【文章內容簡介】 芯片實現電平轉換，但在使用中發(fā)現這兩種芯片可靠性不高，且需要正負 12V 電源，電路搭建麻煩。方案二：采用單電源電平轉換芯片 MAX232，電源與單片機供電相同，外圍電路簡單、可靠。采用 RS232 接口與上位機通信，方便后來設計的軟件調試和程序燒錄。基于以上分析，決定選取 MAX232 作為串行通信芯片。 LED 發(fā)光顯示二級管LED 是一種固體光源，當它兩端加上正向電壓時就可以發(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，廣受歡迎而得以快基于單片機的光立方的設計 7速發(fā)展。從而在各種各樣的傳媒信息的宣傳中得以體現。簡述其分類方法如下。1）按顏色分類單基色顯示屏：單一顏色（紅色、綠色、黃色、藍色等等） 。雙基色顯示屏：紅和綠雙基色，256 級灰度、可以顯示 65536 種顏色。全彩色顯示屏：紅、綠、藍三基色，256 級灰度的全彩色顯示屏可以顯示一千六百多萬種顏色。2）按使用場合分類室內顯示屏：發(fā)光點較小，一般 Φ3mmΦ8mm，顯示面積一般零點幾至十幾平方米。 室外顯示屏：面積一般幾十平方米至幾百平方米，亮度高，可在陽光下工作，具有防風、防雨、防水功能。 3）按發(fā)光點直徑分類室內屏：Φ3mm、Φ3。75mm、Φ5mm。 室外屏：Φ10mm、Φ12mm、Φ16mm、Φ19mm、Φ21mm、Φ26mm。 基于以上分析結果，加上由于成本和控制的難易程度，決定選取單色藍光LED 作為本次設計顯示色彩，亮度高，顯示效果很好 [7]。 硬件電路繪圖軟件方案一：PROTEL DXP 2022 是桌面環(huán)境下第一個以設計管理和協(xié)作技術為核心的全方位印刷電路板設計系統(tǒng)，它集強大的設計能力，復雜工藝的可生產性和設計過程管理于一體，可完整實現電子產品從概念設計到生成物理生產數據的全過程，以及中間的所有分析，仿真和驗證。整個過程包括以下幾個步驟：（1）構想電路模型 （2）設計電路原理圖（3）校對后輸出原理圖（4）產生網絡表（5）設計印刷電路板（6）檢查后輸出 PCB 板圖基于單片機的光立方的設計 8方案二：PROTUES 是英國 Labcenter 公司開發(fā)的電路分析與實物仿真軟件。它運行于 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，該軟件的特點是：1）實現了單片機仿真和 SPICE 電路仿真相結合。具有模擬電路仿真、數字電路仿真、單片機及其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真、RS232 動態(tài)仿真、I2C測試器、SPI 測試器、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、信號發(fā)生器等。2）支持主流單片機系統(tǒng)的仿真。目前支持的單片機類型有：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）提供軟件測試功能。在硬件仿真系統(tǒng)中具有全速、單步、設置斷點等測試功能，同時可以觀察各個變量、寄存器等的當前狀態(tài)，因此在該軟件仿真系統(tǒng)中，也必須具有這些功能；同時支持第三方的軟件編譯和測試環(huán)境，如Keil C51 uVisionWAVE 偉福等軟件。4）具有強大的原理圖繪制功能?？傊?，該軟件是一款集單片機和 SPICE分析于一身的仿真軟件，功能極其強大?；谝陨戏治鼋Y果，本次設計決定選取 Protues 作為電路原理圖和 PCB版圖繪制軟件。 系統(tǒng)總體軟件方案選擇軟件的設計除了滿足設計功能外還必須要滿足易讀寫，方便下載和編譯。設計目標和硬件總體結構確定的情況下，可以把軟件可以分為主程序，顯示子程序，各種延時子程序，按鍵掃描程序四個主要部分組成。軟件的編寫需要借助軟件編輯器和編譯軟件，編譯完成后還需要程序燒錄器下載到單片機中執(zhí)行。編寫軟件之前得首先選擇一種合適的語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的下載器或下載軟件來把編寫的程序下載到單片機中執(zhí)行。 單片機編程語言現在主要運用的單片機編程語言為匯編語言和 C 語言。下面對匯編語言和基于單片機的光立方的設計 9C 語言做一些簡介 [8]。匯編語言（Assembly Language）是面向機器的程序設計語言，在匯編語句中，用助記符代替操作碼，用地址符號或標號代替地址碼，這樣符號代替機器語言變成了匯編語言，于是匯編語言亦稱為符號語言。使用匯編語言編寫的程序，機器不能直接識別，要由一種程序將匯編語言翻譯成機器語言，這種起翻譯作用的程序叫匯編語言。匯編程序是系統(tǒng)軟件中語言處理系統(tǒng)軟件，匯編語言把匯編程序翻譯成機器語言的過程稱為匯編[7]。作為最基本的編程語言之一，匯編語言雖然應用的范圍不算很廣，但重要性卻勿庸置疑，因為它能夠完成許多其他語言所無法完成的功能。C 語言是一種結構化語言，可產生壓縮代碼。與匯編相比，C 的編譯效率低，硬件可操控性比較差，目標代碼體積大?；谝陨戏治鼋Y果，本次設計決定選取編程語言為匯編語言。匯編語言相對 C 語言優(yōu)點有：1) 速度快，可以直接對硬件進行操作。2) 能夠直接訪問與硬件相關的存儲器或 I/O 端口。3) 能夠不受編譯器的限制，對生成的二進制代碼進行完全的控制。4) 能夠對關鍵代碼進行更準確的控制，避免因線程共同訪問或者硬件設備共享引起的死鎖。5) 能夠根據特定的應用對代碼做最佳的優(yōu)化，提高運行速度。6) 能夠最大限度地發(fā)揮硬件的功能。基于以上分析決定采用匯編語言為該顯示系統(tǒng)軟件設計的編程語言。 系統(tǒng)軟件編譯器 WAVE 介紹匯編語言編寫的程序并不能被單片機直接執(zhí)行還需要編譯為單片機可執(zhí)行的機器語言。因此在系統(tǒng)軟件設計中，編譯器必不可少。支持 MCS－51 用匯編語言編程的編譯器我們常用的是偉福 WAVE6000 編譯器。因此軟件設計最終方案為采用匯編語言為編程語言，WAVE 為編譯工具按照控制、通信、顯示等幾個功能模塊來編寫程序。在偉福軟件下匯編程序編譯的一些詳細步驟和要點： 1）啟動偉福 6000 編程、仿真、編譯集成環(huán)境，運行主菜單中的：文件基于單片機的光立方的設計 10打開文件，開始編寫程序。 文件。2）執(zhí)行主菜單中的項目編譯。這樣就在你保存那個*.ASM 文件的目錄編譯生成了相關的*.BIN、*.HEX 文件，此時你只要連接好編程器，打開編程器的操作軟件。運行載入文件選擇要寫入的*.HEX ，執(zhí)行編程操作就行了！ 基于單片機的光立方的設計 113 系統(tǒng)硬件方案設計 硬件整體設計概述及功能分析3D LED 光立方總體框圖如圖 所示。電路大體上可以分成核心控制電路、顯示驅動電路、 、串信通信電路三部分。核心控制電路部分包括一個 51 系統(tǒng) CUP 和一些外圍電路。在整個電路當中此電路部分可以相當于一個上位機，它負責控制整個電路以及相應的程序的運行、與 PC 機的串行通訊、以及給顯示屏部分發(fā)送命令。單片機根據編寫好的內容和指令通過 I/O 口擴展后驅動8X8X8 LED 光立方顯示屏。本次設計將以此方案為指導思想展開具體的硬件電路設計 [9]。顯示電路采用動態(tài)掃描方式進行顯示時，每列有一個列驅動器，各列的同名行共用一個行驅動器。由單片機給出的行選通信號，從第一列開始，按順序依次對各列進行掃描選通，根據鎖存器的特性可以把數據鎖存輸出。這樣就可以把八列的數據輸出顯示，完成列線數據的傳送。另一方而，根據各列層面要顯示的數據，通過三極管驅動繼電器來控制相應層面的電平，列與層面的數據結合共同來顯示圖案 [10]。 AT89S52行驅動器列驅動器16X16LED 點陣顯示屏電源復位電路時鐘電路圖 系統(tǒng)結構設計總圖 電源供電系統(tǒng)設計電路能夠正常工作，電源是必不可少的。單片機屬于數字電路中的器件，所以這里需要選擇+5V 的直流電源。供電電源電路原理圖見圖 ?；趩纹瑱C的光立方的設計 12VI1 VO3GND2U67805BR1BRIDGE2 315 64SW21SWDPDTMOMAKD3LEDRED D4LEDGRENR121K R1320C101nF C11nFC1210uC13470uD51N40720~5v圖 電源電路圖220V 交流市電通過電源變壓器變換成交流低壓，再經過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 兩端形成一個并不十分穩(wěn)定的直流電壓(該電壓常常會因為市電電壓的波動或負載的變化等原因而發(fā)生變化)。此直流電壓經過 LM7805 的穩(wěn)壓和電容的濾波便在穩(wěn)壓電源的輸出端產生了精度高、穩(wěn)定度好的直流輸出電壓。該穩(wěn)壓電源可作為 TTL 電路或單片機電路的電源。三端穩(wěn)壓器是一種標準化、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、使用簡捷方便等特點，成為目前穩(wěn)壓電源中應用最為廣泛的一種單片式集成穩(wěn)壓器件。在 TTL 器件電路廣泛采用 LM1805 三端穩(wěn)壓器作為供電電源的控制器。 51 系列單片機簡介單片機（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，這些部件包括中央處理器 CPU、數據存儲器 RAM、程序存儲器ROM、定時器 /計數器和多種 I/O 接口電路。單片機最小系統(tǒng)包括時鐘電路和復位電路。時鐘電路用于產生 AT89S52 單片機工作時必需的控制信號。單片機的內部電路正是在時鐘信號的控制下，嚴格地按照時序執(zhí)行指令進行工作。復位電路是為單片機初始化操作準備的。只要單片機的復位引腳 RST 上的復位信號要持續(xù)兩個機器周期（24 個時鐘周期）以上，就可以使 AT89S52 單片機復位。單片機最小系統(tǒng)電路圖見圖 ?；趩纹瑱C的光立方的設計 13 時鐘電路設計AT89S52 單片機各功能部件的運行都以時鐘信號為基準，有條不紊、一拍一拍地工作。因此時鐘頻率直接影響單片機的處理速度，時鐘電路的質量也是直接影響單片機系統(tǒng)的穩(wěn)定性。常用的時鐘電路有兩種方式，一種是內部時鐘方式，另一種是外部時鐘方式。本次采用外部時鐘方式。AT89S52 單片機芯片內部設有一個由反向放大器構成的振蕩器， XTAL1和 XTAL2 分別為振蕩電路的的輸入端和輸出端，時鐘可有內部或外部生成，在 XTAL1 和 XTAL2 引腳上外接定時元件，內部振蕩電路就會產生自激振蕩。系統(tǒng)采用的定時元件為石英晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。時鐘頻率 fosc 采用 12MHZ，CC2 的電容值取 30pF，電容的大小起頻率微測的作用。時鐘電路見圖 。圖 單片機最小系統(tǒng)電路圖基于單片機的光立方的設計 14圖 時鐘電路圖 復位電路設計AT89S52 單片機在啟動運行時或者出現死機時需要復位，使 CPU 以及其他功能部件處于一個確定的初始狀態(tài)，PC 初始化為 0000H。單片機從這個狀態(tài)開始執(zhí)行程序。除了進入系統(tǒng)的正常初始化之外，當程序行出錯(如程序“跑飛”)或操作錯誤使系統(tǒng)處于 “死鎖”狀態(tài)時，也需要按復位鍵即 RST 腳為高電平，使 AT89S52 擺脫“跑飛”“死鎖”狀態(tài)而重新啟動程序。單片機有多種復位方式，常用的復位操作有上電復位和手動按鍵電平復位方式。本設計采用手動按鍵電平復位方式，電路搭建圖見圖 。上電復位是通過外部復位電路的電容充電來實現的，復位電路產生的復位信號（高電平有效）由 RST 通過一個施密特觸發(fā)器與復位電路相連，施密特觸發(fā)器用來抑制噪聲干擾，在每一個機器周期的 S5P2，施密特觸發(fā)器的輸出電平由復位電路采樣一次，然后才能得到內部復位操作所需要的信號對 AT89S52 單片機進行復位。當上電時，C1 相當于短路，有時碰到干擾時會造成錯誤復位，可在復位端加個去耦電容，可以復位電路更加可靠。基于單片機的光立方的設計 15 圖 按鍵電平復位電路圖 驅動電路設計 層驅動電路設計繼電器是本設計中的層面片選控制器電路的核心控制器。本設計中的繼電器采用 5V 固體繼電器，繼電器一般由鐵芯、 線圈、銜鐵、觸點簧片等組成的，結構圖見 。繼電器就是電子機械開關，它是用漆包銅線在一個圓鐵芯上繞幾百圈至幾千圈，當線圈中流過電流時，圓鐵芯產生了磁場，把圓鐵芯上邊的帶有接觸片的動觸點吸住，使之斷開第一個觸點（常閉觸點）而接通第二個開關觸點（常開觸點） ，這一過程稱為電磁繼電器的啟動，繼電器啟動的結果是把常閉觸點所接的外電路斷開和把常開觸點所接的外電路接通。當線圈斷電時，鐵芯失去磁性，由于接觸銅片的彈性作用，使鐵板離開鐵芯，恢復與第一個觸點（常閉觸點）的接通，這一過程稱為電磁繼電器的復位。它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動開關” 。故在電路中起著自動測節(jié)、安全保護、轉換電路等作用。因此，可以用很小的電流去控制其他電路的開關。整個繼電器由塑料或有機玻璃防塵罩保護著，有的還是全密封的，以防觸電氧化 [11]?；趩纹瑱C的光立方的設計 16圖 電磁繼電器的原理圖本設計中用繼電器控制層面的 LED 陽極公共端與電源正極的通斷，可