【正文】 2009屆電子信息工程專業(yè) 畢業(yè)設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的光立方設(shè)計(jì)畢業(yè)論文 目錄第一章 緒論 1 課題的背景 1 研究目的和意義................................................ 1 論文研究?jī)?nèi)容與結(jié)構(gòu)安排 1 第二章 總體設(shè)計(jì) 2 工作原理 2 各模塊方案選擇與論證 2 單片機(jī)主控制模塊 2 驅(qū)動(dòng)模塊 2 顯示模塊 2 第三章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 3 硬件電路設(shè)計(jì) 3 單片機(jī)最小系統(tǒng) 3 時(shí)鐘電路 4 P0 口外接上拉電阻 4 驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì) 5 光立方整體設(shè)計(jì)思路 6 LED燈排序方式設(shè)計(jì) 6 LED燈接法方式設(shè)計(jì) 7 光立方搭建方法 7 7 7 8 第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 9 主程序設(shè)計(jì) 9 第五章 系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)果分析 10 系統(tǒng)調(diào)試 10 . 硬件測(cè)試 11 . 軟件測(cè)試 11 結(jié)果分析 11 第六章 結(jié)論 12 參考文獻(xiàn) 13 英文摘要 14 致謝語 15 附錄 16 實(shí)物圖 16 系統(tǒng)原理圖 17 程序清單 18 1緒論：“光立方”一詞正逐漸引起了全國(guó)人民的關(guān)注，并得到了全球的高度肯定。由此，也掀起了光立方的設(shè)計(jì)與學(xué)習(xí)熱潮，在原有的基礎(chǔ)上不斷增加難度，增加變換花樣，吸引電子愛好者對(duì)其研究、創(chuàng)新。事實(shí)上，“光立方”已經(jīng)滲透到以下幾個(gè)方面：照明類LED光效——戶外景觀照明展開的視覺裝飾活動(dòng)；信息傳播類LED光效——各種類型的大屏幕點(diǎn)綴著人們的生活；光立方制作所需材料較常見，成本低廉、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)具有較高的研究?jī)r(jià)值。：本次畢業(yè)設(shè)計(jì)一改傳統(tǒng)的平面流水燈的風(fēng)格，而是從平面向立體發(fā)展，通過更寬廣的三維空間呈現(xiàn)出更加絢麗的效果，直接沖擊著人們審美視覺，不在停留在乏味的平面成像。設(shè)計(jì)并采用更優(yōu)于89C51的STC12C5A60S2 單片機(jī)，使系統(tǒng)具有更強(qiáng)大的功能和驅(qū)動(dòng)能力。再者，從平面向立體這符合科技發(fā)展的要求，適應(yīng)主流。3D8光立方主體部分由512LED燈組成，在制作過程中鍛煉學(xué)習(xí)動(dòng)手焊接能力，并以低成本，智能化產(chǎn)品對(duì)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)利益、商業(yè)價(jià)值的形成具有積極的推動(dòng)作用。 論文研究?jī)?nèi)容與結(jié)構(gòu)安排本文研究的內(nèi)容如下：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制模塊：采用60K STC12C5A60S2控制核心，其它相關(guān)的外圍電路構(gòu)成本系統(tǒng)的模塊；時(shí)鐘信號(hào)電路：采用普通晶體時(shí)鐘源，；顯示模塊：通過對(duì)單片機(jī)編程，利用程序來控制LED的亮滅，以達(dá)到動(dòng)畫的效果。具體介紹內(nèi)容安排如下：第二章主要闡述系統(tǒng)方案的選擇與論證，將系統(tǒng)分為主控模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、顯示模塊等，并分別對(duì)各模塊方案進(jìn)行了選擇與論證。第三章主要介紹了個(gè)硬件電路的設(shè)計(jì)，還對(duì)各單元實(shí)現(xiàn)的功能以及芯片引腳功能特點(diǎn)進(jìn)行說明。同時(shí)闡述整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路以及搭建方法。第4章 主要闡述主程序的編寫以及整個(gè)軟件的框架。第5章 闡述的是整個(gè)光立方系統(tǒng)的調(diào)試過程以及在調(diào)試過程中出現(xiàn)的軟件、硬件問題。并闡述了解決這些問題的辦法。 第六章主要對(duì)整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)過程進(jìn)行總結(jié)，并闡述了在制作過程中的收獲和心得。2總體設(shè)計(jì) 工作原理本設(shè)計(jì)以STC12C5A60S2單片機(jī)為控制核心設(shè)計(jì)一個(gè)由512個(gè)藍(lán)色LED燈組成的光立方。系統(tǒng)主要由主控、驅(qū)動(dòng)、顯示等模塊構(gòu)成。系統(tǒng)模塊框圖如圖21: 圖21 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 各模塊方案選擇與論證 單片機(jī)主控制模塊方案一：采用常用的89c51單片機(jī)作為主控芯片，由于89c51只有8K的內(nèi)存，而光立方需要形成多種動(dòng)畫程序量大，可能會(huì)有溢出的情況發(fā)生。所以不采用此方案。方案二：采用51系列的增強(qiáng)型芯片60K STC12C5A60S2單片機(jī)作為主控芯片[2]，采用第六代加密技術(shù)；；，外部復(fù)位可用可不用；，比8051快812倍[11]；因此采用此方案。 驅(qū)動(dòng)模塊方案一：采用8個(gè)8050NPN三極管驅(qū)動(dòng)，雖能起到反相的作用。但由于需要八個(gè)數(shù)量較多，對(duì)于整體布局效果不佳，影響美觀。并且性價(jià)比不高，所以不采用此方案。方案二：采用八重達(dá)林頓uln2803,1 至 8腳為8路輸入，18 到 11腳為8路輸出。驅(qū)動(dòng)能力 500MA \50V。因?yàn)檎麄€(gè)光立方體由512個(gè)LED燈組成，所需電流也較大，并且一片芯片就能等效8個(gè)三極管的作用，大大縮小元器件占用空間。綜上所述選擇ULN2803芯片。 顯示模塊方案一：由于我們常用的LED燈不容易聚光，光發(fā)散比較厲害點(diǎn)亮?xí)r相互之間將會(huì)有影響，容易影響視角效果。方案二：我們放棄我們經(jīng)常用的草帽型LED，采用的是白發(fā)霧狀（乳型）藍(lán)燈，~，工作電流2mA~10mA。使用霧狀的比較聚光，512個(gè)燈同時(shí)點(diǎn)亮?xí)r也同樣能夠達(dá)到動(dòng)畫的效果，如圖22所示： 圖22 霧面乳型LED燈3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 硬件電路設(shè)計(jì)本電路是由STC12C5A60S2單片機(jī)為控制核心，其和8051指令、管腳完全兼容，而且其片內(nèi)的具有大容量程序存儲(chǔ)器且是FLASH工藝的，具有串口燒寫編程功能，低功耗[1]；時(shí)鐘源電路有很多種，比如阻容低速時(shí)鐘源、普通晶體時(shí)鐘源、帶緩沖放大的晶體時(shí)鐘源等等，考慮到電路穩(wěn)定及材料選購等方面，決定采用普通晶體時(shí)鐘源，其中晶體用12MHZ的石英晶振[12]。顯示部份由顯示部份由512個(gè)霧面LED燈組成來進(jìn)行顯示。 單片機(jī)最小系統(tǒng)單片機(jī)的最小系統(tǒng)就是讓單片機(jī)能正常工作并發(fā)揮其功能時(shí)所必須的組成部分，也可理解為是用最少的元件組成的單片機(jī)可以工作的系統(tǒng)。對(duì)STC12C5A60S2單片機(jī)來說， 最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括： 單片機(jī)、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、輸入/ 輸出設(shè)備等[7]（見圖31）。單片機(jī)的最小系統(tǒng)如下圖所示:圖31單片機(jī)最小系統(tǒng)框圖圖32 單片機(jī)最小系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路之前，讓我們先了解下單片機(jī)上的時(shí)鐘管腳：XTAL1（19 腳） ：芯片內(nèi)部振蕩電路輸入端。XTAL2（18 腳） ：芯片內(nèi)部振蕩電路輸出端。XTAL1 和XTAL2 是獨(dú)立輸入和輸出反相放大器，它可以被配置為使用石英晶振的片內(nèi)振蕩器。內(nèi)部方式的時(shí)鐘電路如圖33（a）所示，在XTALXTAL2 的引腳上外接定時(shí)元件（一個(gè)石英晶體和兩個(gè)電容），內(nèi)部振蕩器便能產(chǎn)生自激振蕩[9]。經(jīng)過綜合考慮， 的石英晶振。和晶振并聯(lián)的兩個(gè)電容的大小對(duì)振蕩頻率有微小影響，可以起到頻率微調(diào)作用。一般情況下選取33pF 的陶瓷電容就可以了。[8]外部方式的時(shí)鐘電路如圖33（b）所示，RXD接地，TXD接外部振蕩器。對(duì)外部振蕩信號(hào)無特殊要求，只要求保證脈沖寬度，一般采用頻率低于12MHz的方波信號(hào)。[15]（a）內(nèi)部方式時(shí)鐘電路 （b）外部方式時(shí)鐘電路圖33 時(shí)鐘電路　　另外值得一提的是檢測(cè)晶振是否能夠起振的方法可使用示波器能看到XTAL2 輸出的非常好看的正弦波，也可以使用萬用表測(cè)量（ 把擋位打到直流擋，這個(gè)時(shí)候測(cè)得的是有效值）XTAL2 和地之間的電壓時(shí)，可以看到2V 左右一點(diǎn)的電壓。[13] P0 口外接上拉電阻　STC12C5A60S2單片機(jī)的P0 端口為開漏輸出，內(nèi)部無上拉電阻（圖36）。所以在當(dāng)做普通I/O 輸出數(shù)據(jù)時(shí)，由于V2 截止，輸出級(jí)是漏極開路電路，要使“1”信號(hào)正常輸出，一定要外接上拉電阻。[16]圖36 P0端口的1位結(jié)構(gòu) 本設(shè)計(jì)采用的是ULN2803達(dá)林頓管驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。ULN2803，采用AP=DIP18,AFW=SOL18封裝方式。 ULN2803是八重達(dá)林頓，1 至 8腳為8路輸入，18 到 11腳為8路輸出。驅(qū)動(dòng)能力 500MA \50V。應(yīng)用時(shí)9腳接地，如果驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載，10腳接負(fù)載電源V+。輸入的電平信號(hào)為0，或5V。[8]輸入0時(shí)，輸出達(dá)林頓管截止。輸入為5V電平時(shí)，輸出達(dá)林頓飽和。輸出負(fù)載加在電源V+和輸出口上，當(dāng)輸入為高電平時(shí)，輸出負(fù)載工作。[5]　　八路NPN達(dá)林頓連接晶體管陣系列特別適用于低邏輯電平數(shù)字電路如圖37（諸如TTL, CMOS或PMOS/NMOS）和較高的電流/電壓要求之間的接口，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)工業(yè)中。[3]所擁有的器件具有集電極開路輸出和續(xù)流箱位二極管，用于抑制躍變。ULN2803的設(shè)計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)TTL系列兼容，而ULN2804 最適于6至15伏高電平CMOS或PMOS。[3] （a）ULN2803引腳圖 (b) ULN2803邏輯圖 圖37 ULN2803芯片 光立方整體設(shè)計(jì)思路 LED燈排序方式設(shè)計(jì) 將每層的LED排序如圖38，D0,D1,D2,D3…D62,D63分別為64個(gè)LED陣列實(shí)際排序方式,也就是光立方的俯視圖，對(duì)應(yīng)下圖分別是其數(shù)據(jù)信號(hào)0，1，2，3…62，63。 圖38 3D8光立方效果圖 LED燈接法方式設(shè)計(jì)1.“光立方”是由8層這樣布局的LED組成，每層位置排列全部一致，如圖39 。每層LED的所有正極全部接到一起，然后連接74hc573的行掃描驅(qū)動(dòng)電路，通過74hc573譯碼確定使能哪一層，例如第一層的D0和第二、三、四…等層的D0的負(fù)極都連接一起，然后再把它們接到0上面，如圖310。 圖39 LED層與層的連接方式 圖 310 LED負(fù)極與輸出端連接方式　首先制作一塊搭建用的木板如圖311，必須與電路板上的兩空距離一致。將LED燈逐個(gè)安在板上，并對(duì)LED的腳進(jìn)行折彎使正極引腳與負(fù)極的夾角為直角。最后將8個(gè)LED的陰極焊接在一起，如 圖312。注意：彎折陰極腳時(shí)彎曲處盡量靠近燈體不要留太長(zhǎng)，這樣焊接陽極時(shí)不容易造成短路。 圖311搭建木板 圖312 已搭好的8個(gè)LED燈 進(jìn)行八次上訴焊接后接下來就是將8束的LED焊接起來。在從點(diǎn)到線時(shí)是將所有LED的陰極連在一起，而這次則是將所有LED陽極彎折并依次連接，如圖313。注意：由于焊接過程中將產(chǎn)生靜電容易將LED燒壞，因此本項(xiàng)工作完成后請(qǐng)認(rèn)真檢查每個(gè)燈的好壞，可以用萬用筆等工具檢測(cè)。同時(shí)檢測(cè)燈與燈之間有沒虛焊情況。圖313 已搭好的8排LED燈最后一個(gè)步驟是將已焊好的8個(gè)面進(jìn)行焊接，其方法是將之前8個(gè)面上的陰極對(duì)應(yīng)位置依次焊接，最后留出的8個(gè)陰極與ULN2803的輸出端進(jìn)行連接，LED的64陽極則與74hc573的數(shù)據(jù)輸出端依次連接，如圖314。 圖314 已搭好的8層LED燈4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 主程序設(shè)計(jì)程序主函數(shù)運(yùn)行流程框圖如圖41。圖41 主程序框圖首先，將系統(tǒng)所需要的文件的宏定義文件包含進(jìn)來。定義：74hc573控制輸入模塊 P0口；uln2803驅(qū)動(dòng)模塊 P1；74hc573控制輸出模塊 P2口。初始化定時(shí)器0，延時(shí)5us，開中斷，使其處于等待中斷狀態(tài)。接著，初始化光立方體，驅(qū)動(dòng)光立方，利用掃描形式使光立方體的LED燈逐個(gè)點(diǎn)亮形成動(dòng)畫。5 系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)果分析 系統(tǒng)調(diào)試. 硬件測(cè)試 本系統(tǒng)由于用到較多的LED燈，對(duì)于焊接和調(diào)試造成一定的難度，512個(gè)燈中只要有一個(gè)出問題替換工作將是非常的麻煩，必須把八層的LED拆開再取出壞的LED重新焊接。在對(duì)電路檢查時(shí)由于本設(shè)計(jì)電路版面較大，檢查起來并非易事。在設(shè)計(jì)過程中發(fā)現(xiàn)了一些問題。以下為主要的問題及解決方案：本系統(tǒng)由于程序量要求大，512個(gè)LED燈需要較高的驅(qū)動(dòng)電流和較大工作量的編程，傳統(tǒng)的8K 89C51單片機(jī)將導(dǎo)致程序溢出無法編譯。 解決方法：采用單片機(jī)STC12C5A60S2 單片機(jī)，STC12C5A60S2單片機(jī)內(nèi)部就自帶高達(dá)60K FLASH ROM,并具有自帶的AD功能，對(duì)光立方功能拓展提供了更寬廣的平臺(tái)。 本系統(tǒng)在硬件測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)光立方體的LED燈普遍偏暗，電流較低，無法達(dá)到預(yù)期的效果。解決方法：首先先進(jìn)行電路的檢測(cè)，測(cè)試是否存在短路、短路情況。發(fā)現(xiàn)沒有問題，接著在io口上接了上拉電阻，問題得以解決。調(diào)試過程中燒入全亮程序發(fā)現(xiàn)有一束八個(gè)燈同時(shí)不亮。解決方法：由于74hc573控制著光立方體XY燈的亮滅，一個(gè)引腳控制八個(gè)LED，由此原理可以猜測(cè)可能是其中一個(gè)控制其亮滅的74hc573引腳出問題。通過與其他引腳的電壓對(duì)比，發(fā)現(xiàn)控制這八個(gè)燈的引腳電壓明顯偏低，經(jīng)仔細(xì)檢查果真由于線路斷路造成，問題得以解決。[6]在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)插上已燒入程序的單片機(jī)后對(duì)光立方主體起不到控制的作用。解決方法：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)猜測(cè)是單片機(jī)引腳沒起作用造成的。后來換了塊單片機(jī)發(fā)現(xiàn)動(dòng)畫出來了，由此判斷是單片機(jī)燒壞造成。調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)uln2803不起作用，將其輸入端口直接接VCC卻不能逐層點(diǎn)亮。解決方法：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷為驅(qū)動(dòng)芯片燒壞，換了塊芯片問題還是還是沒有得以解決[4]。于是開始檢測(cè)與之相連的最小系統(tǒng)，通過測(cè)試最小系統(tǒng)上的電容等元器件后發(fā)現(xiàn)問題依然存在。但由于整體布局中線路較多遂放棄一個(gè)個(gè)器件進(jìn)行檢查而是單獨(dú)外接