基于单片机的光立方设计

XXXXXXXX 大学大学 本本科科课课程程设设计计 题 目 基基于于单单片片机机的的光光立立方方 设设计计 姓 名 学 号 院 系 专业 年级 指导教师 二 XX年X月 基于单片机的 4 4 4 光立方设计 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 新型的大屏幕要求显示画面色彩鲜艳 立 体感强 静如油画 动如电影 这些设计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 本设计旨在利用人眼视觉 暂留的特点 通过 AT89C52 单片机控制一个由 64 盏 LED 灯组成的四层光立方 模拟 3D 显示效果 实现三维显示 该光立方具有以下功能 1 能单独点亮每一个 LED 灯 2 能点亮任意一条线上的 LED 灯 3 能同时点亮任意一个面上的 LED 灯 4 能同时点亮所有的 LED 灯 5 能让 LED 灯自由亮灭 产生不同的显示效果 1 单片机资源分配情况 单片机资源分配情况 将 LED 光立方分成 4 层 分别由单片机的 P2 0 P2 1 P2 2 P2 3 四个 IO 口来控制每一层 由于采用的是共阳极所以当层电位为高电平有效 由 P0 口和 P1 的总共 16 个 IO 口来控制每层的 16 盏灯 低电平有效 P0 口加上拉排阻 这样就可以通过控制 IO 口的输出电平来控制每盏灯的亮灭 2 系统框图 系统框图 本系统主要由时钟电路 复位电路 LED 光立方电路组成 时钟电路和复 位电路作为单片机输入 LED 光立方电路作为单片机输出 显示出控制结果如 图 2 1 所示 时钟电路 单片机的各个功能部件的运行都是以时钟控制信号为基准 一 拍一拍的工作 因此时钟频率直接影响单片机的速度 时钟电路的质量也直接 影响单片机系统的可靠性和稳定性 常用的时钟电路设计为内部时钟方式 单 片机内部有一个由反向放大器构成的振荡电路 芯片上的 XTAL1 和 XTAL2 分别 为振荡电路的输入和输出端 只要在这两个引脚上接一个石英晶体振荡器和两 个微调电容就构成内部方式的振荡器电路 由振荡器产生自激振荡 便构成一 个完整的振荡信号发生器 复位电路 通过某种方式 使单片机内部各类寄存器的值变为初始状态的 操作称为复位 复位主要通过外部电路实现 常见的复位电路包括上电复位 一 一 设计任务设计任务 二 二 设计方案设计方案 基于单片机的 4 4 4 光立方设计 手动按键复位和看门狗复位三种方式 本次设计综合采用上电复位方式和按键 复位方式 复位电路 STC89C524 4 4LED点阵 时钟电路 图 2 2 系统框图 3 程序流程 程序流程 本项目的程序设计主要包括延时程序 显示程序两个子程序 显示程序 主要是在得到当前控制灯的位置后 通过控制与它相连的阴阳 两端的引脚电平 从而实现对灯的亮灭进行控制 延时程序 由于显示程序不能控制灯持续点亮 达不到显示效果 我们需 要增加延时程序来延长显示时间从而达到显示效果 如图 2 2 所示单片机复位以后 程序开始运行 获取到要显示的 LED 所在 的层和列然后调用显示子程序点亮 LED 灯 通过延时程序进行短暂延时后继续 获取下一个要显示的 LED 灯的所在的层和列 开始 取层和列的数 调用显示子程序 调用延时程序 图 2 3 程序流程图 基于单片机的 4 4 4 光立方设计 利用单片控制 LED 点阵显示的原理和控制技术 来控制光立方显示 即通 过编写程序控制不同 LED 的亮灭 来显示不同的内容 由于人眼的具有视觉暂 留的特性 设置每幅画面的延迟时间可以使连续的一系列画面呈现动态 最终 达到所要显示的内容 每个灯都是由层控制端 共阳极 和列控制端决定亮或 灭 如图 3 1 a 所示 将光立方分成四层 每一层有一个单片机引脚作为层控制 端与之相连 设计成共阳极 如图 3 1 b 所示每层光立方有 16 盏灯 而这 16 盏 灯又分别与单片机的 P0 P1 两个 IO 口组共 16 个 IO 口相连 这样就能很好地 控制每一盏灯的亮灭 图 3 1 光立方结构示意图 a 四层光立方分布结构 b 光立方每层的 LED 分布 在三维光立方中采用动态扫描显示 这种显示方式巧妙地利用了人眼的视 觉暂留特性 将连续的几帧画面高速的循环显示 只要帧速率高于 24 帧 秒 人眼看起来就是一个完整的 相对静止的画面 最典型的例子就是电影放映机 在电子领域中 因为这种动态扫描显示方式极大的缩减了发光单元的信号线数 量 因此在 LED 显示技术中被广泛使用 图 3 2 描述了将光立方某个侧面对角 线点亮的过程 三 三 工作原理工作原理 基于单片机的 4 4 4 光立方设计 第一帧第四帧第三帧第二帧 图 3 2 光立方某个侧面对角线点亮的过程 本次设计完成了对光立方的系统框架和基本电路的设计 最终通过编写代 码使光立方产生了不错的显示效果 基本完成了设计任务中的不同要求 但是 仍然存在单独点亮一盏灯亮度不够等等问题 经过与老师和同学针对这些问题 的探讨我们得出了与这些问题相关的一些分析 1 实际做成的光立方单独一盏灯点亮时 亮度很高 而点亮一个面时亮度 明显不够 分析 这主要是因为这次设计对于 LED 灯采取的是共阳极的方式 所以用 单片机一个引脚的电压带动一个面进行显示肯定是远远不够的 经过思考 我 觉得将设计改为共阴极的可能会显示效果更好 2 光立方有一盏灯总是与设计程序不符合 该亮的时候是灭的 而该灭的 时候又是亮的 分析 这可能是由于在焊接过程中 将这个 LED 灯的阴极和阳极刚好接反 了 于是显示结果刚好相反 3 点亮侧面的灯时 出现的是该面的灯按层轮换 分析 这可能是由于延时程序设计的不合理 导致画面显示不流畅 修改 延时程序 再进行调试后正常显示 四 四 结果分析结果分析 基于单片机的 4 4 4 光立方设计 如图 5 1 所示是光立方设计底座 其中蓝色方框中为单片机的最小系统 包括单片机和晶振电路以及复位电路 红色方框中为 LED 列控制端 灯座的引 脚分别与单片机的 P0 P1 的 16 个 IO 口相连 图 5 2 展示的是最终的显示效果 图 5 1 光立方底座 五 五 实物照片实物照片 基于单片机的 4 4 4 光立方设计 图 5 2 最终显示效果 1 元件清单 元件清单 表 1 元件清单 名称数量 LED 灯70 个 AT89C521 片 按键1 个 102 排阻1 个 100 欧电阻16 个 20pF 瓷片电容2 个 12MHz 晶振1 个 10uF 电容1 个 10K 电阻1 个 1K 电阻1 个 六 六 附 附 基于单片机的 4 4 4 光立方设计 2 电路图 电路图 XLAT1 XLAT2 RST XTAL1 XTAL2 RST P2 0 P2 1 P2 2 P2 3 P1 0 P1 1 P1 2 P1 3 P0 0 P0 1 P0 2 P0 3 P0 4 P0 5 P0 6 P0 7 1 2 3 48 7 6 5913 10 11 1216 15 14 2 1 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 P2 2 16 15 14 12 11 10 91315 62 3 48 7 1 2 3 4 5 7 8 P2 3 9 10 11 12 13 14 15 16 P2 0 P2 1 P0 0 P0 1 P0 2 P0 3 P0 4 P0 5 P0 6 P0 7 1 2 3 4 5 6 7 8 P1 0 P1 1 P1 2 P1 3 P1 4 P1 5 P1 6 P1 716 15 14 13 12 11 10 9 6 P1 4 P1 5 P1 6 P1 7 XTAL2 18 XTAL1 19 ALE 30 EA 31 PSEN 29 RST 9 P0 0 AD0 39 P0 1 AD1 38 P0 2 AD2 37 P0 3 AD3 36 P0 4 AD4 35 P0 5 AD5 34 P0 6 AD6 33 P0 7 AD7 32 P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 P3 0 RXD 10 P3 1 TXD 11 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 7 RD 17 P3 6 WR 16 P3 5 T1 15 P2 7 A15 28 P2 0 A8 21 P2 1 A9 22 P2 2 A10 23 P2 3 A11 24 P2 4 A12 25 P2 5 A13 26 P2 6 A14 27 U1 AT89C51 X1 CRYSTAL C1 20pF C2 20pF C3 10uF R1 10k R2 1k D1 LED BLUE D2 LED BLUE D3 LED BLUE D4 LED BLUE D5 LED BLUE D6 LED BLUE D7 LED BLUE D8 LED BLUE D9 LED BLUE D10 LED BLUE D11 LED BLUE D12 LED BLUE D13 LED BLUE D14 LED BLUE D15 LED BLUE D16 LED BLUE 2 3 4 5 6 7 8 9 1 RP1 RESPACK 8 VCC D17 LED BLUE D18 LED BLUE D19 LED BLUE D20 LED BLUE D21 LED BLUE D22 LED BLUE D23 LED BLUE D24 LED BLUE D25 LED BLUE D26 LED BLUE D27 LED BLUE D28 LED BLUE D29 LED BLUE D30 LED BLUE D31 LED BLUE D32 LED BLUE D33 LED BLUE D34 LED BLUE D35 LED BLUE D36 LED BLUE D37 LED BLUE D38 LED BLUE D39 LED BLUE D40 LED BLUE D41 LED BLUE D42 LED BLUE D43 LED BLUE D44 LED BLUE D45 LED BLUE D46 LED BLUE D47 LED BLUE D48 LED BLUE D49 LED BLUE D50 LED BLUE D51 LED BLUE D52 LED BLUE D53 LED BLUE D54 LED BLUE D55 LED BLUE D56 LED BLUE D57 LED BLUE D58 LED BLUE D59 LED BLUE D60 LED BLUE D61 LED BLUE D62 LED BLUE D63 LED BLUE D64 LED BLUE R3 100 R4 100 R5 100 R6 100 R7 100 R8 100 R9 100 R10 100 R11 100 R12 100 R13 100 R14 100 R15 100 R16 100 R17 100 R18 100 晶晶振振电电路路 复复位位电电路路 STC89C51单单片片机机 单单层层LED灯灯 限限流流电电阻阻 图 7 2 1 光立方整体电路 XTAL1 XTAL2 RST P2 0 P2 1 P2 2 P2 3 P1 0 P1 1 P1 2 P1 3 P0 0 P0 1 P0 2 P0 3 P0 4 P0 5 P0 6 P0 7 P1 4 P1 5 P1 6 P1 7 XTAL2 18 XTAL1 19 ALE 30 EA 31 PSEN 29 RST 9 P0 0 AD0 39 P0 1 AD1 38 P0 2 AD2 37 P0 3 AD3 36 P0 4 AD4 35 P0 5 AD5 34 P0 6 AD6 33 P0 7 AD7 32 P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 P3 0 RXD 10 P3 1 TXD 11 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 7 RD 17 P3 6 WR 16 P3 5 T1 15 P2 7 A15 28 P2 0 A8 21 P2 1 A9 22 P2 2 A10 23 P2 3 A11 24 P2 4 A12 25 P2 5 A13 26 P2 6 A14 27 U1 AT89C51 2 3 4 5 6 7 8 9 1 RP1 RESPACK 8 VCC STC89C51单单片片机机 图 7 2 2 单片机 基于单片机的 4 4 4 光立方设计 XLAT1 XLAT2 X1 CRYSTAL C1 20pF C2 20pF 时时钟钟电电路路 图 7 2 3 时钟电路 RST C3 10uF R1 10k R2 1k 复复位位电电路路 图 7 2 4 复位电路 3 软件清单 软件清单 include define uchar unsigned char define uint unsigned int uchar num DELAY 100 sbit H1 P3 4 sbit H2 P3 5 sbit H3 P3 6 sbit H4 P3 7 基于单片机的 4 4 4 光立方设计 sbit L1 P2 0 sbit L2 P2 1 sbit L3 P2 2 sbit L4 P2 3 sbit L5 P2 4 sbit L6 P2 5 sbit L7 P2 6 sbit L8 P2 7 sbit L9 P1 0 sbit L10 P1 1 sbit L11 P1 2 sbit L12 P1 3 sbit L13 P1 4 sbit L14 P1 5 sbit L15 P1 6 sbit L16 P1 7 uchar code tab 0 xfF 0 xfF 0 xfF 0 xfF 0 xfF 0 xfF 0 xfF 0 xfF 未命名文件 0 4 X 4 uchar code tab1 0 x0f 0 x00 0 x0f 0 x00 0 x0f 0 x00 0 x0f 0 x00 0 xf0 0 x00 0 xf0 0 x00 0 xf0 0 x00 0 xf0 0 x00 0 x00 0 x0f 0 x00 0 x0f 0 x00 0 x0f 0 x00 0 x0f 0 x00 0 xf0 0 x00 0 xf0 0 x00 0 xf0 0 x00 0 xf0 基于单片机的 4 4 4 光立方设计 延时函数 void delay uint a 用于点扫描的延时 unsigned int i while a 0 for i 0 i 1 i 面 1 void mian1 uchar d uchar e uchar i H2 0 H3 0 H4 0 i d if i 0 x01 H1 1 L1 0 delay DELAY H1 0 L1 1 i d if i 0 x02 H1 1 L2 0 delay DELAY H1 0 L2 1 i d if i 0 x04 H1 1 L3 0 delay DELAY H1 0 L3 1 i d if i 0 x08 H1 1 L4 0 delay DELAY H1 0 L4 1 i d if i 0 x10 H1 1 L5 0 delay DELAY H1 0 L5 1 i d if i 0 x20 H1 1 L6 0 delay DELAY H1 0 L6 1 基于单片机的 4 4 4 光立方设计 i d if i 0 x40 H1 1 L7 0 delay DELAY H1 0 L7 1 i d if i 0 x80 H1 1 L8 0 delay DELAY H1 0 L8 1 i e if i 0 x01 H1 1 L9 0 delay DELAY H1 0 L9 1 i e if i 0 x02 H1 1 L10 0 delay DELAY H1 0 L10 1 i e if i 0 x04 H1 1 L11 0 delay DELAY H1 0 L11 1 i e if i 0 x08 H1 1 L12 0 delay DELAY H1 0 L12 1 i e if i 0 x10 H1 1 L13 0 delay DELAY H1 0 L13 1 i e if i 0 x20 H1 1 L14 0 delay DELAY H1 0 L14 1 i e if i 0 x40 H1 1 L15 0 delay DELAY H1 0 L15 1 i e if i 0 x80 H1 1 L16 0 delay DELAY H1 0 L16 1 面 2 void mian2 uchar d uchar e uchar i H1 0 H3 0 H4 0 i d 基于单片机的 4 4 4 光立方设计 if i 0 x01 H2 1 L1 0 delay DELAY H2 0 L1 1 i d if i 0 x02 H2 1 L2 0 delay DELAY H2 0 L2 1 i d if i 0 x04 H2 1 L3 0 delay DELAY H2 0 L3 1 i d if i 0 x08 H2 1 L4 0 delay DELAY H2 0 L4 1 i d if i 0 x10 H2 1 L5 0 delay DELAY H2 0 L5 1 i d if i 0 x20 H2 1 L6 0 delay DELAY H2 0 L6 1 i d if i 0 x40 H2 1 L7 0 delay DELAY H2 0 L7 1 i d if i 0 x80 H2 1 L8 0 delay DELAY H2 0 L8 1 i e if i 0 x01 H2 1 L9 0 delay DELAY H2 0 L9 1 i e if i 0 x02 H2 1 L10 0 delay DELAY H2 0 L10 1 i e if i 0 x04 H2 1 L11 0 delay DELAY H2 0 L11 1 i e if i 0 x08 H2 1 L12 0 delay DELAY H2 0 L12 1 i e if i 0 x10 H2 1 L13 0 delay DELAY H2 0 L13 1 i e if i 0 x20 H2 1 L14 0 delay DELAY H2 0 L14 1 i e if i 0 x40 H2 1 L15 0 delay DELAY H2 0 L15 1 i e 基于单片机的 4 4 4 光立方设计 if i 0 x80 H2 1 L16 0 delay DELAY H2 0 L16 1 面 3 void mian3 uchar d uchar e uchar i H2 0 H1 0 H4 0 i d if i 0 x01 H3 1 L1 0 delay DELAY H3 0 L1 1 i d if i 0 x02 H3 1 L2 0 delay DELAY H3 0 L2 1 i d if i 0 x04 H3 1 L3 0 delay DELAY H3 0 L3 1 i d if i 0 x08 H3 1 L4 0 delay DELAY H3 0 L4 1 i d if i 0 x10 H3 1 L5 0 delay DELAY H3 0 L5 1 i d if i 0 x20 H3 1 L6 0 delay DELAY H3 0 L6 1 i d if i 0 x40 H3 1 L7 0 delay DELAY H3 0 L7 1 i d if i 0 x80 H3 1 L8 0 delay DELAY H3 0 L8 1 i e if i 0 x01 H3 1 L9 0 delay DELAY H3 0 L9 1 i e if i 0 x02 H3 1 L10 0 delay DELAY H3 0 L10 1 基于单片机的 4 4 4 光立方设计 i e if i 0 x04 H3 1 L11 0 delay DELAY H3 0 L11 1 i e if i 0 x08 H3 1 L12 0 delay DELAY H3 0 L12 1 i e if i 0 x10 H3 1 L13 0 delay DELAY H3 0 L13 1 i e if i 0 x20 H3 1 L14 0 delay DELAY H3 0 L14 1 i e if i 0 x40 H3 1 L15 0 delay DELAY H3 0 L15 1 i e if i 0 x80 H3 1 L16 0 delay DELAY H3 0 L16 1 面 4 void mian4 uchar d uchar e uchar i H2 0 H3 0 H1 0 i d if i 0 x01 H4 1 L1 0 delay DELAY H4 0 L1 1 i d if i 0 x02 H4 1 L2 0 delay DELAY H4 0 L2 1 i d if i 0 x04 H4 1 L3 0 delay DELAY H4 0 L3 1 i d if i 0 x08 H4 1 L4 0 delay DELAY H4 0 L4 1 i d 基于单片机的 4 4 4 光立方设计 if i 0 x10 H4 1 L5 0 delay DELAY H4 0 L5 1 i d if i 0 x20 H4 1 L6 0 delay DELAY H4 0 L6 1 i d if i 0 x40 H4 1 L7 0 delay DELAY H4 0 L7 1 i d if i 0 x80 H4 1 L8 0 delay DELAY H4 0 L8 1 i e if i 0 x01 H4 1 L9 0 delay DELAY H4 0 L9 1 i e if i 0 x02 H4 1 L10 0 delay DELAY H4 0 L10 1 i e if i 0 x04 H4 1 L11 0 delay DELAY H4 0 L11 1 i e if i 0 x08 H4 1 L12 0 delay DELAY H4 0 L12 1 i e if i 0 x10 H4 1 L13 0 delay DELAY H4 0 L13 1 i e if i 0 x20 H4 1 L14 0 delay DELAY H4 0 L14 1 i e if i 0 x40 H4 1 L15 0 delay DELAY H4 0 L15 1 i e if i 0 x80 H4 1 L16 0 delay DELAY H4 0 L16 1 void cube4 uchar j uchar k uchar f switch j case 0 mian1 k f break case 1 mian2 k f break 基于单片机的 4 4 4 光立方设计 case 2 mian3 k f break case 3 mian4 k f break void all uint p m 从上往下 for num 0 num 4 num for p 0 p 50 p cube4 num tab 2 num tab 2 num 1 for num 0 num 16 num 面选择 for m 0 m 30 m 一个面的停留时间 for p 0 p 10 p 扫描一行的次数 cube4 num 4 tab1 2 num tab1 2 num 1 对 4 求余 取 0 3 面 从后向前 for p 0 p 50 p 基于单片机的 4 4 4 光立方设计 cube4 0 0 x0f 0 x00 cube4 1 0 x0f 0 x00 cube4 2 0 x0f 0 x00 cube4 3 0 x0f 0 x00 for p 0 p 50 p cube4 0 0 xf0 0 x00 cube4 1 0 xf0 0 x00 cube4 2 0 xf0 0 x00 cube4 3 0 xf0 0 x00 for p 0 p 50 p cube4 0 0 x00 0 x0f cube4 1 0 x00 0 x0f cube4 2 0 x00 0 x0f cube4 3 0 x00 0 x0f for p 0 p 50 p cube4 0 0 x00 0 xf0 cube4 1 0 x00 0 xf0 cube4 2 0 x00 0 xf0 cube4 3 0 x00 0 xf0 从左往右 for p 0 p 50 p cube4 0 0 x11 0 x11 基于单片机的 4 4 4 光立方设计 cube4 1 0 x11 0 x11 cube4 2 0 x11 0 x11 cube4 3 0 x11 0 x11 for p 0 p 50 p cube4 0 0 x22 0 x22 cube4 1 0 x22 0 x22 cube4 2 0 x22 0 x22 cube4 3 0 x22 0 x22 for p 0 p 50 p cube4 0 0 x44 0 x44 cube4 1 0 x44 0 x44 cube4 2 0 x44 0 x44 cube4 3 0 x44 0 x44 for p 0 p 50 p cube4 0 0 x88 0 x88 cube4 1 0 x88 0 x88 cube4 2 0 x88 0 x88 cube4 3 0 x88 0 x88 竖向移动 for num 0 num 4 num for p 0 p 50 p 基于单片机的 4 4 4 光立方设计 cube4 num 0 x11 0 x11 for num 0 num 4 num for p 0 p 50 p cube4 3 num 0 x22 0 x22 for num 0 num 4 num for p 0 p 50 p cube4 num 0 x44 0 x44 for num 0 num 4 num for p 0 p 50 p cube4 3 num 0 x88 0 x88 从上往下 从下往上 for m 0 m 3 m for num 0 num 4 num for p 0 p 20 p 基于单片机的 4 4 4 光立方设计 cube4 num tab 2 num tab 2 num 1 for num 0 num 4 num for p 0 p 20 p cube4 3 num tab 2 num tab 2 num 1 竖条移动 for m 0 m 100 m for num 0 num 4 num for p 0 p 1 p cube4 num 0 x01 0 x00 for m 0 m 100 m for num 0 num 4 num for p 0 p 1 p cube4 num 0 x02 0 x00 基于单片机的 4 4 4 光立方设计 for m 0 m 100 m for num 0 num 4 num for p 0 p 1 p cube4 num 0 x04 0 x00 for m 0 m 100 m for num 0 num 4 num for p 0 p 1 p cube4 num 0 x08 0 x00 for m 0 m 100 m for num 0 num 4 num for p 0 p 1 p cube4 num 0 x80 0 x00 基于单片机的 4 4 4 光立方设计 for m 0 m 100 m for num 0 num 4 num for p 0 p 1 p cube4 num 0 x40 0 x00 for m 0 m 100 m for num 0 num 4 num for p 0 p 1 p cube4 num 0 x20 0 x00 for m 0 m 100 m for num 0 num 4 num for p 0 p