另外一个16*16点阵屏，采用的是74HC595和74HC164芯片作为扩展芯片。由于采用的STC15F104E单片机只有6个可用的外部引脚，所以必需采用引脚扩展。3.2 艺术彩灯系统电路各部分模块的设计艺术彩灯系统共分为五个独立的模块，包括电源模块、按键模块、外扩展模块、MCU控制模块、下载模块。3.2.1 艺术彩灯电源设计电源模块是整个系统工作的基础，电源的设计非常重要。当电源设计不够精密是会出现各种问题，如点阵屏的闪烁，甚至烧坏芯片。1、单相桥式整流及滤波电路本电源采用SEP2W10整流桥，属全波整流电路。整流桥相当于四个整流二极管，所以和二极管整流的原理是一样的，利用二极管的单向导性。它是一种圆形的整流桥，电流2A，最大耐压1000V，很多电子产品上面会用到。2、集成稳压器输入电源经过SEP2W10整流桥整流及平滑电容C1滤波后得到非稳定812V直流电压加到7805输入端， C3为输入稳定电容，当稳压器输入阻抗降低时，防止发生振荡，可采用0.11uF的陶瓷电容，若平滑电容C1离7805很近时，此电容可省去，故将此电容省去。C4为输出稳定电容，对于降低输出纹波、输出噪声及负载电流变化的影响有较好的效果，采用0.1uF的陶瓷电容。如图3.2所示：图3.2 电源原理图3.2.2 按键控制电路的设计按键控制电路采用的是简单的微动开关进行处理，最开始时的设计是每个微动开关与单片机相连是的引脚之间存在一个保护电阻作为限流电阻100。在后来的实践当中发现这么做存在非常大的弊端。利用万用表测量时，发现，当按下微动开关时，与单片机相连的引脚出的电压仅为0.6V左右。分析原因，最后确定，单片机为TTL型，初期认为单片机为CMOS型，故设计时出错。下图为设计初期的电路原理图，实验成品将此部分改为飞线。最初的按键设计电路如图3.3所示：图3.3 按键控制电路原理图最终设计结束时，由于考虑单片机引脚过少，故将P3.3、P3.4引脚改为P3.0与P3.1，在此做出说明。3.2.3 下载电路的设计关于STC15F104E的下载，最开始准备采用已有STC单片机开发板进行飞线连接。后来在测试当中发现驱动有问题，果断放弃此方案。STC的下载官方给出专门的下载软件，与其他单片机相比，STC的下载还是比较简单的。根据官方给的资料，利用Altium Design Summer 09画出的STC下载电路的原理图如图3.4所示：图3.4下载原理图STC下载具有以下特点：内部高可靠复位，不需要外部复位电路。P3.4/RST/T0/CLKOUT1/ INT2/IRC_CLKO脚出厂时默认为I/O 口，可以通过 STC-ISP 编程器将其设置为RST 复位脚.内部高精度R/C振荡器，温飘1%(-40+85)常温下温飘5, 不需要昂贵的外部晶振建议加上电容C1(10F), C2(0.1F), 可去除电源噪声，提高抗干扰能力。下载端口预留如图3.5所示：图3.5下载与电源接口原理图第一次选取的下载失败。在下载器的选择上，第二次使用的是如图3.6的下载器：图3.6第一次选择下载器图在下后来在多次试验均不成功，现在分析原因是STC下载是需要专门的电平，此下载器是专用的并口转串口下载器，故缺少必要的MAX232芯片。选择换另外一种下载器，如图3.7所示：图3.7最终下载器图3.2.3 显示电路的设计LED显示模块最开始时是单纯的由几个发光二极管拼出的七彩显示，后来在马老师的建议下，开始准备添加点阵模块，不过在后来的测试中，STC15F104E单片机与16*16的点阵不兼容。考虑其原因可能是STC15F100系列单片机由于执行由低变高的指令是4个周期，速度太快，相应的指令执行完以后，I/O口还没有变高，要再过一个时钟之后，该I/O口才可以变高。LED显示模块原理图如图3.8所示：图3.8显示扩展模块的原理图为了能更好的显示出七彩的效果，最开始选用的是普通的5mmLED灯。后来测试中感觉亮度偏低，所以选择了超高亮的LED。其参数如下所示：1、5mm白发红超高亮LED发光二极管如下：5mm 聚光波长：620-623nm亮度：2000-3000mcd电压：1.8-2.0V2、5mm白发绿超高亮LED发光二极管如下：5mm 聚光波长：520-525nm亮度：8000-9000mcd电压：3.2-3.4V3、5mm白发蓝超高亮LED发光二极管如下：5mm 聚光波长：460-465nm亮度：5000-6000mcd电压：3.0-3.2V为了使显示变的简单些，将红色LED与单片机的P3.3口连接，绿色LED与单片机的P3.4口连接，蓝色LED与单片机的P3.5口连接。在开始的设计当中，是将LED灯与端口直接连接的，在测试中，发现这种方式接入的话，LED亮度比较低，不满足要求。最后在翻阅大量资料后确定最终的方案。采用共阴极的接法，利用PNP提供上拉电平，使三极管工作在饱和区，这样电流驱动变大，LED亮度和以往比有比较大的提升，满足了设计的需要。最后在扩展模块的最终设计如图3.9所示：图3.9 显示扩展模块的外接图在此七彩模块显示当中，9015三极管中1号引脚为发射极，2号引脚为基极，3号引脚为集电极。9015使用的是TO-92的封装，三极管的封装形式如图3.10所示：图3.10 9015PNP三极管的封装图2、点阵显示模块的设计点阵显示模块最开始选用的是8*8点阵，后来在选购的时候出现了点阵颜色不匹配的问题，另外考虑利用面包板搭建4块8*8的点阵太过的麻烦，故放弃这种方案。后来考虑重新开版重新制作PCB，考虑时间问题，最终放弃。其中使用74HC595和74HC164芯片8。74HC595 是一款漏极开路输出的CMOS 移位寄存器，输出端口为可控的三态输出 端，亦能串行输出控制下一级级联芯片。74HC595的特点：1、高速移位时钟频率Fmax25MHz；2、 标准串行（SPI）接口；3、 CMOS 串行输出，可用于多个设备的级联；4、低功耗：TA =25时，Icc=4A（MAX）。74HC595引脚功能如表3.1所示：表3.1 74HC595引脚对映图管脚编号管脚号管脚定义功能1、2、3、4、5、6、7、15QAQH三态输出管脚8GND电源地9SQH串行数据输出管脚10SCLR位移寄存器清零端11SCK数据输入时钟线12RCK输出存储锁存时钟线13OE输出使能14SI数据线15VCC电源线74HC164是8位移位寄存器，当其中一个（或二个）选通串行输入端的低电平禁止进入新数据，并把第一个触发器在下一个时钟脉冲来后复位到低电平时，门控串行输入端（A 和B） 可完全控制输入数据。一个高电平输入后就使另一个输入端赋能，这个输入就决定了第一个触发器的状态。虽然不管时钟处于高电平或低电平时，串行输入端的数据都可以被改变，但只有满足建立条件的信息才能被输入。时钟控制发生在时钟输入由低电平到高电平的跃变上。点阵模块的原理图如图3.11、图3.12、图3.13所示：图3.11 74HC595并转串模块图图3.12 74HC164并转串模块图图3.13 上拉限流模块图在最终的点阵模块使用的是这是一块很小的点阵模块，一块集合了16*16的像数点，单红色。共32个引脚。16个数据引脚，16个扫描引脚。非常方便的布线。引脚间距都是标准的2.54MM。其中点阵的品牌为日本罗姆型号为16*16 点阵 【共阳红色】，尺寸为40.64mm*40.64mm，LED直径为2.0mm。官方给的引脚数据有问题，因此用万用表测量出其正确的对映的引脚如表3.2所示：表3.2 16*16点阵引脚对映图引脚编号对映引脚引脚编号对映引脚11 Anode1710 Anode23 Anode1812 Anode34 Anode1911 Anode42 Anode209 Anode5I Cathode21A Cathode6J Cathode22B Cathode7K Cathode23C Cathode8L Cathode24D Cathode9M Cathode25E Cathode10N Cathode26F Cathode11O Cathode27G Cathode12P Cathode28H Cathode138 Anode2915 Anode146 Anode3013 Anode155 Anode3114 Anode167 Anode3216 AnodeLED驱动显示采用动态扫描方法，动态扫描方式是逐行轮流点亮，这样扫描驱动电路就可以实现多行的同名列共用一套列驱动器。以16*16点阵为例，把所有同一行的发光管的阳极连在一起，把所有同一列的发光管的阴极连在一起（共阳的接法），先送出对应第1行发光管亮灭的数据并锁存，然后选通第1行使其燃亮一定的时间，然后熄灭；再送出第2行的数据并锁存，然后选通第2行使其燃亮相同的时间，然后熄灭；.第16行之后，又重新燃亮第1行，反复轮回。当这样轮回的速度足够快（每秒24次以上），由于人眼的视觉暂留现象，就能看到显示屏上稳定的图形。该方法能驱动较多的LED，控制方式较灵活，而且节省单片机的资源。点阵模块其中的显示原理如图3.14所示:图3.14 点阵模块显示原理图以16*16点阵为例，把所有同一行的发光管的阳极连在一起，把所有同一列的发光管的阴极连在一起（共阳的接法），先送出对应第1行发光管亮灭的数据并锁存，然后选通第1行使其燃亮一定的时间，然后熄灭；再送出第2行的数据并锁存，然后选通第2行使其燃亮相同的时间，然后熄灭；.第16行之后，又重新燃亮第1行，反复轮回。当这样轮回的速度足够快（每秒24次以上），由于人眼的视觉暂留现象，就能看到显示屏上稳定的图形。该方法能驱动较多的LED，控制方式较灵活，而且节省单片机的资源。显示数据传输采用串行传输的方法，控制电路可以只用一根信号线，将列数据一位一位传往列驱动器，在硬件方面无疑是十分经济的。但串行传输过程较长，数据按顺序一位一位地输出给列驱动器，只有当一行的各列数据都已传输到位之后，这一行的各列才能并行地进行显示。对于串行传输方式来说，列数据准备时间可能相当长，在行扫描周期确定的情况下，留给行显示的时间就太少了，以致影响到LED的亮度。采用串行传输中列数据准备和列数据显示的时间矛盾，可以采用重叠处理的方法。即在显示本行各列数据的同时，传送下一行的列数据。为了达到重叠处理的目的，列数据的显示就需要有锁存功能。对于列数据准备来说，它应能实现串入并出的移位功能。这样，本行已准备好的数据打入并行锁存器进行显示时，串行移位寄存器就可以准备下一行的列数据，而不会影响本行的显示。LED点阵显示模块进行的方法有两种：水平方向（X方向）扫描，即逐列扫描的方式（简称列扫描方式）：此时用一个P口输出列码决定哪一列能亮（相当于位码），用另一个P口输出行码（列数据），决定该行上那哪个LED亮（相当于段码）。能亮的列从左到右扫描完16列（相当于位码循环移动16次）即显示出一个完整的图像。竖直方向（Y方向）扫描，即逐行扫描方式（简称行扫描方式）：此时用一个P口输出决定哪一行能亮（相当于位码），另一个P口输出列码（行数据，行数据为将列数据的点阵旋转90度的数据）决定该行上哪些LED灯亮（相当于段码）。能亮的行从上向下扫描完16行（相当于位码循环移位16次）即显示一帧完整的图像。本设计应用的是第一种的扫描方法，即水平方向（X方向）扫描。每一个字由16行16列的点阵形成显示，即每个字均由256个点阵来表示，我们可以把每一个点理解为一个像素。一般我们使用的16*16的点阵宋体字库，即所谓的16*16，是每一个汉字在纵横各16点的区域内显示的。汉字库从该位置起的32字节信息记录了该字的字模信息。事实上这个汉字屏不仅可以显示汉字，也可以显示在256像素范围内的任何图形。4 系统软件设计软件分为两部分，主程序和延时子程序。主程序完成初始化工作、 状态的转移和变换9。延时子程序主要完成时间值得读取。主程序首先是对系统环境初始化，设置判断引脚和部分初始化。先将P3.0、P3.1与P3.2电平设置为低电位，当主程序令该引脚为高电位时，进行状态的转换。主程序共分为四个模块，第一部分为系统初始化，主要完成初始状态的设定和一些必要的定义。第二部分为LED灯的七彩变化部分，完成由红到紫之间的变化。第三部分为LED跳变的过程，是与七彩变化相对比的另外一种彩灯形式。第四部分为呼吸灯的变化，这个是由第一部分演化过来的，是一种颜色的渐亮渐灭的变化。如图4.1所示：开始初始化七彩渐变七彩跳变呼吸灯图4.1艺术彩灯流程图4.1 艺术彩灯延时子程序延时子程序主要是给出固定的0.25ms的延时。单片机中，所以3字节指令每条指令用2us，所有分支指令每条指令用2us；所有12字节逻辑和算术指令，每条指令用1us，而寄存器到寄存器传送（MOV）用2us。MUL和DIV指令是唯一的例外，每条指令要花费4us10。其流程图如图4.2所示：接收延时定义char常数接收数值自减1开启for循环图4.2延时子程序流程图4.2 初始化设计1、按键0电位拉低；2、键盘1电位拉低；3、键盘2电位拉低；4、延时2s；5、红灯灭；6、绿灯灭；7、蓝灯灭；8、延时2s；9、跳转到七彩变化。初始化的流程变化如图4.3所示：按键0电位拉低按键1电位拉低按键2电位拉低延时2sLED灭跳转到七彩变化图4.3初始化设计流程图4.3 七彩渐变部分程序 这一部分程序是整个程序的核心，原理主要是利用PWM波来控制LED灯的亮度变化，以红、橙、黄、绿、青、蓝、紫的顺序显示出七彩光变化。程序中出现goto函数，这是为了更容易控制程序进行状态变化11。其流程图如图4.4所示：红灯亮红色渐灭，绿色渐亮绿灯亮绿色渐灭，蓝色渐亮蓝灯亮绿色渐灭，蓝色渐亮图4.4七彩变化流程图4.4 七彩跳变部分程序设计这一部分和渐变部分不同的是没有利用PWM，直接变化。流程图如图4.5所示。4.5 呼吸灯部分程序设计呼吸灯顾名思义，灯光在微电脑控制之下完成由亮到暗的逐渐变化，感觉像是在呼吸。广泛被用于数码产品，电脑，音响，汽车等各个领域，起到很好的视觉装饰效果。呼吸灯部分也是利用PWM进行，控制原理如图4.6所示。4.6 点阵屏程序设计点阵屏的程序设计属于后来添加的程序。在此程序中在16*16的点阵屏幕上每隔5s依次显示“我爱沈阳理工大学”六个字。其中包括主程序和显示子程序以及延时子程序。由于延时程序在前面的章节解释过，这里不做赘述。红灯变化延时1s绿灯变化延时1s蓝灯变化延时1s图4.5七彩跳变设计流程图红灯亮灭绿灯亮灭蓝灯亮灭按键按下按键按下按键按下图4.6 呼吸灯设计流程图4.6.1 点阵屏主程序设计点阵屏的主程序是控制要显示的子和在点阵屏上显示的时间，是整个程序的主体。主程序调用子程序完成相应的部分功能。主程序控制点阵屏，在点阵上每隔5s依次显示“我爱沈阳理工大学”，完成这部分功能后进行自循环，以达到循环显示的目的。而程序的显示部分则交给子模块进行处理。主程序调用的另一子模块为延时程序，子程序延时时间为1s。主程序给出所需的延时的时间，交由延时程序进行处理，以达到程序简单、明了、易读的特点。4.6.1 点阵屏显示程序设计点阵屏的显示程序比较复杂，要充分考虑74HC595和74HC164的工作原理。在这里列使用的是74HC595，而行使用的是74HC164。在他们的引脚设定里面给出DATA为列输出位，SCLH为列扫描时钟位。SCLT为列数据锁存位，AB为行数据输出位，SCK为行扫描时钟位。更为详细的显示过程在附录中会有体现，这里不做详解。5 制作与调试5.1 硬件的绘制硬件的绘制主要用到的软件是Altium Design Sumer 09，PCB版图设计大体可分为三个部分，一为原理图的绘制，二为PCB封装的绘制，最后就是布局布线。5.1.1 原理图的绘制Altium Design Summer 09虽然提供了肺腑的原理图元器件库，但不可能包括所有的元器件，必要时需手动设计原理图元器件，建立自己的元器件库。找到所有需要的原理图元器件后，就可以开始绘制原理图了。根据电路复杂程度决定是否需要使用层次原理图。本次毕业设计比较简单，这一部分没有使用。完成原理图后，用ERC（电气规则检查）工具差查错，找到出错的原因并修改原理图电路重新查错到没有原则性错误为止12。5.1.2 元器件封装的绘制与原理图元器件库一样，Altium Design Summer 09也不可能提供所有的元器件的封装。需要时自行设计并建立新的元器件封装库。总体上来讲，根据元件所采用安装技术的不同，可分为通孔安装技术（Through Hole Technology， 简称THT）和表面安装技术（Surface Mountain Technology ，简称SMT）。使用通孔安装技术安装元件时，元件安置在电路板的一面，元件引脚穿过PCB版焊接在令一面上，通孔安装元件需要占用较大的空间，并且要为所有引脚在电路板上钻孔，所以它们的引脚会占用两面的空间，而且焊点也比较大。但从另一方面讲，通孔安装元件与PCB连接较好，机械性能好。例如，排线的插座、接口板插槽等类似接口都需要一定的耐压能力，因此，通常采用通孔安装技术。表面安装元件，引脚焊盘与元件在电路板的同一面，表面安装元件一般比通孔元件体积小，而且不必为焊盘钻孔，甚至还能在PCB板的两面都焊上元件。因此，与使用通孔安装的元件的PCB板比起来，使用表面安装的PCB板上元件布局要密集很多，体积也小很多。此外，应用表面安装技术的封装元件比通孔安装元件要便宜一些，所以目前的PCB设计广泛采用了表面安装元件。本次毕业设计当中，最开始采用的单面板设计，由于设备限制，过于精密的器件不能够应用，所以采用的是通孔安装技术。5.1.2 布局布线确认原理图没有错误之后，开始PCB板的绘制。首先绘出PCB板的轮廓，确定工艺要求（使用几层板等）。最后将原理图传输到PCB板中，在网络报表、设计规则和原理图的引导下布局和布线。最后利用设计规则检查工具查错。此过程是电路设计时另一关键环节，它将决定该产品的使用性能，需要考虑的因素很多，不同的电路有不同的要求。装入网络表和元器件封装后，我们要把元件封装放入工作去，这样需要我们对元件封装进行布局。Altium Design Summer 09提供了强大的PCB自动布局功能，PCB编辑器根据一套智能算法可以自动地将元器件分开，最后放置到规划好的布局区域内并进行合理的布局。在自动布局前，首先要设置自动布局约束参数。合理地设置布局布线参数，可以使自动布局布线的结果更加完善，也就相对的减少了手动布局的工作量，节省了设计时间。元件的手动布局是指手动确定元件的为止。元件的自动布局结果中，虽然设置了自动布局的参数，但是自动布局只是对元件进行了初步的放置，自动布局中元件的摆放并不整齐，走线的长度也不是最短，PCB布线效果也不够完美，因此需要对元件的布局进行就一步的调整。在PCB板上，可以通过对元件的移动来完成手动布局的操作，但是单纯的手动移动不够精细，不能非常整齐的摆放元件，为此PCB编辑器提供了专门的手动布局操作。自动布线会出现一些不合理的布线情况，例如有较多的绕线、走线不美观等。此时可以通过手工布线进行一定的修正，对于元件网络较少的PCB板也可以完全采用手工布线。手工布线，要靠用户自己规划元件布局和走线路径，而网格式用户在空间和尺寸上的重要依据。因此，合理地设置网格，会更加方便设计者规划布局和放置导线。用户在设计的不同阶段可依据需要随时调整网格的大小，例如，在元件布局阶段，可将捕捉网格设置的大一点，如20mil。在布线阶段捕捉网格要设置小一点，如5mil甚至更小，尤其是在走线密集的区域，视图网格和捕捉网格设置要小一些，以方便观察和走线。5.2 硬件的制作与调试电路设计完成之后，就要进行硬件的制作了。制作硬件电路