毕业设计(论文)-基于单片机的光立方的设计

PAGE本科毕业设计（论文）题目基于单片机的光立方的设计学生姓名专业班级学号院（系）电气工程学院指导教师(职称)完成时间 郑州科技学院毕业设计（论文）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学号姓名主要内容、基本要求、主要参考资料等：一、主要内容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、基本要求1．论文内容充实，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.北京：电子工业出版社，2011.2．童诗白.模拟电子技术基础.北京：高等教育出版社，2006.3．赵景波.Prote199SE应用与实例教程.北京：人民邮电出版社，2009.4．尹勇.Multisim电路仿真入门与进阶.北京：科学出版社，2005.5．彭虎.微机原理与接口技术.北京：电子工业出版社，2008.6．张毅刚.单片机原理及应用.北京：高等教育出版社，2003.完成期限：2012年5月17日指导教师签名：专业负责人签名：年月日郑州科技学院毕业设计（论文）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EX指导教师学生姓名学号专业电子科学与技术开题报告内容：（调研资料的准备，设计的目的、要求、思路与预期成果；任务完成的阶段内容及时间安排；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，科技发展的脚步一直向前，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。在网站上查找相关文献时，了解LED显示技术的特色之处：一是节能（直接功耗，间接耗能），二是基本无电离辐射，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、便宜、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点阵显示屏的发展前景极为广阔，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、多色化方向发展。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5X5X5的、8X8X8的、甚至还有一个16X16X16的。在爱折腾网站也曾看过有用蓝色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8X8X8的光立方。二、设计目的在当今现代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。随着宽带网络的发展，数字化的多媒体内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内容的中心。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显示屏显示画面色彩鲜艳，立体感强，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，内容充实，论据充分，论证有力，数据可靠，结构紧凑，层次分明，图表清晰，格式规范，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显示来完成相应的花样的展示。六、任务完成的阶段内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，开始初步设计3D光立方显示的硬件电路，绘制出电路原理图。并与指导老师沟通后，最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部分，利用仿真软件对程序进行调试修改。与指导老师共同来完成软件的编写第四阶段：第8学期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周开始撰写3D光立方显示设计说明书的初稿，并完成初稿并交给指导老师初审。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，开始准备参加论文答辩。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：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，花样流水灯。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、某企事业单位项目等）课题类型：（2）X—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。 基于单片机的光立方的设计 PAGEII基于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花样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发展指导了方向，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。关键词51单片机/74LS574the

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 基于单片机的光立方的设计 目录摘要 IABSTRACT II1绪论 13949\h11.1国内外LED显示屏的发展概况 11.2我国LED显示屏研究现状及发展趋势 11.3设计的总体要求及方案选择 \h21.4设计说明书的结构安排 22系统总体方案设计 42.1系统总体硬件方案选择 4HYPERLINK\l"_Toc325013956"2.1.13D显示屏核心控制器 42.1.2电源电路 52.1.3I\O口扩展芯片 52.1.4层面控制驱动电路 62.1.5串口通讯芯片的选择 62.1.6LED发光显示二级管 62.1.7硬件电路绘图软件 PAGEREF_Toc325013962\h72.2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 965\h93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 10HYPERLINK\l"_Toc325013969"3.351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 133.4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 PAGEREF_Toc325013975\h163.6光立方的制作及工作原理介绍 173.6.13DLED光立方搭接 173.6.23DLED光立方工作原理 PAGEREF_Toc325013978\h194系统软件方案设计 214.1概述 214.2主程序设计 21HYPERLINK\l"_Toc325013982"4.3显示程序的设计 224.3.1LED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 234.5ISP软件程序下载 245光立方PCB版制作 255.1protues制作PCB版图 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PCB 5013994\h305.2PCB版的制作过程 305.2.1热转印版图 315.2.2蚀刻去铜 31HYPERLINK\l"_Toc325013998"5.2.3去墨打孔 316系统测试及仿真 326.1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 5014004\h346.4.2测试结论 34总结 35致谢 37参考文献 38附录1总体电路原理图 39附录2电路PCB版图 40附录3电路3D仿真图 PAGEREF_Toc325014011\h41附录4元器件清单 42附录5电路实物图 44附录6源程序 45PAGE31绪论1.1国内外LED显示屏的发展概况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。随着宽带网络的发展，数字化的多媒体内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内容的中心。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行控制，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。不仅可以用于室内环境装饰还可以用于室外环境信息传播，具有投影仪、电视墙、液晶显示屏无法比拟的优点。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、全色化方向发展。1.2我国LED显示屏研究现状及发展趋势（1）我国LED产业发展现状目前国内主要LED广告大屏幕制造厂商主要集中在华东、华北、华南区域，大型制造商的市场范围几乎覆盖整个国内市场。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LED显示屏产业经过几年的发展，基本形成了一批具有一定规模的骨干企业。我国LED显示屏产业在规模发展的同时，产品技术推陈出新，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部分，也是平板显示领域唯一立足国内形成的民族高科技产业[2]。（2）LED显示屏的发展趋势二十一世纪的显示技术将是平板显示的时代。基础材料的产业化，使LED全彩色显示产品成本下降，应用加快发展。LED产品性能的提高，使全彩色显示屏的亮度、色彩、白平衡均达到比较理想的效果，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，预计在未来几年的发展中，全彩色LED3D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LED3D显示屏更会成为主流产品。全彩色LED3D显示屏的广泛应用会是LED3D显示屏产业发展的一个新的增长点。未来LED3D显示屏会向着标准化、规范化、产品结构多样化的方向发展。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内存空间要求不高[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部分，利用仿真软件对程序进行测试修改。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设计说明书的结构安排针对毕业设计说明书的要求，对论文的内容和结构将做如下安排：（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行分析比较。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合适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。经过对比选择选定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行。在硬件测试中发现有单片机端口驱动能力不足、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、经验教训、以及自己的想法进行总结分析。以便于为将来的设计提供宝贵的借鉴经验。（5）致谢针对设计中所遇到的问题和难处，解决的方法来自指导老师的讲解和点拨，以及同学的探讨和帮助，对此表示衷心的感谢！PAGE532系统总体方案设计本节是该设计的方案论证部分，对设计中所采用的芯片从多方面综合的进行比较，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2.1.13D显示屏核心控制器控制部分是整个系统的核心部分，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内容。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。它们的价格也高低不等，这样极大地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发展，单片机在便携式产品中大有用武之地[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。芯片内置544字的高速SRAM。外部可寻址64K字程序/数据及I/O，令周期在25ns～50ns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：EDAEDA(即ElectronicDesignAutomation)即电子设计自动化，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行适配编译、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，不可避免低速，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成本也较低非常适合初学者进行学习和锻炼使用。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，由于产品硬件结构合理，指令系统规范，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部分的核心器件。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。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，使用更加安全可靠。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。2.1.3I\O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。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作用。输出控制不影响触发器的内部工作，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I\O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的驱动电流可以达到500mA，但是测试结果亮度低，甚至有的就不亮。方案二：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，MAX232。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MAX232，电源与单片机供电相同，外围电路简单、可靠。采用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MAX232作为串行通信芯片。2.1.6LED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，广受欢迎而得以快速发展。从而在各种各样的传媒信息的宣传中得以体现。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）按使用场合分类室内显示屏：发光点较小，一般Φ3mm--Φ8mm，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，可在阳光下工作，具有防风、防雨、防水功能。3）按发光点直径分类室内屏：Φ3mm、Φ3。75mm、Φ5mm。室外屏：Φ10mm、Φ12mm、Φ16mm、Φ19mm、Φ21mm、Φ26mm。基于以上分析结果，加上由于成本和控制的难易程度，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：PROTELDXP2004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）构想电路模型（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、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(LPC21xx)、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、寄存器等的当前状态，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KeilC51uVision2、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SPICE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Protues7.5作为电路原理图和PCB版图绘制软件。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结构确定的情况下，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部分组成。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合适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C语言做一些简介[8]。汇编语言（AssemblyLanguage）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]。作为最基本的编程语言之一，汇编语言虽然应用的范围不算很广，但重要性却勿庸置疑，因为它能够完成许多其他语言所无法完成的功能。C语言是一种结构化语言，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，可以直接对硬件进行操作。2)能够直接访问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行完全的控制。4)能够对关键代码进行更准确的控制，避免因线程共同访问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佳的优化，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。2.2.2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MCS－51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>打开文件，开始编写程序。完成后保存为.ASM文件。2）执行主菜单中的项目>编译。这样就在你保存那个*.ASM文件的目录编译生成了相关的*.BIN、*.HEX文件，此时你只要连接好编程器，打开编程器的操作软件。运行载入文件>选择要写入的*.HEX，执行编程操作就行了！3系统硬件方案设计3.1硬件整体设计概述及功能分析3DLED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、、串信通信电路三部分。核心控制电路部分包括一个51系统CUP和一些外围电路。在整个电路当中此电路部分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、以及给显示屏部分发送命令。单片机根据编写好的内容和指令通过I/O口扩展后驱动8X8X8LED光立方显示屏。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16X16LED点阵显示屏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。供电电源电路原理图见图3.2。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、成本低、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。3.351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。单片机的内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行工作。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。3.3.1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方式，一种是内部时钟方式，另一种是外部时钟方式。本次采用外部时钟方式。AT89S52单片机芯片内部设有一个由反向放大器构成的振荡器，XTAL1和XTAL2分别为振荡电路的的输入端和输出端，时钟可有内部或外部生成，在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件，内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始执行程序。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S5P2，施密特触发器的输出电平由复位电路采样一次，然后才能得到内部复位操作所需要的信号对AT89S52单片机进行复位。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3.4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，结构图见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、安全保护、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，继电器根据电平高低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3.874LS574引脚排布图74LS574的八个触发器是边沿触发D型触发器。在时钟的正跳动，Q输出将处于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内部工作，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为低电平时，O0~O7为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。表3.174LS574的逻辑功能表输入输出输出控制时钟数据OE'CLKDQL↑HHL↑LLLL×Q0H××Z注：H=高电平L=低电平x=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、成本低，特别是在远程传输时，避免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0~20000b/s范围内的通信。这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，支持单片机进行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TXD和接收数据总线RXD采用EIA电平，即传送数字“1”时传输线上的电平在－3～－15V之间；传送数字“0”时，传输线上的电平在＋3～＋15之间。但单片机串行口采用正逻辑TTL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行通信必须将RS-232C与TTL电平进行通过芯片转换。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MAX232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MAX232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，MAX232为通信系统中最重要的硬件组成部分。图3.9串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3.6.13DLED光立方搭接（1）LED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3.3v（2.7v-3.8v）。2）额定驱动电流为20mA。3）阳极管脚长度27±1mm，阴极管脚长度为25±1mm。（2）LED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内，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的可测亮度范围。建议从最低亮度开始，防止LED被烧毁。（3）LED光立方搭接方法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：基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进行搭接。（4）由点到线准备一块木板，在上面打上8x8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。进行焊接，实现线行内共阳的操作。（5）由线到面将焊好的一条一条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。/r/