【文章內(nèi)容簡介】 的輸入；XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 時鐘電路設計單片機的時鐘信號用來供給單片機內(nèi)各種微操作的時間基準，時鐘電路用于產(chǎn)生時鐘信號用，通常用兩種電路形式得到：內(nèi)部振蕩和外部振蕩。本系統(tǒng)設計采用內(nèi)部振蕩方式，如圖 23 所示。圖23 時鐘電路MCS51 單片機內(nèi)部有一個用于構成振蕩器的高增益反向放大器，引腳 XTALl 和XTAL2 分別是此放大電器的輸入端和輸出端，由于采用內(nèi)部方式時，電路簡單，所得的時鐘信號比較穩(wěn)定，實際使用中常采用這種方式。電容 C1 和 C2 構成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中。此系統(tǒng)電路的晶體振蕩器的值為 12MHz，電容應盡可能的選擇陶瓷電容，電容值約為 30pF。電容的大小會影響震蕩器頻率的高低、震蕩器的穩(wěn)定性、起振的快速性等。 復位電路設計復位是使單片機或系統(tǒng)中的其他部件處于某種確定的初始狀態(tài)。單片機的工作就是從復位開始的，當在單片機的 RST 引腳引入高電平并保持 2 個機器周期時，單片機內(nèi)部就執(zhí)復位操作（若該引腳持續(xù)保持高電平，單片機就處于循環(huán)復位狀態(tài)） 。實際應用中，復位操作有兩種基本的形式：一種是上電復位，另一種是按鍵復位。由于本次設計采用的是按鍵復位，所以這里只介紹按鍵復位，如圖 24 所示。圖24 按鍵復位電路按鍵復位要求按下按鍵后，單片機實現(xiàn)復位操作。按下按鍵瞬間 RST 引腳獲得高電平，隨著電容 C1 的充電，RST 引腳的高電平將逐漸下降。RST 引腳的高電平只要能保持足夠的時間（2 個機器周期） ，單片機就可以進行復位操作。該電路典型的電阻和電容參數(shù)為：晶振為 12MHz 時，C 1 為 10uF，R 1 為，晶振為 6MHz 時，C 1 為 22uF，R 1 為 1kΩ。單片機的復位操作使單片機進入初始化狀態(tài)。初始化后，程序計數(shù)器 PC=0000H所以程序從 0000H 地址單元開始執(zhí)行。單片機啟動后，片內(nèi) RAM 為隨機值，運行中的復位操作不改變片內(nèi) RAM 的內(nèi)容。特殊功能寄存器復位后狀態(tài)使確定的。P0～P3 為 FFH，SP 為 07H，SBUF 不定，IP、IE 和 PCON 的有效值為 0，其余的特殊功能寄存器的狀態(tài)均為 00H。 驅(qū)動模塊為節(jié)約成本，本光立方設計沒有選擇硬件電路集成設計，把驅(qū)動電路與控制電路合為一體。而是選擇用常用的芯片做為光立方的驅(qū)動。由于 LED 燈比較多，需要的電流相對比較大，所以采用 74HC595 和 ULN2803 組成來組成驅(qū)動電路。采用 74HC595移位暫存的方法，來分別把 8 個燈的亮滅信息儲存，74HC595 的 64 個輸出引腳控制前面所述每一個面的 8 個燈；而 ULN2803 控制燈的每一個層。驅(qū)動電路由陰極驅(qū)動電路（圖 25）和陽極驅(qū)動電路（圖 25）組成。圖25 陰極驅(qū)動電路圖26 陽極驅(qū)動電路 陰極驅(qū)動電路陰極驅(qū)動電路由一個 ULN2803 達林頓管組成。從單片機 P1 口出來的信號送到ULN2803 進行處理放大，再輸出到每一層 LED 燈的陰極。ULN2803 是個 NPN 達林頓晶體管，連接在陣列非常適合邏輯接口電平數(shù)字電路（例如 TTL， CMOS 或 PMOS 上/ NMOS）和較高的電流/ 電壓，如電燈，電磁閥，繼電器，打印錘或其他類似的負載。該 ULN2803 是專為符合標準 TTL，而制造ULN2804 適合 6 至 15V 的高級別 CMOS 或 PMOS 上。該電路為反向輸出型，即輸入低電平電壓，輸出端才能導通工作。芯片引腳圖如下頁圖 27 所示：圖27 ULN2803 芯片 引腳圖說明：18 引腳：輸入端1118 引腳：輸出端9 引腳：地端10(COM)引腳：電源+COM 腳的作用是當你使用 ULN2803(2022)來驅(qū)動繼電器時，可以將 COM 腳接到繼電器的 VCC 端，利用 ULN2803(2022)內(nèi)部的反向二極管作保護繼電器，消除繼電器閉合時產(chǎn)生的感應電壓。 陽極驅(qū)動電路陽極驅(qū)動電路由八個 74HC595 芯片組成，在本光立方系統(tǒng)中用來每一面 LED 燈的陽極。即對從單片機 、 、 輸出的信息進行移位存儲，然后再由八個74HC595 輸出給每一面 LED 燈。74HC595 是硅結構的 CMOS 器件，是具有 8 位移位寄存器和一個存儲器，三態(tài)輸出功能。移位寄存器和存儲器是分別的時鐘。數(shù)據(jù)在 SCHcp 的上升沿輸入，在 STcp 的上升沿進入的存儲寄存器中去。如果兩個時鐘連在一起，則移位寄存器總是比存儲寄存器早一個脈沖。移位寄存器有一個串行移位輸入（Ds） ，和一個串行輸出（Q7’）,和一個異步的低電平復位，存儲寄存器有一個并行 8 位的，具備三態(tài)的總線輸出，當使能 OE 時（為低電平） ，存儲寄存器的數(shù)據(jù)輸出到總線。芯片引腳圖如圖 28 所示：圖28 74HC595芯片引腳圖說明：Q0到 Q7 引腳：8位并行數(shù)據(jù)輸出，其中 Q0為第15腳GND 第8腳：接地Q7 第9腳：串行數(shù)據(jù)輸出MR 第10腳：主復位（低電平）SHCP 第11腳：移位寄存器時鐘輸入STCP 第12腳：存儲寄存器時鐘輸入OE 第 13腳：輸出有效（低電平）DS 第14腳：串行數(shù)據(jù)輸入VCC 第16腳：電源在本光立方系統(tǒng)中使用 74HC595，因為它具有一個 8 位串入并出的移位寄存器和一個 8 位輸出鎖存器的結構，而且移位寄存器和輸出鎖存器的控制是各自獨立的，可以實現(xiàn)在顯示本行各列數(shù)據(jù)的同時，傳送下一行的列數(shù)據(jù)，即達到重疊處理的目的。引腳 DS 為串行數(shù)據(jù)輸入端，與單片機 相連，用來傳送數(shù)據(jù)；引腳 SHCP 為移位寄存器的移位時鐘脈沖，與單片機 相連；STCP 是輸出寄存器的打入信號，與單片機 口相接。再從 Q0 到 Q7 輸出到每一面 LED 燈的陽極，從而達到控制每一面上的每個 LED 燈。 顯示模塊顯示電路模塊是由 8 面 88 的霧狀藍光 LED 面組成，每一面都是由一個移位寄存器來控制。 LED 的選擇選擇霧狀藍光 LED 燈的原因是它具有非常高的亮度，發(fā)光強度為800~1200MCD，且散光的特性使得從各個方位看起來亮度一致性好，強有力的保證了 LED 立方體的炫目效果與眾不同。加之，本光立方系統(tǒng)在電路上的優(yōu)良設計，即使把 LED 立方體放在太陽下，效果依然清晰可見，不像其他的，只能在關了燈的黑暗房間才看見。再者，霧狀藍光 LED 燈燈珠腳長約為 26mm，這使得折角和焊接變得更加容易、方便。更重要的一點是霧狀藍光 LED 沒有像其他高亮 LED 燈那樣刺眼,而且藍光給人一種夢幻般的視覺沖擊。所以現(xiàn)在霧狀藍光 LED 燈做為本光立方顯示的元件。 顯示電路顯示電路具體元器件是由 512 個霧狀藍光 LED 燈組成，把 512 個霧狀藍光 LED燈焊接成 8 面 88 的小模塊，最后把每一面組裝到 PCB 電路板上，這樣就構成了一個888 的 LED 光立方體；每一面由一個移位寄存器來控制，每一層由驅(qū)動芯片ULN2803 來控制，就完成了對整個顯示電路上每一個燈的控制。下面以一面顯示電路圖來舉例。一面 LED 顯示電路由 64 個霧狀藍光 LED 燈組成，把八列 LED 燈的陰極全部焊接在一起接到驅(qū)動芯片 ULN2803，而每八行的陽極分別接到一個移位寄存器 74HC595上。在電路圖上八行陽極 U1U8 接到同一個 74HC595 上，和對應的引腳連接；而八列陰極一起由 1C 接到 ULN2803 上。具體電路圖如下頁圖 29 所示：圖29 一面顯示電路 整機工作原理通過對主控芯片 STC125A60S2 進行編程，采用 74HC595 移位暫存的方法，來分別把每一面 64 個 LED 燈的亮滅信息存到這個上面，然后由輸出引腳控制每一面的 64個 LED 燈；而每層燈的陰極全連接在一起接入 ULN2803，由 ULN2803 來驅(qū)動每一層LED 燈。通過這個設計，512 個 LED 燈每一個都有單獨的位置編碼，每個 LED 燈的亮滅就可以由自由地控制；從而實現(xiàn)我們所需要顯示的圖象。第三章 軟件設計系統(tǒng)功能是由軟硬件共同實現(xiàn)的，由于軟件的可伸縮性，最終實現(xiàn)的系統(tǒng)功能可強可弱，差別可能很大。因此，軟件是本系統(tǒng)的靈魂，軟件采用模塊化設計方法，不僅易于編程和調(diào)試，也可減小軟件故障率和提高軟件的可靠性。程序的編寫需要借助軟件編輯器；程序是使單片機系統(tǒng)按預定的操作方式運行，它是單片機系統(tǒng)程序的框架；在系統(tǒng)上電后，要對系統(tǒng)進行初始化。軟件設計包括按鍵程序、主程序、顯示程序三大部分，軟件功能結構框圖如 31所示。主程序通過調(diào)用按鍵查詢程序來判斷待顯示的圖案及花樣，主程序則調(diào)用相對應的顯示程序送到控制端口。主程序 顯示程序按鍵程序圖31 軟件功能結構框圖 主程序的設計本光立方系統(tǒng)軟件采用 C 語言編寫，按照模塊化的設計思路設計程序。首先分析程序所要實現(xiàn)的功能，程序要實現(xiàn)可靜態(tài)顯示、動態(tài)顯示、三維立體顯示。通過按鍵控制程序選擇不同的顯示程序進行顯示。本系統(tǒng)設置有三個獨立按鍵， ， ，3個按鍵分別控制三種不同的動畫顯示模式；為了增加炫目的效果，本光立方在四個底座設得有四個呼吸燈。主程序流程圖如下頁圖32所示：圖32 主程序流程圖程序開始時首先必須對單片機進行初始化設置，其中初始化設置的內(nèi)容包括：中斷優(yōu)先級的設定，中斷初始化，定時器初始化，串行通信時通信方式的選擇和波特率的設定，各 I/O 口功能的設定等。 顯示程序的設計顯示程序的設計是整個光立方系統(tǒng)顯示的核心思想，它包括 LED 的數(shù)據(jù)傳送思路和掃描方式的選擇。 LED 顯示的數(shù)據(jù)傳送動態(tài)掃描顯示是把整個光立方分成若干部分，每一幅畫面顯示過程是顯示完一部分后，又顯示第二部分，直到顯示完最后一部分又重新開始顯示第一部分，重復循環(huán)進行。在重復掃描速度足夠快的情況下，我們看到的就是一幅穩(wěn)定的靜態(tài)畫面。也就是說采用動態(tài)掃描顯示需要不斷進行畫面的刷新。動態(tài)掃描分為行掃描和列掃描，兩種方式區(qū)別在于選通端和數(shù)據(jù)輸入端分別是行還是列。先選通列然后再從行送入對應列的數(shù)據(jù)，這樣從第 1 列到第 8 列循環(huán)往復，只要切換的速度足夠的快利用人眼的延時特性就可以看見一幅穩(wěn)定的畫面，從而完成數(shù)據(jù)的傳送。 顯示程序的設計顯示采用的是掃描顯示方式，選通一列后按照列對應的數(shù)據(jù)表的數(shù)據(jù)第 i 列對應的列數(shù)據(jù)為數(shù)組中的第 i 和第 i+7 個元素。將對應數(shù)據(jù)由低至高位依次從控制端口輸出顯示。向右邏輯移位所得結果通過單片機端口輸出到移位寄存器 74HC595，然后輸出到