【正文】 北、華南區(qū)域，大型制造商的市場(chǎng)范圍幾乎覆蓋整個(gè)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。國(guó)產(chǎn) LED 廣告大屏幕的性價(jià)比比較高，市場(chǎng)占有率近 100%。我國(guó)的 LED 顯示屏產(chǎn)業(yè)經(jīng)過(guò)幾年的發(fā)展，基本形成了一批具有一定規(guī)模的骨干企業(yè)。我國(guó) LED 顯示屏產(chǎn)業(yè)在規(guī)模發(fā)展的同時(shí)，產(chǎn)品技術(shù)推陳出新，一直保持比較先進(jìn)的水平。 LED 顯示屏產(chǎn)業(yè)正成為我國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，也是平板顯示領(lǐng)域唯一立足國(guó)內(nèi) 形成的民族高科技產(chǎn)業(yè)[2]。 （ 2） LED 顯示屏的發(fā)展趨勢(shì) 二十一世紀(jì)的顯示技術(shù)將是平板顯示的時(shí)代?；A(chǔ)材料的產(chǎn)業(yè)化，使 LED全彩色顯示產(chǎn)品成本下降，應(yīng)用加快發(fā)展。 LED 產(chǎn)品性能的提高，使全彩色顯示屏的亮度、色彩、白平衡均達(dá)到比較理想的效果，完全可以滿足戶外全天候的環(huán)境條件要求，同時(shí)，由于全彩色顯示屏價(jià)格性能比的優(yōu)勢(shì)，預(yù)計(jì)在未來(lái)幾年的發(fā)展中，全彩色 LED 3D 顯示顯示屏在戶外廣告媒體中會(huì)越來(lái)越多地代替?zhèn)鹘y(tǒng)的燈箱、霓紅燈、磁翻板等產(chǎn)品，體育場(chǎng)館的顯示方面全彩色 LED 3D 顯示屏更會(huì)成為主流產(chǎn)品。全彩色 LED 3D 顯示屏的廣泛應(yīng)用會(huì)是 LED 3D 顯示屏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)新的增長(zhǎng)點(diǎn)。 未來(lái) LED 3D 顯示屏?xí)蛑鴺?biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)多樣化的方向發(fā)展。 設(shè)計(jì)的總體要求及方案選擇 本次設(shè)計(jì)制作一個(gè) 8*8*8 的三維的發(fā)光二極管立方顯示體，能夠通過(guò)編寫程序來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)每一個(gè)發(fā)光二級(jí)管的亮滅控制，從而可以顯示多種多樣的圖案。為了吸引觀眾增強(qiáng)顯示效果，可以有多種顯示模式。最簡(jiǎn)單的顯示模式是靜態(tài)顯示。與靜態(tài)顯示模式相對(duì)應(yīng)，就有各種動(dòng)態(tài)顯示模式，它們所顯示的圖文都是能夠變化的。按照?qǐng)D文運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)又可以分為閃爍、平移、旋轉(zhuǎn)、縮 放等多種顯示模式。產(chǎn)生不同顯示顯示模式的方法，并不意味著一定要重新編寫顯示數(shù)據(jù)，可以通過(guò)一定的算法從原來(lái)的顯示數(shù)據(jù)直接生成。這樣程序書寫就不會(huì)過(guò)于繁瑣和重復(fù)，而且對(duì)核心控制器的內(nèi)存空間要求不高 [3]。 借鑒單片機(jī)控制 LED 點(diǎn)陣顯示的原理，通過(guò)系統(tǒng)分析，確定該系統(tǒng)該具有哪些功能，有哪些模塊，各個(gè)模塊之間是怎樣連接，以及怎樣組合電路是最合理最簡(jiǎn)單的，即硬件方案設(shè)計(jì)。編寫硬件電路的相對(duì)應(yīng)軟件程序部分，利用仿真軟件對(duì)程序進(jìn)行測(cè)試修改。電路系統(tǒng)焊接完畢后，測(cè)試整個(gè)的系統(tǒng)模塊的功能，看各個(gè)功能是否能正常運(yùn)行，并依據(jù)實(shí)驗(yàn) 結(jié)果找出程序中的錯(cuò)誤，改正這些錯(cuò)誤至測(cè)試成功完成畢業(yè)設(shè)計(jì)要求。 設(shè)計(jì)說(shuō)明書的結(jié)構(gòu)安排 針對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書的要求，對(duì)論文的內(nèi)容和結(jié)構(gòu)將做如下安排： （ 1）初步整體方案的論證和選擇 搜集題目的有關(guān)資料，并參照目前通用的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法擬定幾套設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析比較。最終選定了以 8 位 51 系列單片機(jī)為核心控制器件，外加 I/O擴(kuò)展電路和層驅(qū)動(dòng)電路來(lái)設(shè)計(jì)方案滿足設(shè)計(jì)要求。 （ 2）方案實(shí)現(xiàn) 以設(shè)計(jì)要求為指導(dǎo)思想選擇合適的器件來(lái)實(shí)現(xiàn)這一思想，選擇器件時(shí)要從功能和電氣特性兩方面來(lái)選擇和論證。經(jīng)過(guò)對(duì)比選擇選定 AT89S52 單片機(jī)為核心控制器件，由八 D 邊沿觸發(fā)器（三態(tài)） 74LS574 擴(kuò)展 I/O 口輸出，三極管 8550 和5V 繼電器為驅(qū)動(dòng)電路器件。論文列出了詳細(xì)的器件參數(shù)和在系統(tǒng)中的連接使用方法。 （ 3）軟件編寫 根據(jù)硬件特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要求，軟件選用編寫。程序按功能分為靜態(tài)顯示、動(dòng)態(tài)顯示、通信等幾個(gè)功能上相對(duì)獨(dú)立的模塊。然后按照所劃分的模塊逐個(gè)編寫，最后將獨(dú)立的模塊整合起來(lái)。 （ 4）驗(yàn)證與測(cè)試 試分為硬件試、軟件試和系統(tǒng)聯(lián)合試幾步來(lái)進(jìn)行。在硬件測(cè)試中發(fā)現(xiàn) 有單片機(jī)端口驅(qū)動(dòng)能力不足、驅(qū)動(dòng)電路工作不穩(wěn)定等問(wèn)題。在軟件測(cè)試中出現(xiàn)程序整合工作不協(xié)測(cè)等問(wèn)題。通過(guò)分析，查找出問(wèn)題原因并設(shè)法解決。（ 5）結(jié)論 設(shè)計(jì)完成后對(duì)設(shè)計(jì)中所遇到的問(wèn)題、經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)、以及自己的想法進(jìn)行總結(jié)。（ 5）設(shè)計(jì)中所遇到的問(wèn)題2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 本節(jié)是該設(shè)計(jì)的方案論證部分，對(duì)設(shè)計(jì)中所采用的芯片從多方面綜合的進(jìn)行比較，最后經(jīng)過(guò)仔細(xì)的研究后決定所器件、編程軟件和仿真電路繪制軟件的選取。 系統(tǒng)總體硬件方案選擇 3D 顯示屏控制器 單片機(jī) DSP 芯片 串口通訊芯片的選擇 AT89S52 串行口采 用的是 TTL 電平，與上位機(jī)通信時(shí)，必須要有電平轉(zhuǎn)換電路，可以選擇 1488， 1489， 232。 方案一：采用 1488 或 1489 芯片實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，但在使用中發(fā)現(xiàn)這兩種芯片可靠性不高，且需要正負(fù) 12V 電源，電路搭建麻煩。 方案二：采用單電源電平轉(zhuǎn)換芯片 232，電源與單片機(jī)供電相同，外圍電路簡(jiǎn)單、可靠。采用 RS232 接口與上位機(jī)通信，方便后來(lái)設(shè)計(jì)的軟件調(diào)試和程序燒錄。 基于以上分析，決定選取 232 作為串行通信芯片。 LED 發(fā)光顯示二級(jí)管 LED 是一種固體光源，當(dāng)它兩端加上正向電壓時(shí)就可以發(fā)光。采用不同的材料，可 制成不同顏色的發(fā)光二極管。作為一種新的光源，廣受歡迎而得以快速發(fā)展。從而在各種各樣的傳媒信息的宣傳中得以體現(xiàn)。簡(jiǎn)述其分類方法如下。 1）按顏色分類 單基色顯示屏：?jiǎn)我活伾t色、綠色、黃色、藍(lán)色等等）。 雙基色顯示屏：紅和綠雙基色， 256 級(jí)灰度、可以顯示 65536 種顏色。 全彩色顯示屏：紅、綠、藍(lán)三基色， 256 級(jí)灰度的全彩色顯示屏可以顯示一千六百多萬(wàn)種顏色。 2）按使用場(chǎng)合分類 室內(nèi)顯示屏：發(fā)光點(diǎn)較小，一般Φ 3mmΦ 8mm，顯示面積一般零點(diǎn)幾至十幾平方米。 室外顯示屏：面積一般幾十平方米至幾百平方米， 亮度高，可在陽(yáng)光下工作，具有防風(fēng)、防雨、防水功能。 3）按發(fā)光點(diǎn)直徑分類 室內(nèi)屏：Φ 3mm、Φ 3。 75mm、Φ 5mm。 室外屏：Φ 10mm、Φ 12mm、Φ 16mm、Φ 19mm、Φ 21mm、Φ 26mm。 基于以上分析結(jié)果，加上由于成本和控制的難易程度，決定選取單色藍(lán)光LED 作為本次設(shè)計(jì)顯示色彩，亮度高，顯示效果很好 [7]。 硬件電路繪圖軟件 方案一： PROTEL DXP 2021 是桌面環(huán)境下第一個(gè)以設(shè)計(jì)管理和協(xié)作技術(shù)為核心的全方位印刷電路板設(shè)計(jì)系統(tǒng)，它集強(qiáng)大的設(shè)計(jì)能力，復(fù)雜工藝的可生產(chǎn)性和設(shè)計(jì)過(guò)程管理 于一體，可完整實(shí)現(xiàn)電子產(chǎn)品從概念設(shè)計(jì)到生成物理生產(chǎn)數(shù)據(jù)的全過(guò)程，以及中間的所有分析，仿真和驗(yàn)證。整個(gè)過(guò)程包括以下幾個(gè)步驟： （ 1）構(gòu)想電路模型 （ 2）設(shè)計(jì)電路原理圖 （ 3）校對(duì)后輸出原理圖 （ 4）產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)表 （ 5）設(shè)計(jì)印刷電路板 （ 6）檢查后輸出 PCB 板圖 方案二： PROTUES 是英國(guó) Labcenter 公司開發(fā)的電路分析與實(shí)物仿真軟件。它運(yùn)行于 Windows 操作系統(tǒng)上，可以仿真、分析 SPICE 各種模擬器件和集成電路，該軟件的特點(diǎn)是： 1）實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)仿真和 SPICE 電路仿真相結(jié)合。具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機(jī)及其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真、 RS232 動(dòng)態(tài)仿真、 I2C 測(cè)試器、 SPI 測(cè)試器、鍵盤和 LCD 系統(tǒng)仿真的功能；有各種虛擬儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號(hào)發(fā)生器等。 2）支持主流單片機(jī)系統(tǒng)的仿真。目前支持的單片機(jī)類型有： ARM7 LPC21xx 、 8051/52 系列、 AVR 系列、 PIC10/12/16/18 系列、 HC11 系列以及多種外圍芯片。 3）提供軟件測(cè)試功能。在硬件仿真系統(tǒng)中具有全速、單步、設(shè)置斷點(diǎn)等測(cè)試功能，同時(shí)可以觀察各個(gè)變量、寄存器等的當(dāng)前 狀態(tài)，因此在該軟件仿真系統(tǒng)中，也必須具有這些功能；同時(shí)支持第三方的軟件編譯和測(cè)試環(huán)境，如 Keil C51 uVision WAVE 偉福等軟件。 4）具有強(qiáng)大的原理圖繪制功能?？傊?，該軟件是一款集單片機(jī)和 SPICE 分析于一身的仿真軟件，功能極其強(qiáng)大。 基于以上分析結(jié)果，本次設(shè)計(jì)決定選取 Protues 作為電路原理圖和 PCB版圖繪制軟件。 系統(tǒng)軟件方案軟件的設(shè)計(jì)除了滿足設(shè)計(jì)功能外還必須要滿足易讀寫，方便下載和編譯。設(shè)計(jì)目標(biāo)和硬件總體結(jié)構(gòu)確定的情況下，軟件可以分為主程序，顯示子程序，各種子程序個(gè)主 要部分組成。軟件的編寫需要借助軟件編輯器和編譯軟件，編譯完成后還需要下載到單片機(jī)中執(zhí)行。編寫軟件之前得首先選擇一種合適的語(yǔ)言以及配套的編輯器和編譯軟件。最后還要選擇一款與所選單片機(jī)的下載器或下載軟件來(lái)把編寫的程序下載到單片機(jī)中執(zhí)行。 單片機(jī)編程語(yǔ)言 現(xiàn)在主要運(yùn)用的單片機(jī)編程語(yǔ)言為匯編語(yǔ)言和 C 語(yǔ)言。 C 語(yǔ)言是一種結(jié)構(gòu)化語(yǔ)言，可產(chǎn)生壓縮代碼。與匯編相比 C 的編譯效率低，硬件可操控性比較差，目標(biāo)代碼體積大 匯編語(yǔ)言相對(duì) C 語(yǔ)言優(yōu)點(diǎn)有： 1 速度快，可以直接對(duì)硬件進(jìn)行操作。 2 能夠直接訪問(wèn)與硬件相關(guān)的存儲(chǔ) 器或 I/O 端口。 3 能夠不受編譯器的限制，對(duì)生成的二進(jìn)制代碼進(jìn)行完全的控制。 4 能夠?qū)﹃P(guān)鍵代碼進(jìn)行更準(zhǔn)確的控制，避免因線程共同訪問(wèn)或者硬件設(shè)備共享引起的死鎖。 5 能夠根據(jù)特定的應(yīng)用對(duì)代碼做最佳的優(yōu)化，提高運(yùn)行速度。 6 能夠最大限度地發(fā)揮硬件的功能。 基于以上決定采用語(yǔ)言為該顯示系統(tǒng)的編程語(yǔ)言。 系統(tǒng)軟件編譯器介紹 語(yǔ)言編寫的程序并不能被單片機(jī)直接執(zhí)行還需要編譯為單片機(jī)可執(zhí)行的機(jī)器語(yǔ)言。因此在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，編譯器必不可少。支持 MCS－ 51 用語(yǔ)言編程的編譯器偉福 WAVE6000 編譯 器因此軟件設(shè)計(jì)最終方案為采用語(yǔ)言為語(yǔ)言，為編譯工具按照控制、通信、顯示等幾個(gè)功能模塊來(lái)編寫程序。 3 系統(tǒng)硬件方案設(shè)計(jì) 硬件整體設(shè)計(jì)概述及功能分析 3D LED 光立方總體框圖如圖 所示。電路大體上可以分成控制、顯示驅(qū)動(dòng)電路、電路三部分。電路包括一個(gè) 51CUP 和一些外圍電路。在整個(gè)電路當(dāng)中此電路部分相當(dāng)于一個(gè)上位機(jī)，它負(fù)責(zé)控制整個(gè)電路以及相應(yīng)的程序的運(yùn)行、與PC 機(jī)的串行通訊、以及給屏部分發(fā)送命令。單片機(jī)根據(jù)內(nèi)容和指令通過(guò)口驅(qū)動(dòng)8X8 LED 光立方顯示屏。將以此方案為指導(dǎo)思想展開具體的硬件電路設(shè)計(jì) 。顯示電路采用掃描方式進(jìn)行顯示時(shí)，每有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器，各的同名共用一個(gè)驅(qū)動(dòng)器。由給出的行選通信號(hào)，從第一開始，按順序依次對(duì)各進(jìn)行掃描。另一方而，根據(jù)各列， 圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總圖 電源供電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 電路能夠正常工作，電源是必不可少的。單片機(jī)屬于數(shù)字電路中的器件，所以這里需要選擇 +5V 的直流電源。供電電源電路原理圖見(jiàn)圖 。 圖 電源電路圖 220V 交流市電通過(guò)電源變壓器變換成交流低壓，再經(jīng)過(guò)橋式整流電路和濾波電容的整流和濾波，在固定式三端穩(wěn)壓器 LM7805 的 Vin 和 GND 兩端形成一個(gè)并不十 分穩(wěn)定的直流電壓 該電壓常常會(huì)因?yàn)槭须婋妷旱牟▌?dòng)或負(fù)載的變化等原因而發(fā)生變化 。此直流電壓經(jīng)過(guò) LM7805 的穩(wěn)壓和的濾波便在穩(wěn)壓電源的輸出端產(chǎn)生了精度高、穩(wěn)定度好的直流輸出電壓。穩(wěn)壓電源可作為 TTL 電路或單片機(jī)電路的電源。三端穩(wěn)壓器是一種標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的通用線性穩(wěn)壓電源集成電路，以其體積小、成本低、性能好、工作可靠性高、使用簡(jiǎn)捷方便等特點(diǎn)，成為目前穩(wěn)壓電源中應(yīng)用最為廣泛的一種單片式集成穩(wěn)壓器件。 51 系列 Microcontroller，又稱微處理器）是在一塊硅片上集成了各種部件的微型機(jī)，這些部件包括中央處理器 CPU、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 RAM、程序存儲(chǔ)器 ROM、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器和多種 I/O 接口電路。單片機(jī)最小系統(tǒng)包括時(shí)鐘電路和復(fù)位電路。 時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生 AT89S52 單片機(jī)工作時(shí)必需的控制信號(hào)。單片機(jī)的內(nèi)部電路正是在時(shí)鐘信號(hào)的控制下，嚴(yán)格地按照時(shí)序執(zhí)行指令進(jìn)行工作。復(fù)位