【文章內(nèi)容簡介】 .................................................................... 37 參考文獻(xiàn) ................................................................................................................. 38 附錄 1 總體電路原理圖 .................................................................................... 39 附錄 2 電路 PCB 版圖 ....................................................................................... 40 附錄 3 電路 3D 仿真圖 ..................................................................................... 41 附錄 4 元器件清單 ............................................................................................. 42 附錄 5 電路實物圖 ............................................................................................. 44 附錄 6 源程序 ...................................................................................................... 45 基于單片機(jī)的 光立方的設(shè)計 1 1 緒論 國內(nèi)外 LED 顯示屏的發(fā)展概況 在當(dāng)今信息化社會的高速發(fā)展過程中，大屏幕顯示已經(jīng) 從公共信息展示等商業(yè)應(yīng)用向消費類多媒體應(yīng)用滲透。隨著寬帶網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，數(shù)字化的多媒體內(nèi)容將在信息世界中占據(jù)主流，新型的大屏幕顯示設(shè)備將代替?zhèn)鹘y(tǒng)電視機(jī)成為人們享受信息和多媒體內(nèi)容的中心。與傳統(tǒng)的顯示設(shè)備相比，這種未來的巨大需求讓 LED 大屏幕顯示技術(shù)成為眾人目光的焦點。 LED 顯示屏一般分為圖文顯示屏和視頻顯示屏，均由 LED 矩陣塊組成。動態(tài)圖文顯示屏可與計算機(jī)同步顯示漢字、英文文本和圖形；視頻顯示屏采用微型計算機(jī)進(jìn)行控制，圖文、圖像并茂，以實時、同步、清晰的信息傳播方式播放各種信息，還可顯示二維、三維的 動畫、錄像、 電視、 VCD 節(jié)目以及現(xiàn)場實況 轉(zhuǎn)播 。不僅可以用于室內(nèi)環(huán)境裝飾還可以用于室外環(huán)境信息傳播，具有投影儀、電視墻、液晶顯示屏無法比擬的優(yōu)點。 而且顯示 畫面色彩鮮艷，立體感強(qiáng)，靜如油畫，動如電影，廣泛應(yīng)用于交通運輸、車站、商場、醫(yī)院、賓館、證券市場、工業(yè)企業(yè)管理等公共場所 [1]。 隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷進(jìn)步，人們對 LED 顯示器的認(rèn)識不斷加深，其應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣。目前正朝著更高亮度、更高耐氣候性、更高的發(fā)光密度、更高的發(fā)光均勻性，可靠性、全色化方向發(fā)展。 我國 LED 顯示屏研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 （ 1）我國 LED 產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn) 狀 目前國內(nèi)主要 LED 廣告大屏幕制造廠商主要集中在華東、華北、華南區(qū)域，大型制造商的市場范圍幾乎覆蓋整個國內(nèi)市場。國產(chǎn) LED 廣告大屏幕的性價比比較高，市場占有率近 100%。我國的 LED 顯示屏產(chǎn)業(yè)經(jīng)過幾年的發(fā)展，基本形成了一批具有一定規(guī)模的骨干企業(yè)。我國 LED顯示屏產(chǎn)業(yè)在規(guī)模發(fā)展的同時，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 二十一世紀(jì)的顯示技術(shù)將是平板顯示的時代。 基礎(chǔ)材料的產(chǎn)業(yè)化，使 LED 基于單片機(jī)的 光立方的設(shè)計 2 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，由于全彩色顯示屏價格性能比的優(yōu)勢，預(yù)計在未來幾年的發(fā)展中，全彩色 LED 3D 顯示顯示屏在戶外廣告媒體中會越來越多地代替?zhèn)鹘y(tǒng)的燈箱、霓紅燈、磁翻板等產(chǎn)品，體育場館的顯示方面全彩色 LED 3D 顯示屏更會成為主流產(chǎn)品。全彩色 LED 3D 顯示屏的廣泛應(yīng)用會是 LED 3D 顯示屏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個新的增長點。 未來 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)計的總體要求及 方案 選擇 本次設(shè)計制作一個 8*8*8 的三維的發(fā)光二極管立方顯示體，能夠通過編寫程序來實現(xiàn)對每一個發(fā)光二級管的亮滅控制，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。最簡單的顯示模式是靜態(tài)顯示。與靜態(tài)顯示模式相對應(yīng)，就有各種動態(tài)顯示模式，它們所顯示的圖文都是能夠變化的。按照圖文運動的特點又可以分為閃爍、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)，可以通過一定的算法從原 來的顯示數(shù)據(jù)直接生成。這樣程序書寫就不會過于繁瑣和重復(fù)，而且對核心控制器的內(nèi)存空間要求不高 [3]。 借鑒單片機(jī)控制 LED 點陣顯示的原理，通過系統(tǒng)分析，確定該系統(tǒng)該具有哪些功能，有哪些模塊，各個模塊之間是怎樣連接，以及怎樣組合電路是最合理最簡單的，即硬件 方案 設(shè)計。編寫硬件電路的相對應(yīng)軟件程序部分，利用仿真軟件對程序進(jìn)行測試修改。電路系統(tǒng)焊接完畢后，測試整個的系統(tǒng)模塊的功能，看各個功能是否能正常運行，并依據(jù)實驗結(jié)果找出程序中的錯誤，改正這些錯誤至測試成功完成畢業(yè)設(shè)計要求。 設(shè)計說明書的結(jié)構(gòu)安排 針對 畢業(yè) 設(shè)計說明書的要求，對論文的內(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)計思想和設(shè)計方法擬定幾套設(shè)計方案進(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 基于單片機(jī)的 光立方的設(shè)計 3 I/O 擴(kuò)展電路和層驅(qū)動電路 來 設(shè)計方案 滿足設(shè)計要求 。 （ 2）方案實現(xiàn) 以設(shè)計要求 為指導(dǎo)思想選擇合適的器件來實現(xiàn)這一思想，選擇器件時要從功能和電氣特性兩方面來選擇和論證。經(jīng)過對比選擇選定 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)硬件特點和設(shè)計要求，軟件選用 匯編語言 編寫。程序按功能分為靜態(tài)顯示、動態(tài)顯示、通信等幾個功能上相對獨立的模塊。然后按照所劃分的模塊逐個編寫 程序 ，最后將獨立的模塊整合起來。 （ 4）驗證與測試 測 試分為硬件 測 試、軟件 測 試和系統(tǒng)聯(lián)合 測 試幾步來進(jìn)行。在硬件測試中發(fā)現(xiàn)有單片機(jī)端口驅(qū)動能力不足、驅(qū)動電路工作不穩(wěn)定 、 LED 顯示不正常 等 問題。在軟件測試中 出現(xiàn)程序整合工作不協(xié)測等問題。通過分析，查找出 問題 的原因并設(shè)法 解決。 （ 5）結(jié)論 設(shè)計 作品 完成后對設(shè)計中所遇到的問題、經(jīng)驗教訓(xùn)、以及自己的想法進(jìn)行總結(jié) 分析 。 以便于為將來的設(shè)計提供寶貴的借鑒經(jīng)驗。 （ 5） 致謝 針對 設(shè)計中所遇到的問題 和難處，解決的方法來自指導(dǎo)老師的講解 和點撥，以及同學(xué)的探討和幫助，對此表示衷心的感謝！ 基于單片機(jī)的 光立方的設(shè)計 4 2 系統(tǒng)總體 方案 設(shè)計 本節(jié)是該設(shè)計的方案 論證 部分，對設(shè)計中所 采用的芯片從多方面綜合的進(jìn)行比較，最后經(jīng)過仔細(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 核心 控制器 控制部分是整個系統(tǒng)的核心部分，其功能可以實現(xiàn) 與上位機(jī)通信接收上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)和控制指令 經(jīng) 處理過后控制顯示屏顯示內(nèi)容。其常用的電子設(shè)計方法有單片機(jī)、 DSP、及 EDA 技術(shù)。 方案一： 單片機(jī) 單片機(jī)是集成了 CPU， ROM， RAM 和 I/ O 口的微型計算機(jī)。它有很強(qiáng)的接口性能，非常適合于工業(yè)控制，因此又叫微控制器 (MCU)。單片機(jī)品種齊全，型號多樣 CPU 從 8， 16， 32 到 64 位，多采用 RISC 技術(shù)，片上 I/O 非常豐富，有的單片機(jī)集成有 A/ D，“ 看門狗”， PWM，顯示驅(qū)動，函數(shù) 發(fā)生器，鍵盤控制等。它們的價格也高低不等，這樣極大地滿足了開發(fā)者的選擇自由。除此之外單片機(jī)還具有低電壓和低功耗的特點。隨著超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，單片機(jī)在便攜式產(chǎn)品中大有用武之地 [4]。 方案二： DSP 芯片 DSP 又叫數(shù)字信號處理器。顧名思義， DSP 主要用于數(shù)字信號處理領(lǐng)域，非常適合高密度，重復(fù)運算及大數(shù)據(jù)容量的信號處理?，F(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于通信、便攜式計算機(jī)和便攜式儀表、雷達(dá)、圖像、航空、家用電器、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域。 DSP 區(qū)別于一般微處理器的另一重要標(biāo)志是硬件乘法器以及特殊指令，一般微處理器用軟件實現(xiàn)乘 法，逐條執(zhí)行指令，速度慢。 DSP 依靠硬件乘法器單周期完成乘法運算，而且還具有專門的信號處理指令。 它的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力和高運行速度，是最值得稱道的兩大特色。 芯片內(nèi)置 544 字的高速 SRAM。外部可尋址 64K 字程序 /數(shù)據(jù)及 I/O，令周期在 25ns～ 50ns 之間，實時性處理比16 位單片機(jī)快 2 倍以上，可取代一般的單片機(jī) [5]。 方案三： EDA 基于單片機(jī)的 光立方的設(shè)計 5 EDA(即 Electronic Design Automation) 即電子設(shè)計自動化，它是以計算機(jī)為工具，在 EDA 軟件平臺上，對用硬件描述語言 HDL 完成的設(shè)計文件自動地 邏輯編譯、邏輯化簡、邏輯分割、邏輯綜合及優(yōu)化、邏輯布局布線、邏輯仿真，直至對于特定目標(biāo)芯片進(jìn)行適配編譯、邏輯影射和編程下載等。而且 MCU 和DSP 都是通過串行執(zhí)行指令來實現(xiàn)特定功能，不可避免低速，而 FPGA/CPLD則可實現(xiàn)硬件上的并行工作，在實時測控和高速應(yīng)用領(lǐng)域前景廣闊；另一方面，F(xiàn)PGA/CPLP 器件在功能開發(fā)上是軟件實現(xiàn)的，但物理機(jī)制卻和純硬件電路一樣，十分可靠。 基于以上分析，三種設(shè)計方式相比較各有優(yōu)點且都能夠?qū)崿F(xiàn)控制功能，但單片機(jī)的技術(shù)門檻較低開發(fā)成本也較低非常適合初學(xué)者進(jìn)行學(xué)習(xí)和鍛煉使用?，F(xiàn)在市 場上常用的單片機(jī)主要有 MCS5 AVR、 ARM、 PIC 等。其中應(yīng)用最廣泛的單片機(jī)首推 Intel 的 51 系列，由于產(chǎn)品硬件結(jié)構(gòu)合理，指令系統(tǒng)規(guī)范，加之生產(chǎn)歷史“悠久”，有先入為主的優(yōu)勢常作為單片機(jī)學(xué)習(xí)的教材。所以 決定選 取 51 系列單片機(jī)作為控制部分的核心器件。 電源電 路 方案一：采用普通干電池作為 LED 系統(tǒng)的電源，由于點陣系統(tǒng)耗電量 較大，點陣系統(tǒng)一般懸掛在高處上， 一直不停的工作。 使用干電池需經(jīng)常換電池，不符合節(jié)約型社會的要求。 方案二：采用一塊 LM7805 三端集成穩(wěn)壓器。把市電經(jīng)變壓器降壓輸入電路 ，而后整流送到 LM7805 三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓輸出作為工作電壓。不僅功率上可以滿足系統(tǒng)需要，不需要更換電源，并且比較輕便，使用更加安全可靠。 基于以上分析，決定 選取 LM7805 三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓電路作為系統(tǒng) 供電 電源。 I\O 口擴(kuò)展芯片 方案一：選取串口輸入并口輸出芯片 74LS164，雖然 I/O 口使用較少，由于本次設(shè)計共需要 72 路 I/O 口，列驅(qū)動 電路 就需要 8 塊 74LS164。顯示數(shù)據(jù)是先后 順序 給送去的，顯示會有延遲，而 LED 動態(tài)顯示的刷新的時間控制大約 10ms，實時性差，效果不好。 方案二：采用邊沿觸發(fā) D 型觸發(fā)器 74LS574， 74LS574 是三態(tài)總線驅(qū)動輸 基于單片機(jī)的 光立方的設(shè)計 6 出，可以緩沖控制輸入，置數(shù)并行存取并且有改善抗擾度的滯后作用。輸出控制不影響觸發(fā)器的內(nèi)部工作，既老數(shù)據(jù)可以保持，甚至當(dāng)輸出被關(guān)閉，新的數(shù)據(jù)也可以置入。時鐘上升沿輸入有效， 8 塊 74LS574 共用 16 個 I/O 口，數(shù)據(jù)可以并行寫入芯片，延遲時間少 ，滿足設(shè)計要求 [6]。 綜合以上比較，決定 選取 74LS574 作為列線驅(qū)動 I\O 口擴(kuò)展芯片。 層面 控制 驅(qū)動電路 由于當(dāng) 512 個 LED 同時點亮?xí)r，層面積 聚電流大，需要把電流放大才能驅(qū)動。否則顯示會出現(xiàn)不亮 、半亮的現(xiàn)象 ，影響顯示效果。 方案一：采用 ULN2803 達(dá)林頓管來驅(qū)動層面，由于層面積聚電流大，雖然2803 的驅(qū)動電流 可以達(dá)到 500mA，但是測試結(jié)果亮度低，甚至有的就不亮。 方案二 ：采用 5V 固體繼電器來控制。把它看做一個電子開關(guān)，通過程序來控制動靜點吸合來控 制層面與電源正極的通斷，可以滿