【正文】 天候的方向發(fā)展，在顯示方面也將會給以人們更加清晰舒適的方向發(fā)展。主要完成微處理器口線分配、驅(qū)動地址分配、地址線擴(kuò)展電路、驅(qū)動電路等單元電路的設(shè)計，先使用 protues 測試基本的設(shè)計是否滿足自己的設(shè)想，通過仿真來表現(xiàn)基本顯示內(nèi)容，能基本實現(xiàn)小容量光立方矩陣的控制和驅(qū)動，并分析在矩陣容量 增加時應(yīng)采取的較有效的擴(kuò)展方式，實現(xiàn)主要設(shè)計功能的驗證。 6 6 四章主要是詳細(xì)說明焊接光立方的具體步驟以及焊接過程中出現(xiàn)的現(xiàn)象及原因，以及控制驅(qū)動模塊焊接的注意事項。 圖 光立方層面概念圖 如何實現(xiàn)光立方控制 整個顯示過程通過掃描方式控制 LED 燈，通過控制小燈的亮滅然后再利用人眼的視覺暫留效應(yīng)和分辨能力把整個程序的動畫效果呈現(xiàn)出來。 圖 豎層交點(diǎn) 本方案采用了層共陰束共陽，也就是每一層的 LED 燈的陰極是連接在一起的，每一束的陽極是連接在一起的。 圖 連接圖 P1 口：單片機(jī)的 P1 口和 ULN2803 的 8 個輸入引腳相連，光立方的每一層都分別和ULN2803 的 8 個輸出引腳相連，在實現(xiàn)每一層的控制時由單片機(jī)的 P1 口發(fā)送信號到ULN2803 然后再通過 ULN2803 的 8 個輸出引腳來控制每一層。 在了解了控制原理和接口分配后就可以通過程序送達(dá)的信號合理的調(diào)配芯片工作來實現(xiàn)想要的效果。 圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 . 控制模 塊 本設(shè)計控制模塊的核心為單片機(jī)，下面將詳細(xì)介紹單片機(jī)。現(xiàn)在單片機(jī)從最早的 8080 到現(xiàn)在最先進(jìn)的 ARM，單片機(jī)已經(jīng)走過了很長的一段路，而 51 系列到現(xiàn)在還廣泛使用，本課題就是應(yīng)用STC12C5A60S2。 圖 最小系統(tǒng)框圖 復(fù)位電路 STC12C5A60S2 電源 輸入輸出設(shè)備 時鐘電路 12 12 圖 單片機(jī)最小系統(tǒng) （ 1）時鐘電路： 在單片機(jī)內(nèi)部是有自己的時鐘電路的，內(nèi)部的時鐘電路是由單片機(jī)上的 XTAL1 和 XTAL2 控制的，他們都是獨(dú)立的反向放大器，可以使用石英晶振的片內(nèi)振蕩器。 圖 外部時鐘電路 （ 2）復(fù)位電路即用來初始化單片機(jī)的，通常有兩種方法：手動復(fù)位與上電復(fù)位，只要讓 RST 引腳上有一個能維持 2 個機(jī)器周期的高電平即可復(fù)位。 方案二 選用 51 系列 60K STC12C5A60S2 作為控制模塊的主控芯片，作為一種增強(qiáng)型的單片機(jī)它具有以下幾個優(yōu)點(diǎn)： （ 1）抗干擾能力強(qiáng) （ 2）采用第六代加密技術(shù)，無 法解密 （ 3）在 8051 編寫的代碼完全可以燒錄并且運(yùn)行 （ 4）速度是 8051 單片機(jī)的 8 到 12 倍，并且應(yīng)用程序空間為 60K,減少了可能添加動畫效果擴(kuò)展程序的后顧之憂 （ 5）在芯片內(nèi)部已經(jīng)集成了復(fù)位電路，因此外部就可以不接復(fù)位電路了 [8] 因此決定使用 60K STC12C5A60S2. 驅(qū)動模塊 本設(shè)計是通過以單片機(jī) STC12C5A60S2 控制 ULN2803 與 74HC573，進(jìn)而對光立方實現(xiàn)控制，其中 ULN2803的 8個陰極接每一層的負(fù)極，主要的作用是層選， 74HC573接每一豎排的陽極， 74HC573 一共需要 8 片用來控制每一面，主要的作用是緩沖和擴(kuò)展單片機(jī)端口， LED 光立方采用的是層共陰的方式這樣比較容易控制，具體的焊接方式和注意事項將會在 LED 介紹中詳細(xì)說明。 因為本方案一共驅(qū)動了 512 個 LED 燈，所以需要掃描驅(qū)動，就是對行和列進(jìn)行選擇亮暗從而控制整個光立方的單個小燈，這時所要求的電流也比較大而 ULN2803 正好滿足這個條件，當(dāng)單片機(jī)引腳控制 ULN2803 引腳時，單片機(jī)引腳輸出低電平則對應(yīng)的引腳輸出高阻態(tài)，如果要輸出高電平需要上拉電阻這樣就不可避免的使整個系統(tǒng)更加的雜亂，不過真正試驗才發(fā)現(xiàn)要想保護(hù)小燈還需要加限流電阻，所以本方案采用 15 15 的是層共陰，讓 ULN2803 接在每一個層的陰極來實現(xiàn)控制每一層的亮滅，束是由74LS573 來控制亮滅的后面將會介紹。從 b 流過的電流為 Ib， 只有有 Ib 流過時才能產(chǎn)生 Ice， 我們都有所了解三極管的放大作用，如果一只三極管的放大系數(shù)β =100， bb e c 17 17 端電壓為 10V， b 端的外接電阻為 10K， c 端外接電阻為 50Ω那么 Ie=1mA， Ice=100mA，加在 ce 兩端的電壓為 5V，其中 50Ω電阻的作用為限流作用，防止過大的電流。 第二種要想發(fā)光二極管導(dǎo)通發(fā)光就必須讓單片機(jī)輸出低電平 0，但是由于三極管的特性一旦導(dǎo)通流過三極管的電流是非常大的 [13]，對于小燈來說是非常危險的。 第二種情況就是在發(fā)光二極管與 Vcc 之間加上一個電阻，來限制電流，經(jīng)過計算 限流電阻≈（ ）247。 74HC573 的介紹 74HC573 芯片是可以與 CMOS 電路組合電路的，作為鎖存器它具有如下特點(diǎn)： （ 1）它具有三種狀態(tài)的輸出，高電平、低電平、高阻態(tài)被稱為三態(tài)總線驅(qū)動輸出； （ 2）它具有存儲功能，當(dāng) 74HC573 的使能端加上一個低電位時上一個信號的數(shù)據(jù)將會被存儲等待下一個信號的輸入，具體功能如下： 74HC573 有 兩個使能端一個是輸出使能，一個是鎖存使能，當(dāng)輸出使能為低電平鎖存使能為高電平時，輸入端和輸出端是一樣的，也就是 2 到 9 引腳輸入什么信號，12 到 19 就輸出什么信號，他們是一一對應(yīng)的，當(dāng)鎖存使能為低電平時，這時無論輸入端輸入什么信號，輸出端永遠(yuǎn)保持上一個信號不變，如果輸出時能為高電平鎖存使能不論什么信號輸出端永遠(yuǎn)都會處在高阻態(tài)。 （大于 為高電平，小雨 為低電平） 選用 ULN2803 和 74HC573 作為驅(qū)動芯片的原因 采用 ULN2803 的原因 原因一：因為燈體的層共陰結(jié)構(gòu)所以需要 8 個具有反相作用 NPN 三極管作為驅(qū)動 , 可是真正實施起來發(fā)現(xiàn) 8 個三極管使整個系統(tǒng)非常亂，而且使用 8 個三極管的效果不是很理想所以放棄了這個方案。 發(fā)光二極管 LED 二極管主要參數(shù)有： (1) 最大整流電流 IF (2) 反向工作電壓 UR (3) 反向電流 IR (4) 最高工作平率 fM 等 IF是二極管運(yùn)行時允許的最大正向電流，在運(yùn)用二極管時反向電壓不允許大于 UR，一旦超過了這個電壓就有可能把二極管擊穿，一般 UR=189。 圖（ c）表示有內(nèi)阻，可等效為二極管和一個電阻 r 以及 Uon 串聯(lián)。 LED 燈的選擇 LED 燈具有多種型號，單個 LED 燈發(fā)光也看不出效果，為了確保整個系統(tǒng)具有良好的的發(fā)光效果需要對 LED 進(jìn)行選擇，普通的發(fā)光二極 管發(fā)光聚光比較差焊接在一起顯示動畫時相互影響非常影響顯示效果，所以使用聚光比較強(qiáng)的長腳高亮方形燈珠，顯示效果比較好并且長腳也利于焊接。 第一步首先要制作模具用度量量好距離，在模具上一共有 64 個小孔用來放一面的64 個小燈，磨具如附錄圖 2； 第二步把每一個小燈的陰極折 90 度，陽極要先向外折大約 ，再折回來，這樣做的目的是有利于每一層的焊接，如圖。 控制模塊與驅(qū)動模塊的焊接 除了小燈的焊接，這兩個模塊的焊 接也是非常重要的，如原理圖所示： 24 24 圖 原理圖 這部分的焊接最需要注意的就是解決芯片的分布問題否則焊接起來非常麻煩，另外對每一個芯片的電源端都要并聯(lián)。 整個系統(tǒng)的調(diào)試 調(diào)試過程中主要發(fā)現(xiàn) 的幾個問題與解決方法： 接上電源打開開關(guān)后發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)沒有反應(yīng)，但是電源燈是亮的，分析可能有以下幾個原因： （ 1）最小系統(tǒng)與電源之間沒有導(dǎo)通 （ 2）最小系統(tǒng)內(nèi)部有斷路 最后檢測單片機(jī)輸出端沒有電壓，用萬用表檢測晶振發(fā)現(xiàn)并不工作，用萬用表檢測時鐘電路后發(fā)現(xiàn)一個電容接地線斷掉，最后用導(dǎo)線講接地端接至地，單片機(jī)可以正常起振。 在能夠正常顯示后，最后發(fā)現(xiàn)整個調(diào)試過程已經(jīng)使整個光立方已經(jīng)嚴(yán)重變形了，于是又在 8 個邊焊接上了幾根固定用的鐵條來使光立方更加穩(wěn)固。 圖 仿真截圖 仿真的實現(xiàn)原 理 仿真中用點(diǎn)陣代替光立方的面， 8 個點(diǎn)陣表示 8 個面，綠色的點(diǎn)陣下面的管腳是列選，每一個引腳控制每一列的亮滅，上面的管腳是行選，控制每一行的亮滅從左往右依次為第一行到第八行 [5]。 仿真對于本設(shè)計的意義 通過仿真可以預(yù)先對整個設(shè)計做出預(yù)判，在確定方案之前，就是因為通過仿真不斷地實驗才決定使用這個電路，例如之前應(yīng)用 38 譯碼器所做的仿真更為簡便如圖，但是因為層的控制是直接通過連接 P0 口利用的是 P0 口輸出狀態(tài)，這就給單片機(jī)的輸出能力提出了要求， 512 個燈的光立方是沒法驅(qū)動的所以就排除了這個方案。因為光立方是剛開始發(fā)展起來的所以我周邊的人都沒有接觸過所以對于這個題目剛開始 當(dāng)然會感到不知所措，好在網(wǎng)上有不少資料可以供我參考，對于本次設(shè)計做一下總結(jié)： （ 1）程序頭文件對于 STC12C60S2 來說應(yīng)該至少用 include不然寄存器定義不全。 （ 5）開始沒有考慮到要防靜電 對小燈造成毀滅性影響，導(dǎo)致小燈總是壞掉。 （ 9）焊接的技巧方面有待提高，焊點(diǎn)有的太大有 的小非常不美觀，而且光立方并不是很標(biāo)準(zhǔn)的立方體。 在這要非常 感謝 XX 老師給我的這個接觸光立方的機(jī)會，老師每次開會的指導(dǎo)讓我有了個明確的方向不至于沒有頭緒，也非常感謝舍友 XXX 同學(xué)的幫助，因為焊接的問題沒少讓他幫忙，還要感謝 XXX 同學(xué)提供的木板。 /*the ideasoft*/ uchar code 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