电子系3D光显示器毕业论文

1、韶 关 学 院毕毕 业业 设设 计计题题 目：目：3D 光立方显示器的设计学生姓名：学生姓名：张三学学 号：号：XXXXXXXXXXX院院 （系）：（系）：物理与机电工程学院 电子系专专 业：业：电子信息科学与技术班班 级：级：2012 级 1 班指导老师姓名及职称：指导老师姓名及职称：李四 讲师起止时间：起止时间： 2015 年 9 月 2016 年 1 月（教务处制表）（教务处制表）3D3D 光立方显示器的设计光立方显示器的设计摘要摘要：本文介绍了三维立体显示图案的 LED 光立方显示器设计。本系统采用STC12C5A60S2 单片机为核心控制器，使用锁存器 74HC573 作为正极驱动，

2、ULN2803 达林顿管作为负极驱动，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。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。光立方显示比发光二极管点阵更具有视觉效果，而且画面图案更加非富多彩。关键词关键词：光立方；音频显示；发光二极管The design of the 3D cubic light displayAbstract: This paper introduces the design o

3、f 3 d stereo display LED light cube display design.This system uses STC12C5A60S2 single-chip microcomputer as the core controller, using the latch 74 hc573 as the positive, driven ULN2803 darlington tube as negative drive, complete the hardware circuit design.Through software programming control dat

4、a downloaded to the MCU to complete the design of display.Software using the top-down modular design thought, make the system development in the direction of distributed, miniaturization, enhance the system scalability and running stability.Not only can be like led dot matrix display flat static or

5、dynamic images, can also display the three-dimensional static or dynamic images, broke the traditional graphic display solutions.Light cube shows led lattice is more than the visual effects, and design more rich and colorful picture.Key word: light-cube; audio-display;light emitting diodei目目 录录1 背景与

6、意义背景与意义 .11.1 LED 显示屏的发展概况.11.2 LED 显示屏研究现状.11.3 设计的总体要求.22 系统设计方案论证系统设计方案论证 .22.1 系统硬件方案论证.32.1.1 3D 光立方显示器核心系统.32.1.2 电源电路.32.1.3 列驱动电路.42.1.4 层面驱动电路.52.1.5 串口通讯芯片的选择.52.1.6 LED 发光二极管.62.1.7 硬件电路绘图软件.62.2 系统总体软件方案选择.62.2.1 程序编写语言的选择.72.2.2 程序编译环境 KEIL 的简介.73 系统硬件电路设计系统硬件电路设计 .73.1 硬件整体设计概述及功能分析.73

7、.2 电源供电系统设计.83.3 单片机最小系统设计与分析.83.3.1 时钟电路设计.93.3.2 复位电路设计.103.4 驱动电路设计.113.4.1 层驱动电路设计.113.4.2 列驱动电路设计.123.5 通信系统硬件设计.133.6 3D 光立方显示器工作原理介绍.144 系统软件设计系统软件设计 .154.1 概述.154.2 主程序设计.154.3 显示程序的设计.164.3.1 显示程序的设计.164.4 软件程序下载方式.175 光立方光立方 PCB 版制作版制作 .186 系统测试系统测试 .186.1 硬件系统测试.186.2 软件系统测试.196.3 系统总体测试.

8、19ii6.4 系统测试结果与结论.206.4.1 测试结果分析.206.4.2 测试结论.207 结束语结束语 .21致谢致谢 .22参考文献参考文献 .23附录附录 1 1 总体电路原理图总体电路原理图 .24附录附录 2 2 电路电路 PCBPCB 版图版图 .25附录附录 3 3 电路实物图电路实物图 .2613D3D 光立方显示器光立方显示器 作者姓名：电子信息科学与技术2012级1班 张三指导教师：李四 讲师 1 背景与意义背景与意义1.1 LED 显示屏的发展概况随着现代社会的高速信息化发展，人机视觉信息传播的显示产品和视觉显示传播技术的迅猛发展，LED 显示屏已经在各大领域中起

9、着举足轻重的作用。随着网络的不断发展，大屏幕显示设备将代替传统显示设备进入每家每户，成为现代社会信息传播必不可少的设备。相对于传统的显示设备来讲，这种 LED信息显示技术将带领社会更好地发展，在社会的信息传播上占有一席之地，打破了传统显示屏信息传播的瓶颈。LED 显示屏能够显示图文还有视频，能够静态显示也能够动态显示，有 LED 矩阵块组成，拥有很好的分辨率，让人们可以看到更好的画质，提高了信息传播的准确率。LED 显示屏动态显示时候，能够与计算机显示信息数据同步，能够实现同步显示汉字、图形等信息；而且还能够进行动态控制，使用这种 LED 显示屏使得在信息传播上拥有更好的实时性、同步性和清晰度

10、，促进了社会的经济文化发展。在室内、室外的各方各面都能够起到各种作用，比如能够用于室内装饰，室内室外的环境信息传播，显示色彩鲜艳饱满，强大的立体感，能够广泛应用在车站、工地、超市、医院、证劵市场、企业单位、工业基地等场所。随着社会经济和文化的不断发展，LED 显示屏也在不断完善与发展，不仅显示技术的提高，传输数据与图像处理技术也不断提高，使得 LED 显示器在社会的影响力更大，往更好地方向发展1。1.2 LED 显示屏研究现状随着我国社会经济文化发展，显示屏技术也在不断更新。LED 显示已经在2我们生活中无处不在了。因为平面的彩色 LED 显示产品已经在市场上占据了很长一段时间，在未来的发展，

11、三维技术也会不断应用到 LED 显示产品上，三维的立体效果更加能够带给我们信息的视觉冲击，技术上突破了二维的平面显示。LED 产品从二维提升到三维，技术上的提高，还有难度的加大，也促进了三维技术发展。而且三维的 LED 显示屏性价比会比二维的更好，在未来，全彩色的三维 LED 显示屏会越来越多的出现在我们视野上，户外的广告传媒会从选择三维的 LED 显示产品作为信息传播媒介，体育馆等公共场所用三维 LED 显示产品更加醒目，三维的 LED 显示屏在未来一定能够在中国市场占据一席之地 2-3 。 1.3 设计的总体要求本次设计制作一个 8x8x8LED 阵列的 3D 光立方显示器，采用高亮度蓝色

12、雾状发光二极管，通过编写程序与 PC 上位机同时控制高亮度发光二级管的亮灭，从而能够在显示器上显示各种信息。3D 光立方显示器能够进行各种模式的转换，能够实现静态显示模式，在显示屏上静态显示所需要的信息；还有能够转换为动态显示模式，动态显示模式下，显示器上的信息运动中显示出来。根据 PC 上位机的实时控制对显示图文进行控制与操作，各种模式的转换，按照运动特点，动态显示图文。图形能够流畅地显示，给用户带来视觉冲击的震撼效果。3D 光立方显示器具有音频显示模式，可以随着音乐节奏同步显示，而且能够让用户在 PC 上位机根据自己的喜好，编写自己的信息与动态显示方式，即是自定义模式。对点阵 LED 电子

13、显示屏的原理分析，确定 3D 光立方显示器的功能，模块分工，模块连接，以及合理的电路选择。3D 光立方显示器硬件焊接完成后，通过测试程序测试整个的系统各个模块的功能能否正常运作，并根据显示结果来对程序不断地完善与修改，把显示不流畅，坏点等问题解决，直到完成毕业设计要求。32 系统设计方案系统设计方案论证论证 系统总体方案的设计论证主要包含硬件电路设计方案论证和软件设计论证分析两部分。2.1 系统硬件方案论证2.1.1 3D 光立方显示器核心系统3D 光立方显示器的核心部分在于控制数据显示，其功能可以实现与上位机通信，并接收上位机发送的数据，接着数据通过芯片处理后在显示器上显示出来。以下有 3

14、种核心控制芯片的选择：方案一：单片机单片机又是微型控制器，单片机拥有很强大的接口性能，集成了CPU、RAM 和 I/O 口等电路，低成本、低电压和低功耗是单片机的特点，使得单片机的市场非常之大，教学上使用的单片机更是非常多，为了适应各种应用，各种各样的单片机出现，它们的性能可靠性，编程方便，开发成本低等各种优点都使得在教学，生产、民用、商业化等拥有非常多的市场。方案二：可编程逻辑器件可编程逻辑器件，如 FPGA、CPLD 芯片，利用硬件语言设计逻辑电路，实现数字控制。处理速度快，而且可靠稳定，数字电路的设计用 EDA 比 MCU 或DSP 更加稳定可靠。方案三：DSP 芯片DSP 是数字信号处

15、理器。它主要用于数字信号处理，在拥有非常多数据需要处理的系统下，DSP 的能力会被无穷显现出来，当遇见高密度，运算量非常之大等情况下，DSP 非常好处理。相对于一般的单片机，DSP 的处理速度会快上 2 倍以上，在信号处理领域上 DSP 能够非常好的胜任工作，在光立方的大显示数据量，DSP 更是显示它强大的功能4。基于以上分析，以上三种核心控制处理芯片都能够胜任 3D 光立方显示器的数据处理与控制，但是基于单片机的成本与技术难度较低，因此在权衡利弊4之后决定选用的控制部分核心器件为单片机，单片机型号为 STC12C5A60S2。2.1.2 电源电路单片机工作时，需要提供稳定的直流 5V 电压。

16、电源电路的设计方案如下。方案一：采用 5 号电池作为 3D 光立方显示系统的电源，该系统耗电量较大，需要长时间不间断的工作。虽然采用电池供电能够实现，但是这种方法不断更换电池，造成了各种使用不便与环保问题。方案二：采用三端集成稳压器 LM7805 作为电源供电稳压核心。电路如图 2.1所示，选用 LM7805 稳压器在功率问题上不仅满足了系统需求，而且安全、方便和可靠。VIVOGNDVin1C1C2VIVo23C3C45V7805 图 2.1 7805 稳压电路方案三：采用可调式三端稳压芯片 LM317 稳压。ADJVinC1C2VIVoLM317C3C4C5R2R1D240VO 图 2.2

17、LM317 稳压电路 输入电压 VI 的数值比较大是，用三端可调稳压电源芯片 LM317 来实现稳压要求。lm317 是可调节 3 端正电压稳压器，在输出电压范围 1.2 伏到 37 伏时能够提供超过 1.5 安的电流。LM317 参考电路如图 2.2 所示。输出电压的计算公式如式子 2-1 所示。 （式 2-1）VRRVO)121 (25. 15调整电阻 R2 的阻值，就可以调整稳压输出值。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 列驱动电路方案一：选取串口输入并口输出芯片 74HC595，74HC595 中拥有 8 位移位寄存器和一个存储器，具有

18、三态输出功能、数据锁存功能和数据输出功能，最重要是它具有串行输入并行输出的特点，但是在 3D 光立方显示器，它依旧有不少的延迟时间。方案二：采用锁存器 74HC573，74HC573 是一种硅门 CMOS 器件并且带有锁存数据和能够同步输出数据；通过控制使能端口，来控制锁存器锁存数据并且控制数据锁存保持的时间；当时钟处于上升沿状态下，8 个 74HC573 同时正常工作，并且通过 16 个 I/O 口并行输入数据到芯片里，并行传输数据时间比串行传输数据的延迟时间更加少，满足设计要求。综合以上各方面的分析和比较，决定选取 74HC573 作为每一列的驱动芯片。 2.1.4 层面驱动电路3D 光立

19、方显示器拥有 512 个 LED，当它们有同时工作时，层面积聚电流随之增大，所以需要把电流放大，提高驱动能力，驱动整个显示正常工作。电流不够而导致的部分 LED 不亮或出现亮度不够的问题，会导致显示信息出错等问题。整个层面驱动电路的设计在整个系统起到举足轻重的地位，以下有两种方案：方案一：采用 5V 继电器来进行控制。虽然使用 5V 继电器来充当开关实现控制，但是会加大成本还有电路设计的复杂程度，显示器的重量也随之增大。方案二：采用达林顿管 ULN2803 作为层面驱动电路芯片，因为 ULN2803的驱动电流可以达到 500mA，能够驱动层面的 LED 正常工作。测试结果稳定可靠，可以满足设计

20、要求。基于以上分析，决定选取 ULN2803 达林顿管作为层面电路控制器。62.1.5 串口通讯芯片的选择STC12C5A60S2 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 PL2303 芯片，MAX232。方案一：采用 PL2303 芯片来实现串口通信，这种芯片是通讯方式的转换，因为很多 PC 机没有串口了，没法与单片机直接进行串口通讯，所以通过必备的 USB 模拟串口，单片机就能够进行串口通讯，但是连接到单片机处为 USB接口，只连接了单片机的 RXD 和 TXD，是将数字信号进行打包，转换为 USB协议包，在将数据包发给 PC，PC 解包后处理数据，能

21、够进行串口通讯，但是传输效率、传输速率上不及 MAX232 电平转化芯片来进行通讯。方案二：采用电平转换芯片 MAX232 作为串口通讯芯片，MAX232 是将数字信号转换为 RS232 电平信号，时序一样，外围电路虽然比 PL2303 来说复杂一点，但是更加稳定可靠。通过上述分析，决定选取 MAX232 作为单片机与 PC 进行串行通信的芯片。2.1.6 LED 发光二极管LED 发光二极管选用高亮度的蓝色雾状方形 LED 二极管，当它两端加上正向电压使能够发出高亮度的蓝色光。选用这种 LED 二极管更加的美观，而且能够拥有很好的显示效果，降低焊接难度并且雾状的 LED 并不会相当刺眼，也体

22、现了节能环保，还有就是能够降低成本和制作难度。通过上述的考虑，决定选用高亮度的蓝光雾状方形 LED 作为本次设计显示发光二极管。2.1.7 硬件电路绘图软件方案一：Protel 99SE 是 ProklTechnology 公司基于 Windows 环境下开发的电路板设计软件，相对于 DXP 2004 界面比较呆板。方案二：Protel DXP 2004 是在原来 Protel 99SE 的基础上，应用最先进的软件设计方法，人机界面友好，易学易用。7通过上述分析与考虑，本设计决定采用 Protel DXP 2004 作为电路原理图和PCB 绘图软件。2.2 系统总体软件方案选择软件的设计采用的

23、是模块化编程的方法，方便理解与修改。整个系统的软件部分可以分为主程序，显示程序，串口通讯程序，按键扫描程序。此次的软件编程选用在 keil C51 编译软件的编译环境下进行，程序下载选用的方式为串口 ISP 下载方式，操作方便简单，而且稳定可靠。2.2.1 程序编写语言的选择现在的程序编写主要分为几种，一种更是采用汇编语言，一种是采用 C 语言，还有一种就是采用汇编与 C 语言共同编写程序的方法。汇编语言的程序设计语言是面向机器的，更多的是操作码，地址符号，还有各种的符号结合而成的逻辑语言，对于我们来讲，显得更加难懂，对于小程序的编写还能够很好的胜任，能够在出现问题时找到问题所在，但是当程序的

24、编写量非常之大时，汇编语言的难懂晦涩就成了最大的问题，问题很难被发现，而且移植性不好，使得项目的程序开发周期增加。C 语言是一种高级语言，可进行结构化编程。与汇编相比，C 语言具有很好的移植性，而且结构清晰，更容易维护和修改，最主要是可读性强。C 语言相对汇编语言优点有： 1) 属于高级语言，具有较好可移植性，能够进行结构化编程。 2) 使用标准 C 语言的程序，几乎都可以不作改变移植到不同的微机平台上。3) 相对于汇编语言，C 语言更容易读懂。 4) 编写程序结构清晰，移植性好，容易维护和修改。 5) 适用范围广，可移植性强，开发周期短。通过上述的分析考虑后，决定采用 C 语言作为该系统软件

25、开发的编程语言。82.2.2 程序编译环境 KEIL 的简介Keil C51 是美国 Keil Software 公司出品的 51 系列兼容单片机 C 语言软件开发系统，与汇编相比，C 语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。3 系统硬件电路设计系统硬件电路设计3.1 硬件整体设计概述及功能分析3D 光立方显示器的系统设计总框图如图 3.1 所示。整个设计电路可以分为主控电路、层驱动电路、列驱动电路、光立方显示器电路、串口通信电路和电源供电电路。主控电路包括 MCU、复位电路和晶振电路，主控电路主要负责整个光立方系统的显示控制，程序运行的控制，能够与 PC 进行串口

26、通讯并控制光立方显示器显示，作为核心部分，还需要传输接收数据和进行大量数据的运算，并显示出来。通过串口通信，PC 机作为上位机控制单片机的数据控制，并能够控制整个 LED 显示器的各种转换显示、音频节奏显示、图案的动态显示和静态显示5-8。这个系统设计将以这个方案进行相应的硬件电路设计。显示电路采用动态扫描方式进行显示时，每列有一个列驱动器，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 ULN2803 来控制相应

27、层面的电平，列与层面的数据结合共同来显示图案。9 STC12C5A60S2列驱动器层驱动器8x8x8LED3D 光立方显示器电源复位电路时钟电路图 3.1 系统结构设计总图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，所以这里需要选择+5V 的直流电源供电。驱动芯片 74HC573 和 ULN2803 都能够在+5V 工作电压下正常工作。3.3 单片机最小系统设计与分析单片机又称微处理器，它是在一块硅片上集成了 CPU、ROM、定时器和多种 I/O 接口电路等电路的集成块。单片机最小系统包括了单片机芯片、时钟电路和复位电路。时钟电路是用于产生 STC1

28、2C5A60S2 单片机正常工作的时钟频率，单片机的正常工作是在这种时钟电路产生的是时钟频率信号的控制下，严格地按照时序运作。单片机的初始化是由单片机的复位电路控制的。硬件电路满足复位时序要求，单片机进入从初始化工作状态。单片机最小系统电路图如图 3.2 所示。3.3.1 时钟电路设计单片机正常工作时，需要时钟信号驱动内核电路，进行数字运算。内核运算的工作速度，取决于外部时钟的频率。外部时钟周期也称为振荡周期，51 系列单片机中，12 个振荡周期构成一个机器周期。执行一条指令所需要的时间成为指令周期。指令周期大小根据指令的负责程度有所变化，通常为 14 个机器周期。10时钟电路的设计直接影响到

29、了单片机的处理速度和系统的稳定性。常见的时钟电路有内部时钟提供时钟频率的方式，还有外部时钟提供时钟频率的方式，内部时钟频率因为是集成在单片机芯片内部的，而外部时钟提供时钟频率方式是在芯片外部连接晶振起振来获得时钟频率，所以后者更显得稳定可靠，而且只要在单片机承受范围之内，最高频率可以更改。3D 光立方显示器的设计采用外部时钟提供时钟频率的方式，为了显示器能够稳定的显示图案与正常工作。STC12C5A60S2 单片机芯片的内部时钟提供时钟频率方式是因内部设有一个振荡器，这个振荡器是由反向放大器构成的，而这个振荡电路的输入端与输出端为别为 XTAL1 和 XTAL2，如果在引脚 XTAL1 和 X

30、TAL2 上外接晶振，使用 32MHZ 晶振率，需要两个 30pF 电容值的电容连接，它们可以起到频率微侧的作用。时钟电路如图 3.3 所示。P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78RST/VPD9P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.5/T115P3.6/WR16P3.7/RD17XTAL118XTAL219GND20P2.021P2.122P2.223P2.324P2.425P2.526P2.627P2.728PSEN29ALE30EA31P0.732P0.633P0.534P0.

31、435P0.336P0.237P0.138P0.039VCC40STC12C5A60S21234567891011121314151617181920J3Header 201234567891011121314151617181920JP1Header 20RXDTXDXT2RETXT1P10P11P12P13P14P15P16P17P32P33P34P35P36P37K11KR010uFC3RET一一一一JZ12M30pFC230pFC1XT1XT2一一+5V+5V+5VP20P21P22P23P24P25P26P27P00P01P02P03P04P05P06P071234XIAZAI+5V

32、TXDRXD1234XIAZAI-2+5VTXDRXD一一一一一一图 3.2 单片机最小系统电路图11JZ12M30pFC230pFC1图 3.3 时钟电路图3.3.2 复位电路设计单片机最小系统的复位电路也是必不可少的，当 STC12C5A60S2 单片机在正常运行时，需要复位，也就是重新开始运行程序时，使单片机从初始状态下重新工作，这个时候就需要复位电路了，所以复位电路也非常重要，单片机从初始值开始运行程序需要复位电路，当程序运行错误，或者进入死循环，这个时候也需要复位电路，只需要按下复位按键，使得 RST 引脚为高电平，这个时候 STC12C5A60S2 单片机就会从死循环跳出从程序初始

33、值开始运行程序，上电复位与手动按键控制电平复位方式是最为常用的单片机复位方式，而这个显示系统选用手动按键控制电平复位的方式。手动按键电平复位电路图如图 3.4 所示。12 K11KR010uFC3RET一一一一+5V 图 3.4 手动按键电平复位电路图3.4 驱动电路设计3.4.1 层驱动电路设计ULN2803 是本设计中的层面片选控制器电路的核心控制芯片。ULN2803 是八重的达林顿管，1 到 8 脚是 8 路输入，18 到 11 脚是 8 路输出，驱动能力为500MA50V，使用时，引脚 9 接地，用来驱动感性负载，引脚 10 接负载电源，输入电平为 0V 或 5V,当输入 5V 的电平

34、时候，输出达林顿饱和；输入 0V 时候，输出达林顿截止。输出负载加在电源 V+和输出口上，当输入高电平时候，输出负载工作。ULN2803 的引脚图如图 3.5 所示。13IN11IN22IN33IN44IN55IN66IN77IN88OUT118OUT316OUT415OUT514OUT613OUT712OUT811OUT217COM D10GND9UULN2803AIN00IN01IN02IN03IN04IN05IN06IN07P32P33P34P35P36P37M00M01+5V图 3.5 ULN2803 层驱动电路图3.4.2 列驱动电路设计74HC573 是一个八进制 3 态非反转透明

35、锁存器(三态)，是一种高性能硅门CMOS 器件，引脚排布图见 3.6 所示。 OE1D12D23D34D45D56D67D78D89GND10LE11Q812Q713Q614Q515Q416Q317Q218Q119VCC20U1M74HC573B1RP00P01P02P03P04P05P06P07P20LH01LH02LH03LH04LH05LH06LH07LH08+5V 图 3.6 74HC573 引脚排布图1474HC573 的八个锁存器都是透明的 D 型锁存器，其逻辑真值表如表 3-1 所示。表 3-1 74HC573 真值表OELEDQLHHHLHLLLLX不变HXXZ当使能（OE）为

36、高时，Q 输出。当锁存使能端 LE 为高电平时，这些器件的锁存对于数据是同步输出。当锁存使能变低时，符合建立时间和保持时间的数据会被锁存。将随数据（D）输入而变。当使能为低时，输出将锁存在已建立的数据电平上。输出控制不影响锁存器的内部工作，即老数据可以保持，甚至当输出被关闭时。当输入的数据消失时，在芯片的输出端，数据仍然保持。3.5 通信系统硬件设计3D 光立方显示系统的通信系统采用的是串口通信的方式，之所以采用这种方式主要原因是串口通信的方式使用的线路更少，传输数据更加的稳定可靠，更加重要的是这种方式相对于并行通讯方式成本更加低。PC 机与单片机之间的数据传送可以通过两种方式，分别是串口通信

37、和并行通信。串口通信的传输数据方式线路少，但是却能够很稳定的传输，虽然速率并没有并行通信的快，但是两者相比之下，串口通信的可行性更加高，综合了成本与通信稳定性的考虑，最后选择了串口通信的范式。STC12C5A60S2 单片机能够进行数据的串行通信，主要是因为芯片中带有全双工的串行口通道。单片机要与计算机取得通信还需要双方之间有一套制定好的通信协议，还有确定之间的通信数据传输速率，他们之间还需要进行信号电平的转换，采用 MAX232 系列的芯片来进行电平转换，它拥有比较高的集成度，而且只需要单电源+5V 供电，仅需要外接 5 个电容就可以完成 RS232 与TTL 电平之间的转换，MAX232

38、在整个光立方显示的通信控制中起着非常重要的作用，所以它是必不可少的硬件组成部分。15串口通信下载电路图如图 3.7 所示。C1+1VDD2C1-3C2+4C2-5VEE6T2COT7R2TN8R1OUT9T2IN10T1IN11R2OUT12R1TN13T1COT14GND15VCC162321234567891110rC7C5C3C6C4RXDTXD 图 3.7 串口通信系统下载电路图3.6 3D 光立方显示器工作原理介绍3D 光立方显示器显示器的工作原理：此设计采用 STC12C5A60S2 单片机作为核心控制芯片，74HC573 锁存器的数据锁存端由单片机的 P2 口来进行控制，控制这

39、8 个锁存器的数据是进行输入和锁存，8 个锁存器分别控制 8 个层面的每一个层面的 LED，而锁存器的 8 路数据输入数据端口则是连接到单片机的 P0 口，通过这样的方式，单片机可以很简单的控制 64 个阳极，而 8 个层面的 LED 负极则由单片机 P3 口控制，通过这种方法，512 个 LED 都能够被单片机随意控制，进行单独的编程控制，自由控制灯的亮灭。单片机通过 P0 传输数据到锁存器 74HC573，在通过 P2 口控制锁存器锁存数据与输入，最后把对应的内容在光立方显示器上显示出来9。整体显示框图如图 3.8 所示。设计原理则是利用人眼的视觉暂留效应，通过编程控制单片机控制 LED

40、的亮灭显示，形成各种各样动态、静态画面的显示。此外，单片机引脚 P1.0 与 P1.1 分别连接了音频插头的左右声道，音频信号进入单片机的这两个引脚，通过单片机内部的 A/D 转换后，在程序中进行 FFT运算后在光立方上显示出来，形成了音频信号节奏的跳变，这样光立方成了一个音乐节奏显示器。而且通过串口通信，PC 机能够控制光立方的显示模式与每个 LED 的显示，速度可以进行随意地调节。16单片机层驱动器LED 光立方列驱动器图 3.8 3D 光立方显示器整体显示框图4 系统软件设计系统软件设计4.1 概述光立方显示器的软件部分设计包括主程序、显示程序、串口通信程序还有按键控制程序四大部分，软件

41、的设计结构框图如 4.1 所示。主程序通过循环查询按键程序来调用按键控制程序来控制模式的选择，通过选择判断后，主程序在进行对应图案数据的传送，通过对应的端口与锁存器，最后在 LED 显示器上显示出来10。主程序显示程序按键程序图 4.1 软件功能结构框图4.2 主程序设计3D 光立方显示器的软件系统设计是通过模块化的设计思路来进行程序的设计与开发的，整个程序设计采用的是 C 语言编程的方法。第一先进行显示系统的实现功能的分析考虑，整个系统要实现的功能是能够进行静态显示、动态显示、模式转换和上位机控制。通过按键控制程序，可以选择不同的模式来进行显示。通过打开上位机串口，能够实现 PC 机控制光立

42、方显示。主程序的工作17流程如图 4.2 所示。图 4.2 主程序流程图4.3 显示程序的设计4.3.1 显示程序的设计光立方显示器的显示部分采用显示机制是扫描的显示方法，通过这一种方法，需要足够的速度才能够达大，所以我选用了 32M 的晶振来提高扫描的频率，已达到更加稳定的显示效果。因为采用的是扫描机制，所以选择单片机的数据从由低位到高位依次从数据输入端口输入，接着从锁存器输出端口输出数据与锁存器数据控制端口控制输出显示。光立方显示程序流程图如图 4.3 所示。首先单片机把想显示的图案转换为在相应在光立方上显示的点的数据，在把显示图案的数据从单片机 P0 口输出到相应的锁存器，锁存器接收这些

43、数据，并通过控制端口，选择输出数据还是锁存数据，接着又把下一组的数据依次送到片选的锁存器进行输出显示，当所以的数据被正常输出并显示后，显示程序退出，等待下一次的显示数据到来。因为有 8 个锁存器，有 64 引脚控制列的数据显示，通过对应的控制端口的控制片18选，有一个 ULN2803 控制每一层的数据显示，形成了各种各样的显示效果。图 4.3 显示程序流程图4.4 软件程序下载方式STC 单片机与 AT89S 系列单片机程序下载是不一样的。AT89S 系列单片机采用的是 USB_ISP 或者并口 ISP 下载线下载程序的方法，但是 STC 单片机采用的是串口 ISP 进行下载程序。通过串口 I

44、SP 把程序下载到单片机芯片。在完成编写程序的编译通过之后，把可以烧写 STC12C5A60S2 的串口并与电脑主机硬件连接后，打开相应下载软件按步骤即可对 STC12C5A60S2 芯片进行程序烧录下载。烧录完成成功后会有提示。断电后，重新通电之后，运行电路进行测试。串口下载口接线图如图 4.4 所示。YN显示数据送 P0选通列，送锁存器输出 送下一列数据，选通信号左移左移次数8显示完成后程序初始化开 始子程序返回19C1+1VDD2C1-3C2+4C2-5VEE6T2COT7R2TN8R1OUT9T2IN10T1IN11R2OUT12R1TN13T1COT14GND15VCC1623212

45、34567891110rC7C5C3C6C4RXDTXD图 4.4 串口下载器接口接线图5 光立方光立方 PCB 版制作版制作本设计采用 PROTEL DXP 2004 制作 PCB 版图，用 PROTEL DXP 2004 制作 PCB 包括以下主要步骤：（1）绘制光立方的显示电路原理图；（2）元件封装的加载；（3）电路的相关参数的设置；（4）各个元器件布局及相应地调整；（5）元器件的合理布线；（6）PCB 制作的完善并输出相应图纸。6 系统测试系统测试6.1 硬件系统测试首先为了光立方以为元器件的本身就有损坏而导致找不到问题所在，所以一开始就需要进行多方面的检测工作。需要用到的检测仪器是：

46、数字式万用电表，示波器，稳压电源等。（1）不通电检测电路20对焊接的每一个发光二极管进行必要的检测，一个发光二极管的显示故障导致的问题可能是程序或者是硬件，所以一开始就需要进行必要的发光二极管的检测。方法：使用数字式万用电表的红表笔接二极管的正极，黑表笔姐二极管的负极，观察二极管的发光情况。接下来对照电路图与实际的电路板上的线路连线正常情况。比如说，各个点的焊接情况，线路的连通情况，电容的正负极，电源的供电极性等，在所有检查完毕后在进行下一步通电检测11。（2）通电检测电路通电检测电路，通电后，把数字式万用电表调到电压档，测量接入电源的电压是否正常，如果不正常则立刻断开电源，如果有元器件发烫等

47、情况应立刻断开电源并检测各个点，看哪里出现短路情况，排除各种故障。直到所有故障排除后，烧写入测试程序进行测试。（3）光立方显示器测试注意事项1）注意正确使用测量仪器；2）注意观察测量结果；3）出现问题故障时候，需要认真查找原因，在把相应故障解决；4）注意电源的正负极不要接反。6.2 软件系统测试方案：先对各模块进行检测，显示模块的程序调试、串口通讯模块的程序调试，然后再对整机进行调试，以提高调试效率。这个设计系统功能比较多，所以程序也较为复杂，在程序调试与测试中出现了比较多的难题，但是经过一次又一次的调试修改，最后能够很好的解决相应的问题。6.3 系统总体测试显示模块的调试：搭接显示 LED

48、电路前先进行仿真电路测试，根据所搭LED 显示电路进行程序测试。检测每一个 LED 的亮灭控制是否正常。串口数据发送是否正常：利用串口软件，测试上位机 PC 机发送数据到单片机，观察显示模块显示位置是否与串口控制发送数据位置一致。各模块电路检测达标后，将各模块电路连接到一起进行调试。检查电路连21线是否正确。然后下载各模块的程序对各个模块进行软件调试，直到各个模块都能实现自己的功能。然后将整个程序下载，将软件和硬件一起调试，软硬件都调试完成后将程序烧录到芯片中，进行实际功能的演示，观察工作过程，对系统软硬件反复调试。6.4 系统测试结果与结论6.4.1 测试结果分析（1）在测试中常见故障：发光

49、二极管亮度有问题，发光二极管不亮等元器件本身已经损坏问题，所以要先利用数字式万用电表进行元器件测试，观察元器件好坏，避免后面没必要的麻烦。（2）显示屏显示不正常，显示屏胡乱显示，控制出现问题，首先先进行硬件的检测，用万用电表对电路进行细心严谨地一系列检测，观察时候出现了电路短路，开路等故障，如果有先进行故障维修，修改后再让系统重新工作，观察系统是否能够正常工作，如果不行，在进行软件的调整修改，直到显示器正常工作。（3）串口通信检测，上位机发送数据控制显示器，在上位机控制显示器显示，如果出现故障，则修改单片机程序，直到能够正常控制并显示为止。6.4.2 测试结论通过这一段时间的反复调试与分析，对

50、于光立方显示系统的经过多次的反复测试与分析，熟悉了光立方电路的原理以及功能，同一刻也让我的自主设计电路的能力和电路分析能力得到了一定的提高。程序设计上得到一定提高，能够真正做到把理论与实践结合在一起。在做设计时候遇到了很多难题，但是就是因为这些问题的出现，并驱使我去解决这些问题，从书本上与网络上搜集各种相关资料，理解并分析这些资料，并思考各种方法来解决问题，最终让我把这些问题给解决了，同时自己的认识面和思考能力也得到了提升，基础知识更加稳固。22在做设计时候，让我真正认识到软件与硬件的关系，两者并不是脱离的，他们有着一定的联系，要一个系统能够正常的工作，两者需要协调一致。焊接512 个 LED

51、 的确很考验我的毅力与耐心，焊接的功夫也提高了很多，明白了基础知识与技能的重要性。电路的原理图设计、PCB 的线路布局设计、程序编程设计等都花我很长的时间。7 结束语结束语 在该设计中综合自己所学的电路等知识，提出了设计方案与思路，然后进行相应的软件调试和硬件调试，直到把整个系统的功能实现出来。通过了这次的设计与制作，巩固了自己对所学的知识和理论，对计算机应用系统有了大概的了解，并且掌握了基本的单片机软件和硬件的开发方法，能够提升对实际的单片机软件和硬件开发的能力。同时，加强了我对实际遇到问题的分析能力和解决能力。系统的性能指标和运行的稳定性更是我关注的重点，以系统的稳定性和精确性为主的原则，

52、采用了各种的优化方法，基本完成了设计规定的指标和要求，而且对于某些指标进行了功能扩展与优化。但与此同时在设计过程中也存在些问题，具体问题和解决办法如下：1、LED 焊接难度：LED 虽然采用的是长引脚的 LED，而且小心焊接，但是还是有不少的 LED 因为焊接时间过长而烧坏，所以焊接部分技术需要提高；2、驱动电路 PCB 设计：驱动电路 PCB 设计采用双面覆铜板，因为采用单面覆铜板设计会增大设计图纸的难度和制作难度；3、电源供电问题：考虑到系统的稳定性问题，需要对电源供电部分加入电容滤波，因为在做出设计后出现了程序跑到一半重新开始，后来发现是电源供电系统不稳定照成的，后来在电源部分加入电容后

53、问题解决；4、界面设计模块：在界面设计模块上，首先人机界面友好性问题，软件不易管理的情况，导致各个 LED 显示数据混乱的情况。通过不断的硬件试验和程序调试，系统总算可以较好的完成题目的要求，无论在不同环境下，3D 光立方显示器都能够很稳定地显示。所有的电路模块都23是自己亲手焊接完成，系统的制作成本大大降低。致谢致谢通过这一阶段的努力，我的毕业设计作品和相关论文终于完成了，在这期间体会多多，学到大量的专业知识，深刻体会到扎实的基础知识有多重要。并且巩固和加强了理论知识，我在学习上和思想上都受益非浅，这除了自身的努力外，与各位老师、同学和朋友的关心、支持和鼓励是分不开的。在毕业设计中，我的指导

54、老师 XXX 老师倾注了大量的心血，从选题到作品的完成，从写作提纲，到一遍又一遍地指出每稿中的具体问题，他都费尽心血。没有洪远泉讲师的辛勤栽培、孜孜教诲，就没有我论文的顺利完成。在此我表示衷心感谢。同时我还要感谢我的另一个指导老师 XXX 教授，没有他的技术指导，我不可能完成的这么顺利。多谢他们两个指导老师的给与我的帮助与支持，并且对于我提出的任何难题都给与热心、耐心的解答，使我受益颇深。我还感谢我的母校韶关学院，是它给予我们一个很好的学习环境。我还要感谢在我学习期间给我极大关心和支持的各位老师以及关心我的同学和朋友。24参考文献参考文献 1 关积珍.LED 显示屏发展状况及趋势J.世界电子元

55、器件，2000， (02)：277-301.2 关积珍，陆家和. 我国 LED 显示屏技术和产业发展及展望J.现代显示，2004，(02)：34-37.3 缪思恩 LED 大屏幕显示电路设计J.电子技术应用，1996，(08)：56-77.4 Dave Jackson. 关于 DSP 芯片的问与答J.今日电子 ，1998，(12)：1-7.5 卢弥坚.主从分布式 LED 大屏幕显示系统J.电脑与信息技术，1997，(04)：6-13.6 高胜东，梁采，张宏富.一种 LED 大屏幕显示系统J.成都气象学院学报，1998，(03)：108-120.7 文哲雄.用单片机控制 LED 显示屏D.佛山：

56、佛山科学技术学院，1995，(05)：5-10.8 郑刚，李宇成.LED 大屏幕显示系统的设计J.北方工业大学学报，2001， （03）：43-47.9 李元生. LED 光柱专用驱动器J. 家庭电子，2005，(04)：1-7.10 陈新忠.基于 RS232 总线的单片机多机通信软件设计J.现代电子技术，2002，(03) ：56-78.11 李桂平.LED 屏幕显示器的设计J.零陵师范学院学报，2002，(09)：367-380.25附录附录 1 1 总体电路原理图总体电路原理图P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78RST/VPD9P3.0/RXD

57、10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.5/T115P3.6/WR16P3.7/RD17XTAL118XTAL219GND20P2.021P2.122P2.223P2.324P2.425P2.526P2.627P2.728PSEN29ALE30EA31P0.732P0.633P0.534P0.435P0.336P0.237P0.138P0.039VCC40STC12C5A60S21234567891011121314151617181920J3Header 201234567891011121314151617181920JP1Header

58、20RXDTXDXT2RETXT1P10P11P12P13P14P15P16P17P32P33P34P35P36P37MCUK11KR010uFC3RET一一一一JZ12M30pFC230pFC1XT1XT2一一123DCPWR2.5123654KEY+5V+5V+5V+5V5V一一P20P21P22P23P24P25P26P27P00P01P02P03P04P05P06P07124.5v一一12一一2+5V1234XIAZAI+5VTXDRXD1234XIAZAI-2+5VTXDRXD一一一一一一OE1D12D23D34D45D56D67D78D89GND10LE11Q812Q713Q614

59、Q515Q416Q317Q218Q119VCC20U5M74HC573B1RP00P01P02P03P04P05P06P07P24OE1D12D23D34D45D56D67D78D89GND10LE11Q812Q713Q614Q515Q416Q317Q218Q119VCC20U6M74HC573B1RP00P01P02P03P04P05P06P07P25OE1D12D23D34D45D56D67D78D89GND10LE11Q812Q713Q614Q515Q416Q317Q218Q119VCC20U7M74HC573B1RP00P01P02P03P04P05P06P07P26OE1D12D23D34D