毕业设计论文-基于单片机的光立方的设计

1、-. z科技学院科技学院本科毕业设计论文题 目 基于单片机的光立方的设计 学生 王 德 敏 专业班级 08 电子科学与技术 1 班 学 号 202131011 院 系 电气工程学院 指导教师(职称) 朱小会讲师 完成时间 2021 年 05 月 18 日 -. z科技学院毕业设计科技学院毕业设计论文论文任务书任务书题目 基于单片机的光立方的设计专业电子科学与技术* 202131011 王德敏主要容、根本要求、主要参考资料等：一、主要容 1设计方案的选择和方案说明；2光立方的硬件构成；3光立方的单片机编程；4设计并绘制电路原理图；5制作实物并调试电路；6撰写论文；7撰写文献综述和论文。二、根本要

2、求1论文容充实，有理有据，条理清晰。2设计制作一 8*8*8 的三维的发光二极管显示方阵，能够实现对每一个发光二级管实现控制。控制显示输出至少二十种显示效果。3研究数据表形成规律，并初步确定算法。三、主要参考资料1林占江.电子测量技术.：电子工业，2021.2童诗白.模拟电子技术根底.：高等教育，2006.3景波.Prote199SE 应用与实例教程.：人民邮电，2021.4勇.Multisim 电路仿真入门与进阶.：科学，2005.5虎.微机原理与接口技术.：电子工业，2021.6毅刚.单片机原理及应用.：高等教育，2003.完 成 期 限： 2021 年 5 月 17 日 指导教师签名：专

3、业负责人签名：年 月 日-. z科技学院毕业设计科技学院毕业设计论文论文开题报告开题报告课题名称基于单片机的光立方的设计课题来源教师命题课题类型E*指导教师朱小会学生王德敏学 号202131011专 业电子科学与技术 开题报告容：调研资料的准备，设计的目的、要求、思路与预期成果；任务完成的阶段容及时间安排；完成设计论文所具备的条件因素等。 一、调研资料准备LED 点阵显示屏已经应用到了我们生活中的方方面面，科技开展的脚步一直向前，3D 电影给人们带来了更加震撼的视觉体验。于是想设计出一种 3D 显示屏。通过学习?单片机原理与应用?一书，知道 LED 显示分静态显示和动态显示，以及两种显示的控制

4、方法。加上?模电?数电?的学习，理解了 LED 共阴和共阳接法不同的驱动方法。在上查找相关文献时，了解 LED 显示技术的特色之处：一是节能直接功耗，间接耗能 ，二是根本无电离辐射，三提高空间利用率。LED 点阵显示屏的特点还有比数码管具有实用、廉价、亮度高等优点，而且做出来的 LED 显示很耐用。LED 显示屏还具有亮度高、工作电压低、功耗小、小型化、寿命长、耐冲击和性能稳定等优点。LED 点阵显示屏的开展前景极为广阔，目前正朝着更高亮度，更高耐气候性，更高的发光密度，形状的多样性，更高的发光均匀性、可靠性、多色化方向开展。另外在电子工程师之家看过网友发帖晒自己制做的 3D 光立方显示，有

5、5*5*5 的、8*8*8 的、甚至还有一个 16*16*16 的。在爱折腾也曾看过有用蓝色 LED 和白色 LDE 制作的光立方。于是我最终确定也制作一个蓝色 LED 显示 8*8*8 的光立方。二、设计目的在当今现代信息化社会的高速开展过程中，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。随着宽带网络的开展，数字化的多媒体容将在信息世界中占据主流，新型的大屏幕显示设备将代替传统电视机成为人们享受信息和多媒体容的中心。为追求舒适、逼真、清晰的 3D 视频显示，为此制作出一个三维立体显示图案的 LED 光立方。该设计方案将打破了传统的平面显示视频的方法，该方案设计的 LED 显

6、示屏显示画面色彩鲜艳，立体感强，-. z静如油画，可以广泛应用于广告公司、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。三、设计要求1毕业设计论文中心突出，容充实，论据充分，论证有力，数据可靠，构造紧凑，层次清楚，图表清晰，格式规，字迹工整，结论正确。2设计制作一个 8*8*8 的三维的发光二极管显示方阵，能够通过编写程序来实现对每一个发光二级管控制，从而来显示多种多样的图案。控制显示输出至少二十种显示效果。3通过大量编写程序调试实验现象结果分析研究数据形成规律，对规律总结得出结论并初步确定算法。四、设计思路本设计根据二极管点阵的原理由单片机 I/O 口控制点亮不同的二极

7、管从而组成出不同的画面，根据人眼的视觉暂留现象即当物体移去时视觉神经对物体的印象不会立即消失而是要延续 0.1-0.4 秒的时间 ，来设置每幅画面的延迟时间使连续的一系列画面呈现动态。每一个层面的二极管阳极接在一起受一路I/O 口控制，实际电路中该路 I/O 口输出的控制信号通过 5V 继电器的吸合和断开来控制的，再输入发光二极管的阳极使其驱动。每一个二极管的阴极分别受单片机扩展后的 I/O 控制。每个灯都是由片选端口和控制端口共同决定亮或灭。因此，我们可以随意的来点亮立方体中任意一处的灯，来构建多种多样的图案。五、设计预期成果完成焊接调试，烧烤程序后，作品上电工作时 8*8*8 的光立方显示

8、可以按照程序依次点亮相应位置的 LED 灯来构造我所想要显示的图案，并且可以显示静态和动态的图案，还可以模拟 3D 显示来完成相应的把戏的展示。六、任务完成的阶段容及时间安排第一阶段：第 8 学期 1-2 周 上交 3D 光立方显示设计的开题报告、文献综述及外文翻译。第二阶段：第 8 学期 3-4 周 整理收集光立方显示的相关资料，开场初步设计 3D 光立方显示的硬件电路，绘制出电路原理图。并与指导教师沟通后，最-. z终确定作品设计硬件电路图。第三阶段：第 8 学期 5-7 周 编写硬件电路的软件程序局部，利用仿真软件对程序进展调试修改。与指导教师共同来完成软件的编写第四阶段：第 8 学期

9、8-9 周 依据电路原理图焊接实际电路，经检查电路没有虚焊、漏接、错接等问题后，下载程序调试电路达 3D 光立方显示的预期成果。第五阶段：第 8 学期 10-12 周 开场撰写 3D 光立方显示设计说明书的初稿，并完成初稿并交给指导教师初审。第六阶段：第 8 学期 13-14 周 提交毕业设计说明书及实做作品，开场准备参加论文辩论。七、完成设计论文所具备的条件因素1.主修理论课程： 模电 数电 单片机原理与应用 嵌入式系统微电子器件与 IC 设计 电子测量技术 集成电路设计 传感器与检测技术。2.软件课程： Multisim2001、wave、 、proteus 等相关软件。3.做过的作品：

10、亚超声波和声光控开关、超外差式半导体收音机、声光报警器、数字万用表的组装和调试，直流稳压电源，数字动态扫描显示，把戏流水灯。4.具备的能力：较强的动手能力，善于分析和解决问题，有创新和创造的思维。5.实作所需的工具：烙铁，万用表，电脑，Proteus、protel 软件等等。6.实作所需地点及论文资料来源： 电子创新实验室，数字图书万方数据库。指导教师签名： 日期：注：课题来源要填写明确如教师拟定、学生建议、*企事业单位工程等课题类型：1A工程设计； B技术开发； C软件工程； D理论研究； E制作作品2*真实课题；Y模拟课题；Z虚拟课题；要求1 、 2均要填，如 AY，BY 等。-. z基于

11、单片机的光立方的设计摘 要本设计制作出一个三维立体显示图案的 LED 光立方。本产品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。同锁存器/8*8*8/LED 显示 时又增加了显示的把戏和立体图案显示效果，可以广泛用于传媒信息显示和各种装饰显示，为将来显示技术的进步和开展指导了方向，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。本设计是采用 AT89S52 单片机为核心控制器，八 D 边沿触发器三态74LS574 扩展 I/O 口，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

12、用自上而下的模块化设计思想，使系统朝着分布式、小型化方向开展，增强系统的可扩展性和运行的稳定性。关键词 51单片机/74LS574 -. zTHETHE DESIGNDESIGN OFOF LIGHTLIGHT CUBEBASEDCUBEBASED ONON THETHE MICROCONTROLLERMICROCONTROLLERABSTRACTABSTRACTThis design produced a three-dimensional pattern of the LED light cube. This productcan not only like a light-emittin

13、g diode dot matri* display plane static or dynamicscreen can also display three-dimensional static or dynamic images， and to break the traditional program.While increasing the display patterns and three-dimensional effect can be widely used to display and decorative display for future progress and d

14、evelopment to guide the direction， light cube display more visual effects than the light-emitting diode dot matri*， and the picture is more rich colorful. With abination of graphics and characters more perfect display characteristics.The design is AT89S52 MCU core controller， eight D edge flip-flop

15、74LS574 (tri-state) e*pansion I / O port pletion of the hardware circuit design. Programmed by software to control the data is downloaded to the MCU to plete the designs of theshow. This design software is a top-down modular design， the system moving in thedirection of distributed， small development

16、， enhance the stability of the systemsscalability and running. KEYWORDSKEYWORDS 5151 single-chip, 74LS574 latch, 8 * 8 * 8, 3DLED-. z目 录摘要IABSTRACTII1 绪论11.1 国外 LED 显示屏的开展概况11.2 我国 LED 显示屏研究现状及开展趋势11.3 设计的总体要求及方案选择21.4 设计说明书的构造安排22 系统总体方案设计42.1 系统总体硬件方案选择42.1.1 3D 显示屏核心控制器 42.1.2 电源电路 52.1.3 IO 口扩展芯

17、片 52.1.4 层面控制驱动电路 62.1.5 串口通讯芯片的选择 62.1.6 LED 发光显示二级管 6硬件电路绘图软件 72.2 系统总体软件方案选择82.2.1 单片机编程语言 82.2.2 系统软件编译器 WAVE 介绍 93 系统硬件方案设计103.1 硬件整体设计概述及功能分析103.2 电源供电系统设计103.3 51 系列单片机简介113.3.1 时钟电路设计 113.3.2 复位电路设计 13-. z3.4 驱动电路设计133.4.1 层驱动电路设计 133.4.2 列驱动电路设计 153.5 通信系统硬件设计163.6 光立方的制作及工作原理介绍173.6.1 3D L

18、ED 光立方搭接 173.6.2 3D LED 光立方工作原理 194 系统软件方案设计214.1 概述214.2 主程序设计214.3 显示程序的设计224.3.1 LED 显示屏的数据传送 224.3.2 显示程序的设计 224.4 软件中防止程序出错 ERR 处理234.5 ISP 软件程序下载245 光立方 PCB 版制作255.1 PROTUES制作 PCB 幅员255.1.1 绘制电路原理图并仿真测试 255.1.2 加载网络表及元件封装 265.1.3 规划电路板并设置相关参数 275.1.4 元件布局及调整 275.1.5 元件布线及调整 295.1.6 输出及制作 PCB30

19、5.2 PCB 版的制作过程305.2.1 热转印幅员 315.2.2 蚀刻去铜 315.2.3 去墨打孔 316 系统测试及仿真32-. z6.1 硬件系统测试326.2 软件系统测试336.3 系统总体测试336.4 系统测试结果与结论346.4.1 测试结果分析 346.4.2 测试结论 34总结35致37参考文献38附录 1 总体电路原理图39附录 2 电路 PCB 幅员40附录 3 电路 3D 仿真图41附录 4 元器件清单42附录 5 电路实物图44附录 6 源程序45-. z1 绪论1.1 国外 LED 显示屏的开展概况在当今信息化社会的高速开展过程中，大屏幕显示已经从公共信息展

20、示等商业应用向消费类多媒体应用渗透。随着宽带网络的开展，数字化的多媒体容将在信息世界中占据主流，新型的大屏幕显示设备将代替传统电视机成为人们享受信息和多媒体容的中心。与传统的显示设备相比，这种未来的巨大需求让LED 大屏幕显示技术成为众人目光的焦点。LED 显示屏一般分为图文显示屏和视频显示屏，均由 LED 矩阵块组成。动态图文显示屏可与计算机同步显示汉字、英文文本和图形；视频显示屏采用微型计算机进展控制，图文、图像并茂，以实时、同步、清晰的信息传播方式播放各种信息，还可显示二维、三维的动画、录像、电视、VCD 节目以及现场实况转播。不仅可以用于室环境装饰还可以用于室外环境信息传播，具有投影仪

21、、电视墙、液晶显示屏无法比较的优点。而且显示画面色彩鲜艳，立体感强，静如油画，动如电影，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1。随着社会经济的不断进步，人们对 LED 显示器的认识不断加深，其应用领域越来越广。目前正朝着更高亮度、更高耐气候性、更高的发光密度、更高的发光均匀性，可靠性、全色化方向开展。1.2 我国 LED 显示屏研究现状及开展趋势1我国 LED 产业开展现状目前国主要 LED 广告大屏幕制造厂商主要集中在华东、华北、华南区域，大型制造商的市场围几乎覆盖整个国市场。国产 LED 广告大屏幕的性价比比较高，市场占有率近 100%。我国的 LE

22、D 显示屏产业经过几年的开展，根本形成了一批具有一定规模的骨干企业。我国 LED 显示屏产业在规模开展的同时，产品技术推出新，一直保持比较先进的水平。LED 显示屏产业正成为我国电子信息产业的重要组成局部，也是平板显示领域唯一立足国形成的民族高科技产业2。 2LED 显示屏的开展趋势二十一世纪的显示技术将是平板显示的时代。根底材料的产业化，使 LED-. z全彩色显示产品本钱下降，应用加快开展。LED 产品性能的提高，使全彩色显示屏的亮度、色彩、白平衡均到达比较理想的效果，完全可以满足户外全天候的环境条件要求，同时，由于全彩色显示屏价格性能比的优势，预计在未来几年的开展中，全彩色 LED 3D

23、 显示显示屏在户外广告媒体中会越来越多地代替传统的灯箱、霓红灯、磁翻板等产品，体育场馆的显示方面全彩色 LED 3D 显示屏更会成为主流产品。全彩色 LED 3D 显示屏的广泛应用会是 LED 3D 显示屏产业开展的一个新的增长点。未来 LED 3D 显示屏会向着标准化、规化、产品构造多样化的方向开展。1.3 设计的总体要求及方案选择本次设计制作一个 8*8*8 的三维的发光二极管立方显示体，能够通过编写程序来实现对每一个发光二级管的亮灭控制，从而可以显示多种多样的图案。为了吸引观众增强显示效果，可以有多种显示模式。最简单的显示模式是静态显示。与静态显示模式相对应，就有各种动态显示模式，它们所

24、显示的图文都是能够变化的。按照图文运动的特点又可以分为闪烁、平移、旋转、缩放等多种显示模式。产生不同显示显示模式的方法，并不意味着一定要重新编写显示数据，可以通过一定的算法从原来的显示数据直接生成。这样程序书写就不会过于繁琐和重复，而且对核心控制器的存空间要求不高3。借鉴单片机控制 LED 点阵显示的原理，通过系统分析，确定该系统该具有哪些功能，有哪些模块，各个模块之间是怎样连接，以及怎样组合电路是最合理最简单的，即硬件方案设计。编写硬件电路的相对应软件程序局部，利用仿真软件对程序进展测试修改。电路系统焊接完毕后，测试整个的系统模块的功能，看各个功能是否能正常运行，并依据实验结果找出程序中的错

25、误，改正这些错误至测试成功完成毕业设计要求。1.4 设计说明书的构造安排针对毕业设计说明书的要求，对论文的容和构造将做如下安排：1初步整体方案的论证和选择搜集题目的有关资料，并参照目前通用的设计思想和设计方法拟定几套设计方案进展分析比较。最终选定了以 8 位 51 系列单片机为核心控制器件，外-. z加 I/O 扩展电路和层驱动电路来设计方案满足设计要求。2方案实现以设计要求为指导思想选择适宜的器件来实现这一思想，选择器件时要从功能和电气特性两方面来选择和论证。经过比照选择选定 AT89S52 单片机为核心控制器件，由八 D 边沿触发器三态74LS574 扩展 I/O 口输出，三极管8550

26、和 5V 继电器为驱动电路器件。论文列出了详细的器件参数和在系统中的连接使用方法。 3软件编写 根据硬件特点和设计要求，软件选用汇编语言编写。程序按功能分为静态显示、动态显示、通信等几个功能上相对独立的模块。然后按照所划分的模块逐个编写程序，最后将独立的模块整合起来。4验证与测试测试分为硬件测试、软件测试和系统联合测试几步来进展。在硬件测试中发现有单片机端口驱动能力缺乏、驱动电路工作不稳定、LED 显示不正常等问题。在软件测试中出现程序整合工作不协测等问题。通过分析，查找出问题的原因并设法解决。5结论设计作品完成后对设计中所遇到的问题、经历教训、以及自己的想法进展总结分析。以便于为将来的设计提

27、供珍贵的借鉴经历。5致针对设计中所遇到的问题和难处，解决的方法来自指导教师的讲解和点拨，以及同学的探讨和帮助，对此表示衷心的感！-. z2 系统总体方案设计本节是该设计的方案论证局部，对设计中所采用的芯片从多方面综合的进展比较，最后经过仔细的研究后决定所器件、编程软件和仿真电路绘制软件的选取。2.1 系统总体硬件方案选择2.1.1 3D 显示屏核心控制器控制局部是整个系统的核心局部，其功能可以实现与上位机通信接收上位机发送的数据和控制指令经处理过后控制显示屏显示容。其常用的电子设计方法有单片机、DSP、及 EDA 技术。方案一：单片机单片机是集成了 CPU，ROM，RAM 和 I/ O 口的微

28、型计算机。它有很强的接口性能，非常适合于工业控制，因此又叫微控制器(MCU)。单片机品种齐全，型号多样 CPU 从 8，16，32 到 64 位，多采用 RISC 技术，片上 I/O 非常丰富，有的单片机集成有 A/ D， “ 看门狗，PWM，显示驱动，函数发生器，键盘控制等。它们的价格也上下不等，这样极满足了开发者的选择自由。除此之外单片机还具有低电压和低功耗的特点。随着超大规模集成电路的开展，单片机在便携式产品有用武之地4。方案二：DSP 芯片DSP 又叫数字信号处理器。顾名思义，DSP 主要用于数字信号处理领域，非常适合高密度，重复运算及大数据容量的信号处理。现在已经广泛应用于通信、便携

29、式计算机和便携式仪表、雷达、图像、航空、家用电器、医疗设备等领域。 DSP 区别于一般微处理器的另一重要标志是硬件乘法器以及特殊指令，一般微处理器用软件实现乘法，逐条执行指令，速度慢。DSP 依靠硬件乘法器单周期完成乘法运算，而且还具有专门的信号处理指令。它的强大数据处理能力和高运行速度，是最值得称道的两大特色。芯片置 544 字的高速 SRAM。外部可寻址 64K 字程序/数据及 I/O，令周期在 25ns50ns 之间，实时性处理比 16位单片机快 2 倍以上，可取代一般的单片机5。方案三：EDA-. zEDA(即 Electronic Design Automation) 即电子设计自动

30、化，它是以计算机为工具，在 EDA 软件平台上，对用硬件描述语言 HDL 完成的设计文件自动地逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合及优化、逻辑布局布线、逻辑仿真，直至对于特定目标芯片进展适配编译、逻辑影射和编程下载等。而且 MCU和 DSP 都是通过串行执行指令来实现特定功能，不可防止低速，而 FPGA/CPLD则可实现硬件上的并行工作，在实时测控和高速应用领域前景广阔；另一方面，FPGA/CPLP 器件在功能开发上是软件实现的，但物理机制却和纯硬件电路一样，十分可靠。基于以上分析，三种设计方式相比较各有优点且都能够实现控制功能，但单片机的技术门槛较低开发本钱也较低非常适合初学者进展学习和锻

31、炼使用。现在市场上常用的单片机主要有 MCS-51、AVR、ARM、PIC 等。其中应用最广泛的单片机首推 Intel 的 51 系列，由于产品硬件构造合理，指令系统规，加之生产历史“悠久，有先入为主的优势常作为单片机学习的教材。所以决定选取 51 系列单片机作为控制局部的核心器件。2.1.2 电源电路方案一：采用普通干电池作为 LED 系统的电源，由于点阵系统耗电量较大，点阵系统一般悬挂在高处上，一直不停的工作。使用干电池需经常换电池，不符合节约型社会的要求。方案二：采用一块 LM7805 三端集成稳压器。把市电经变压器降压输入电路，而后整流送到 LM7805 三端稳压器稳压输出作为工作电压

32、。不仅功率上可以满足系统需要，不需要更换电源，并且比较轻便，使用更加平安可靠。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 IO 口扩展芯片方案一：选取串口输入并口输出芯片 74LS164，虽然 I/O 口使用较少，由于本次设计共需要 72 路 I/O 口，列驱动电路就需要 8 块 74LS164。显示数据是先后顺序给送去的，显示会有延迟，而 LED 动态显示的刷新的时间控制大约10ms，实时性差，效果不好。-. z方案二：采用边沿触发 D 型触发器 74LS574，74LS574 是三态总线驱动输出，可以缓冲控制输入，置数并行存取并且有改善抗扰度的滞后

33、作用。输出控制不影响触发器的部工作，既老数据可以保持，甚至当输出被关闭，新的数据也可以置入。时钟上升沿输入有效，8 块 74LS574 共用 16 个 I/O 口，数据可以并行写入芯片，延迟时间少，满足设计要求6。综合以上比较，决定选取 74LS574 作为列线驱动 IO 口扩展芯片。 2.1.4 层面控制驱动电路由于当 512 个 LED 同时点亮时，层面积聚电流大，需要把电流放大才能驱动。否则显示会出现不亮、半亮的现象，影响显示效果。方案一：采用 ULN2803 达林顿管来驱动层面，由于层面积聚电流大，虽然2803 的驱动电流可以到达 500mA，但是测试结果亮度低，甚至有的就不亮。方案二

34、：采用 5V 固体继电器来控制。把它看做一个电子开关，通过程序来控制动静点吸合来控制层面与电源正极的通断，可以满足电流的需求。测试结果很好，可以满足设计要求。基于以上分析，决定选取 5V 固体继电器作为层面电路控制器。2.1.5 串口通讯芯片的选择AT89S52 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 1488，1489，MA*232。方案一：采用 1488 或 1489 芯片实现电平转换，但在使用中发现这两种芯片可靠性不高，且需要正负 12V 电源，电路搭建麻烦。方案二：采用单电源电平转换芯片 MA*232，电源与单片机供电一样，外围电路简单、可靠。采用

35、 RS-232 接口与上位机通信，方便后来设计的软件调试和程序烧录。基于以上分析，决定选取 MA*232 作为串行通信芯片。2.1.6 LED 发光显示二级管LED 是一种固体光源，当它两端加上正向电压时就可以发光。采用不同的材料，可制成不同颜色的发光二极管。作为一种新的光源，广受欢送而得以快-. z速开展。从而在各种各样的传媒信息的宣传中得以表达。简述其分类方法如下。1按颜色分类单基色显示屏：单一颜色红色、绿色、黄色、蓝色等等 。双基色显示屏：红和绿双基色，256 级灰度、可以显示 65536 种颜色。全彩色显示屏：红、绿、蓝三基色，256 级灰度的全彩色显示屏可以显示一千六百多万种颜色。2

36、按使用场合分类室显示屏：发光点较小，一般 3mm-8mm，显示面积一般零点几至十几平方米。 室外显示屏：面积一般几十平方米至几百平方米，亮度高，可在下工作，具有防风、防雨、防水功能。 3按发光点直径分类室屏：3mm、3。75mm、5mm。 室外屏：10mm、12mm、16mm、19mm、21mm、26mm。 基于以上分析结果，加上由于本钱和控制的难易程度，决定选取单色蓝光LED 作为本次设计显示色彩，亮度高，显示效果很好7。2.1.7 硬件电路绘图软件方案一：PROTEL D*P 2004 是桌面环境下第一个以设计管理和协作技术为核心的全方位印刷电路板设计系统，它集强大的设计能力，复杂工艺的可

37、生产性和设计过程管理于一体，可完整实现电子产品从概念设计到生成物理生产数据的全过程，以及中间的所有分析，仿真和验证。整个过程包括以下几个步骤：1设想电路模型 2设计电路原理图3校对后输出原理图4产生网络表5设计印刷电路板6检查后输出 PCB 板图-. z方案二：PROTUES 是英国 Labcenter 公司开发的电路分析与实物仿真软件。它运行于 Windows 操作系统上，可以仿真、分析(SPICE)各种模拟器件和集成电路，该软件的特点是：1实现了单片机仿真和 SPICE 电路仿真相结合。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232 动态仿真、I2C测试器、

38、SPI 测试器、键盘和 LCD 系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。2支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有：ARM7(LPC21*)、 8051/52 系列、AVR 系列、PIC10/12/16/18 系列、HC11 系列以及多种外围芯片。3提供软件测试功能。在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等测试功能，同时可以观察各个变量、存放器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和测试环境，如Keil C51 uVision2、WAVE 伟福等软件。4具有强大的原理图绘制功能。总之，该软件是一款集单片机和 SP

39、ICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大。基于以上分析结果，本次设计决定选取 Protues 7.5 作为电路原理图和PCB 幅员绘制软件。2.2 系统总体软件方案选择软件的设计除了满足设计功能外还必须要满足易读写，方便下载和编译。设计目标和硬件总体构造确定的情况下，可以把软件可以分为主程序，显示子程序，各种延时子程序，按键扫描程序四个主要局部组成。软件的编写需要借助软件编辑器和编译软件，编译完成后还需要程序烧录器下载到单片机中执行。编写软件之前得首先选择一种适宜的语言以及配套的编辑器和编译软件。最后还要选择一款与所选单片机的下载器或下载软件来把编写的程序下载到单片机中执行。2.2.1 单片机

40、编程语言现在主要运用的单片机编程语言为汇编语言和 C 语言。下面对汇编语言和-. zC 语言做一些简介8。汇编语言Assembly Language是面向机器的程序设计语言，在汇编语句中，用助记符代替操作码，用地址符号或标号代替地址码，这样符号代替机器语言变成了汇编语言，于是汇编语言亦称为符号语言。使用汇编语言编写的程序，机器不能直接识别，要由一种程序将汇编语言翻译成机器语言，这种起翻译作用的程序叫汇编语言。汇编程序是系统软件中语言处理系统软件，汇编语言把汇编程序翻译成机器语言的过程称为汇编7。作为最根本的编程语言之一，汇编语言虽然应用的围不算很广，但重要性却勿庸置疑，因为它能够完成许多其他语

41、言所无法完成的功能。C 语言是一种构造化语言，可产生压缩代码。与汇编相比，C 的编译效率低，硬件可操控性比较差，目标代码体积大。基于以上分析结果，本次设计决定选取编程语言为汇编语言。汇编语言相对 C 语言优点有：1) 速度快，可以直接对硬件进展操作。2) 能够直接与硬件相关的存储器或 I/O 端口。3) 能够不受编译器的限制，对生成的二进制代码进展完全的控制。4) 能够对关键代码进展更准确的控制，防止因线程共同或者硬件设备共享引起的死锁。5) 能够根据特定的应用对代码做最正确的优化，提高运行速度。6) 能够最大限度地发挥硬件的功能。基于以上分析决定采用汇编语言为该显示系统软件设计的编程语言。2

42、.2.2 系统软件编译器 WAVE 介绍汇编语言编写的程序并不能被单片机直接执行还需要编译为单片机可执行的机器语言。因此在系统软件设计中，编译器必不可少。支持 MCS51 用汇编语言编程的编译器我们常用的是伟福 WAVE6000 编译器。因此软件设计最终方案为采用汇编语言为编程语言，WAVE 为编译工具按照控制、通信、显示等几个功能模块来编写程序。在伟福软件下汇编程序编译的一些详细步骤和要点： 1启动伟福 6000 编程、仿真、编译集成环境，运行主菜单中的：文件-. z翻开文件，开场编写程序。完成后保存为.ASM 文件。2执行主菜单中的工程编译。这样就在你保存那个*.ASM 文件的目录编译生成

43、了相关的*.BIN、*.HE*文件，此时你只要连接好编程器，翻开编程器的操作软件。运行载入文件选择要写入的*.HE*，执行编程操作就行了！ -. z3 系统硬件方案设计3.1 硬件整体设计概述及功能分析3D LED 光立方总体框图如图 3.1 所示。电路大体上可以分成核心控制电路、显示驱动电路、 、串信通信电路三局部。核心控制电路局部包括一个 51 系统CUP 和一些外围电路。在整个电路当中此电路局部可以相当于一个上位机，它负责控制整个电路以及相应的程序的运行、与 PC 机的串行通讯、以及给显示屏局部发送命令。单片机根据编写好的容和指令通过 I/O 口扩展后驱动8*8*8LED 光立方显示屏。

44、本次设计将以此方案为指导思想展开具体的硬件电路设计9。显示电路采用动态扫描方式进展显示时，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，从第一列开场，按顺序依次对各列进展扫描选通，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，通过三极管驱动继电器来控制相应层面的电平，列与层面的数据结合共同来显示图案10。 AT89S52行驱动器列驱动器16*16LED 点阵显示屏电源复位电路时钟电路图 3.1 系统构造设计总图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

45、中的器件，所以这里需要选择+5V 的直流电源。供电电源电路原理图见图 3.2。-. zVI1VO3GND2U67805BR1BRIDGE231564SW21SW-DPDT-MOMAKD3LED-REDD4LED-GREENR121KR13220C101nFC111nFC12100uC13470uD51N40072205v图 3.2 电源电路图220V 交流市电通过电源变压器变换成交流低压，再经过桥式整流电路和滤波电容的整流和滤波，在固定式三端稳压器 LM7805 的 Vin 和 GND 两端形成一个并不十分稳定的直流电压(该电压常常会因为市电电压的波动或负载的变化等原因而发生变化)。此直流电压

46、经过 LM7805 的稳压和电容的滤波便在稳压电源的输出端产生了精度高、稳定度好的直流输出电压。该稳压电源可作为 TTL电路或单片机电路的电源。三端稳压器是一种标准化、系列化的通用线性稳压电源集成电路，以其体积小、本钱低、性能好、工作可靠性高、使用简捷方便等特点，成为目前稳压电源中应用最为广泛的一种单片式集成稳压器件。在TTL 器件电路广泛采用 LM1805 三端稳压器作为供电电源的控制器。3.3 51 系列单片机简介单片机Microcontroller，又称微处理器是在一块硅片上集成了各种部件的微型机，这些部件包括中央处理器 CPU、数据存储器 RAM、程序存储器ROM、定时器/计数器和多种

47、 I/O 接口电路。单片机最小系统包括时钟电路和复位电路。时钟电路用于产生 AT89S52 单片机工作时必需的控制信号。单片机的部电路正是在时钟信号的控制下，严格地按照时序执行指令进展工作。复位电路是为单片机初始化操作准备的。只要单片机的复位引脚 RST 上的复位信号要持续两个机器周期24 个时钟周期以上，就可以使 AT89S52 单片机复位。单片机最小系统电路图见图 3.3。-. z3.3.1 时钟电路设计AT89S52 单片机各功能部件的运行都以时钟信号为基准，有条不紊、一拍一拍地工作。因此时钟频率直接影响单片机的处理速度，时钟电路的质量也是直接影响单片机系统的稳定性。常用的时钟电路有两种

48、方式，一种是部时钟方式，另一种是外部时钟方式。本次采用外部时钟方式。AT89S52 单片机芯片部设有一个由反向放大器构成的振荡器，*TAL1 和*TAL2 分别为振荡电路的的输入端和输出端，时钟可有部或外部生成，在*TAL1和*TAL2 引脚上外接定时元件，部振荡电路就会产生自激振荡。系统采用的定时元件为石英晶体和电容组成的并联谐振回路。时钟频率 fosc 采用12MHZ，C1、C2 的电容值取 30pF，电容的大小起频率微测的作用。时钟电路见图 3.4。图 3.3 单片机最小系统电路图图 3.4 时钟电路图3.3.2 复位电路设计AT89S52 单片机在启动运行时或者出现死机时需要复位，使

49、CPU 以及其他功能部件处于一个确定的初始状态，PC 初始化为 0000H。单片机从这个状态开场执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当程序行出错(如程序“跑飞)或操作错误使系统处于 “死锁状态时，也需要按复位键即 RST 脚为高电平，使 AT89S52 摆脱“跑飞“死锁状态而重新启动程序。单片机有多种复位方式，常用的复位操作有上电复位和手动按键电平复位方式。本设计采用手动按键电平复位方式，电路搭建图见图 3.5。上电复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，复位电路产生的复位信号高电平有效由 RST 通过一个施密特触发器与复位电路相连，施密特触发器用来抑制噪声干扰，在每一个机器周期的 S5

50、P2，施密特触发器的输出电平由复位电路采样一次，然后才能得到部复位操作所需要的信号对 AT89S52 单片机进展复位。当上电时，C1 相当于短路，有时碰到干扰时会造成错误复位，可在复位端加个去耦电容，可以复位电路更加可靠。 图 3.5 按键电平复位电路图-. z3.4 驱动电路设计3.4.1 层驱动电路设计继电器是本设计中的层面片选控制器电路的核心控制器。本设计中的继电器采用 5V 固体继电器，继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的，构造图见 3.6。继电器就是电子机械开关，它是用漆包铜线在一个圆铁芯上绕几百圈至几千圈，当线圈中流过电流时，圆铁芯产生了磁场，把圆铁芯上边的带有接触片的动

51、触点吸住，使之断开第一个触点常闭触点而接通第二个开关触点常开触点 ，这一过程称为电磁继电器的启动，继电器启动的结果是把常闭触点所接的外电路断开和把常开触点所接的外电路接通。当线圈断电时，铁芯失去磁性，由于接触铜片的弹性作用，使铁板离开铁芯，恢复与第一个触点常闭触点的接通，这一过程称为电磁继电器的复位。它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关。故在电路中起着自动测节、平安保护、转换电路等作用。因此，可以用很小的电流去控制其他电路的开关。整个继电器由塑料或有机玻璃防尘罩保护着，有的还是全密封的，以防触电氧化11。图 3.6 电磁继电器的原理图本设计中用继电器控制层面的 LED 阳极公共

52、端与电源正极的通断，可以通过程序来控制片选层面组建不同的图案。把控制层面的数据送到继电器控制器时，继电器根据电平上下来当控制继电器的开关和闭合。电磁铁通电后便具有磁性，将衔铁吸下，使继电器触点接触，与触点相连接的电源电路便接通。把相应的层面点亮，配合列线数据共同来显示数据。当控制开关断开时，电磁铁的磁性被撤消，继电器触点弹开，电源电路亦随之断开层面随即被灭。继电器控制电路见图 3.7。图 3.7 电磁继控制电路图3.4.2 列驱动电路设计锁存器 74L5747 是一个八 D 边沿触发触发器(三态)。引脚排布图见 3.8。图 3.8 74LS574 引脚排布图74LS574 的八个触发器是边沿触

53、发 D 型触发器。在时钟的正跳动，Q 输出-. z将处于 D 输入端已建立的逻辑状态。三态总线驱动输出、置数全并行存取、缓冲控制输入、时钟输入有改善抗扰度的滞后作用。时钟线上的施密特触发缓冲输入将简化系统设计，因为输入滞后作用使交流和直流抗扰度一般提高 400mV。缓冲输出的控制输入将使八个输出处于正常状态高电平或低电平或处于高阻状态。在高阻态下，输出既不能有效地给总线加负载，也不能有效地驱动总线。输出控制不影响触发器的部工作，既老数据可以保持，甚至当输出被关闭，新的数据也可以置入。74LS574 的逻辑功能见表 3.1。八 D 锁存器 74LS574 中的 OC 当三态允许控制端 OE 为低

54、电平时，O0O7 为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。表 3.1 74LS574 的逻辑功能表输入输出控制时钟数据输出OECLKDQLHHLLLLLQ0HZ注：H=高电平 L=低电平 *=不定 Z=高阻态 =上升沿 Q0=初始状态3.5 通信系统硬件设计计算机与计算机或计算机与终端之间的数据传送可以采用串行通讯和并行通讯二种方式。由于串行通讯方式具有使用线路少、本钱低，特别是在远程传输时，防止了多条线路特性的不一致而被广泛采用。RS-232C 标准是美国EIA(电子工业联合会)与 BELL 等公司一起开发的 1969 年公布的通信协议。它适合于数据传输速率在 020000b/s 围的通信。这

55、个标准对串行通信接口的有关问题，如信号线功能、电器特性都作了明确规定。由于通行设备厂商都生产与 RS-232C 制式兼容的通信设备，因此，它作为一种标准，目前已在微机通信接口中广泛采用12。AT89S52 单片机具有全双工串行 UART 通道，支持单片机进展数据的串行通信传输。除了单片机要与 PC 机制定通信协议，确定发送速率外还需要解决的-. z问题就是信号电平问题。RS-232C 标准规定了 PC 机发送数据总线 T*D 和接收数据总线 R*D 采用 EIA 电平，即传送数字“1时传输线上的电平在315V之间；传送数字“0时，传输线上的电平在315 之间。但单片机串行口采用正逻辑 TTL

56、电平，即数字“1时为5V 数字“0时为-5V，所以单片机与计算机不能直接相连进展通信必须将 RS-232C 与 TTL 电平进展通过芯片转换。串口通信系统电平转换电路图见图 3.9。在通用的电平转换芯片中 MA*232 系列的芯片以集成度高，单5V 电源工作，只需外接 5 个小电容即可完成 RS-232C 与 TTL 电平之间的转换而成为单片机系统中的常用芯片。该电路用于测试程序，以及系统软件的修改。本系统软件编写的程序可直接通过 PC 机的串行口，再经过 MA*232 电平转换下载到单片机中，从而去执行相应的功能。在该显示系统中，MA*232 为通信系统中最重要的硬件组成局部。图 3.9 串

57、口通信系统下载电路图3.6 光立方的制作及工作原理介绍3.6.1 3D LED 光立方搭接1LED 元件选型3D8 光立方采用高亮蓝色草帽头 LED。设计中 LED 可以更换为其他型号的，只需满足以下条件： 1额定驱动电压 3.3v2.7v-3.8v 。 2额定驱动电流为 20mA。 3阳极管脚长度 271mm，阴极管脚长度为 251mm。2LED 亮度测试方法 1可使用两节常见的 1.5V 的干电池判断 LED 的阳极阴极。 2将万能面包板接通电源，将 LED 插入面包板的一对插孔，其中靠近边缘的为阳极、另一个为阴极，观察其是否能被正常点亮，并可以改变限流电阻改变亮度，观察该型 LED 的可

58、测亮度围。建议从最低亮度开场，防止 LED 被烧毁。3LED 光立方搭接方法 -. z为了保持整体的通透性、立体感，3D8 光立方没有设计额外的 LED 支架，所有搭接直接使用 LED 自身的管脚。 1水平折弯：根本徒手就可以保证焊接的整齐性和保证角度的统一。 2垂直折弯：可借助尖嘴钳，目的是让阴极摆出发光体一部，使其可以与其上下的 LED 进展搭接。 4由点到线 准备一块木板，在上面打上 8*8 的 64 个孔，分布均匀，其间距为22.86mm，孔径以配合 LED 为准。将折弯好的 LED 插入一排插入以后，其阳极正好可以搭接在一起。进展焊接，实现线行共阳的操作。5由线到面 将焊好的一条一条

59、 LED 平躺在平面上，实现束方向阴极的焊接。上方 LED与下方 LED 阴极搭接的位置，可用 LED 自身根部的突起作为标志。控制层与层间距，理想值依然为 22.86(2.54*9)mm。 一个层面 LED 搭建图见图 3.10。图 3.10 一个层面 LED 搭建图图 3.11 由面到体搭建图6由面到体 将垂直各面依次插到面包板上面，以后，将露出的阳极引脚横向折 90，是其可以与其前后同一高度同一层的阳极进展焊接，实现各 8*8 平面的层共阳。实现层共阳以后，我们就得到了共计 8 条对阳极引线，通过漆包铜线，实现各层的阳极线与主板的连接。其中最顶层的对应最靠近 DC 电源插座的阳极座。两个

60、层面搭建体图见图 3.11。7静态测试进展 LED 的静态测试，对部常亮点、常暗点进展更换。由于 LED 还是比较娇贵的元件，焊接过程中，应防止静电造成 LED 的损伤。最好使用防静电焊台，并佩戴防静电手环。有硬件制作根底的朋友，可以制作一个简单的单面测试的模块，借助鳄鱼夹，对面各点进展测试，从而防止在各层都实现共阳连接以后再从中拆出个别坏点。 就原理图来说，3D8 的 LED 搭接结果相对简单，512 个LED，分为 64 束，8 层，束共阴，层共阳。-. z3.6.2 3D LED 光立方工作原理本设计介绍一个 3D LED 光立方显示屏的制作，在单片机的 P0 口输出显示代码，然后把扫描