【導讀】1．設計方案的選擇和方案說明；2．光立方的硬件構成；4．設計并繪制電路原理圖；5．制作實物并調試電路；7．撰寫文獻綜述和論文。1．論文內(nèi)容充實，有理有據(jù)，條理清晰。一個發(fā)光二級管實現(xiàn)控制?？刂骑@示輸出至少二十種顯示效果。3．研究數(shù)據(jù)表形成規(guī)律，并初步確定算法。2．童詩白.模擬電子技術基礎.北京：高等教育出版社，2021.3．趙景波.Prote199SE應用與實例教程.北京：人民郵電出版社，2021.4．尹勇.Multisim電路仿真入門與進階.北京：科學出版社，2021.6．張毅剛.單片機原理及應用.北京：高等教育出版社，2021.通過學習《單片機原理與應用》一書，知道LED顯示分靜態(tài)顯示和動態(tài)。在網(wǎng)站上查找相關文獻時，了解LED顯示技。LED點陣顯示屏的特點還有比數(shù)碼管具有實用、便宜、亮度高。等優(yōu)點，而且做出來的LED顯示很耐用。平面顯示視頻的方法，該方案設計的LED顯示屏顯示畫面色彩鮮艷，立體感強，件對程序進行調試修改。備參加論文答辯。

　　

【正文】 P2，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(nèi)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 。 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、 基于單片機的 光立方的設計 14 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(chǎn)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]。 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，可以通過程序來控制 片選層面組建不同的圖案。 把控制層面的數(shù)據(jù)送到繼電器控制器時，繼電器根據(jù)電平高低來 當控制 繼電器 的開關 和 閉合 。 電磁鐵 通電后 便具有磁性，將銜鐵吸下，使繼電器觸點接觸，與觸點相連接的電源電路便接通 。把相應的層面點亮，配合列線數(shù)據(jù)共同來顯示數(shù)據(jù)。 當控制開關斷開時，電磁鐵的磁性被撤消，繼電器觸點彈開，電源電路亦隨之 斷開 層面隨即被滅 。 繼電器控制電路見圖 。 基于單片機的 光立方的設計 15 圖 電磁繼 控制電路 圖 列驅動電路設計 鎖存器 74L5747 是一個 八 D 邊沿觸發(fā)觸發(fā)器 (三態(tài) )。引腳排布圖見 。 圖 74LS574 引腳排布圖 74LS574 的 八個觸發(fā)器是邊沿觸發(fā) D 型觸發(fā)器。在時鐘的正跳動， Q 輸出將處于 D 輸入端已建立的邏輯狀態(tài)。三態(tài)總線驅動輸出 、 置數(shù) 全并行存取 、 緩沖控制輸入 、 時鐘輸入有改善抗擾度的滯后作用 。 時鐘線上的施密特觸發(fā)緩沖輸入將簡化系統(tǒng)設計，因為輸入滯后作用使交流和直流抗擾度一般提高 400mV。緩沖輸出的控制輸入將使八個輸出處于正常狀態(tài)（高電平或低電平）或處于高阻狀態(tài)。在高阻態(tài)下，輸出既不能有效地給總線加負載，也不能有效地驅動總線。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 基于單片機的 光立方的設計 16 輸出被關閉，新的數(shù)據(jù)也可以置入。 74LS574 的邏輯功能見表 。 八 D 鎖存器 74LS574 中的 OC 當三態(tài)允許控制端 OE 為低電平時， O0~O7為正常邏輯狀態(tài) ，可用來驅動負載或總線。 表 74LS574 的邏輯功能表 輸入 輸出 輸出控制 時鐘 數(shù)據(jù) OE39。 CLK D Q L ↑ H H L ↑ L L L L Q0 H Z 注： H=高電平 L=低電平 x=不定 Z=高阻態(tài) ↑=上升沿 Q0=初始狀態(tài) 通信系統(tǒng)硬件設計 計算機與計算機或計算機與終端之間的數(shù)據(jù)傳送可以采用串行通訊和并行通訊二種方式。由于串行通訊方式具有使用線路少、成本低，特別是在遠程傳輸時，避免了多條線路特性的不一致而被廣泛采用。 RS232C 標準是美國 EIA(電子工業(yè)聯(lián)合會 )與 BELL 等公司一起開發(fā)的 1969 年公布的通信協(xié)議。它適合于數(shù)據(jù)傳輸速率在 0~20210b/s 范圍內(nèi)的通信。這個標準對串行通信接口的有關問題，如信號線功能、電器特性都作了明確規(guī)定。由于通行設備廠商都生產(chǎn)與RS232C 制式兼容的通信設備，因此，它作為一種標準，目前已在微機通信接口中廣泛采用 [12]。 AT89S52 單片機具有全雙工串行 UART 通道，支持單片機進行數(shù)據(jù)的串行通信 傳輸。除了單片機要與 PC 機制定通信協(xié)議，確定發(fā)送速率外還需要解決的問題就是信號電平問題。 RS232C 標準規(guī)定了 PC 機發(fā)送數(shù)據(jù)總線 TXD 和接收數(shù)據(jù)總線 RXD 采用 EIA 電平，即傳送數(shù)字 “1”時傳輸線上的電平在－ 3～－ 15V之間；傳送數(shù)字 “0”時，傳輸線上的電平在＋ 3～＋ 15 之間。但單片機串行口采用正邏輯 TTL 電平，即數(shù)字 “1”時為＋ 5V 數(shù)字 “0”時為 5V，所以單片機與計算機不能直接相連進行通信必須將 RS232C 與 TTL 電平進行 通過芯片 轉換。串口通信系統(tǒng) 電平轉換 電路 圖 見圖 。 在通用的電平轉換芯片中 MAX232 系列的芯片以集成度高，單＋ 5V 電源 基于單片機的 光立方的設計 17 工作，只需外接 5 個小電容即可完成 RS232C 與 TTL 電 平之間的轉換而成為單片機系統(tǒng)中的常用芯片。 該電路 用于測試程序，以及系統(tǒng)軟件的 修改 。本系統(tǒng)軟件編寫的程序可直接通過 PC 機的串行口，再經(jīng)過 MAX232 電平轉換下載到單片機中，從而去執(zhí)行相應的功能。在該顯示系統(tǒng)中， MAX232 為通信系統(tǒng)中最重要的硬件組成部分。 圖 串口通信系統(tǒng) 下載 電路圖 光立方的制作及工作原理介紹 3D LED 光立方搭接 （ 1） LED 元件選型 3D8光立方 采用高亮藍色草帽頭 LED。設計中 LED可以更換為其他型號的，只需滿足以下條件： 1）額定驅動電壓 （ ）。 2）額定驅動電流為 20mA。 3）陽極管腳長度 27177。 1mm，陰極管腳長度為 25177。 1mm。 （ 2） LED 亮度測試方法 1）可使用兩節(jié)常見的 的干電池判斷 LED 的陽極陰極。 2）將萬能面包板接通電源，將 LED 插入面包板的一對插孔內(nèi)，其中靠近邊緣的為陽極、另一個為陰極，觀察其是否能被正常點亮，并可以改變限流電 基于單片機的 光立方的設計 18 阻改變亮度，觀察該型 LED 的可測亮度范圍。建議從最低亮度開始，防止 LED被燒毀。 （ 3） LED 光立方搭接方法 為了保持整體的通透性、立體感， 3D8 光立方?jīng)]有設計 額外的 LED 支架，所有搭接直接使用 LED 自身的管腳。 1）水平折彎：基本徒手 就可以 保證焊接的整齊性 和 保證角度的統(tǒng)一。 2）垂直折彎：可借助尖嘴鉗，目的是讓陰極擺出發(fā)光體一部，使其可以與其上下的 LED 進行搭接。 （ 4）由點到線 準備一塊木板，在上面打上 8x8 的 64 個孔，分布均勻，其間距為 ，孔徑以配合 LED 為準。將折彎好的 LED 插入一排插入以后，其陽極正好可以搭接在一起。進行焊接，實現(xiàn)線行內(nèi)共陽的操作。 （ 5）由線到面 將焊好的一條一條 LED 平躺在平面上，實現(xiàn)束方向陰極的焊接。上方 LED與下方 LED 陰極搭接的位置，可用 LED 自身根部的突起作為標志?？刂茖优c層間距，理想值依然為 (*9)mm。 一個層面 LED 搭建圖見圖 。 圖 一個層面 LED 搭建圖 基于單片機的 光立方的設計 19 圖 由面到體搭建 圖 （ 6）由面到體 將垂直各面依次插到面包板上面，以后，將露出的陽極引腳橫向折 90176。，是其可以與其前后同一高度（同一層）的陽極進行焊接，實現(xiàn)各 8x8 平面的層共陽。實現(xiàn)層共陽以后，我們就得到了共計 8 條對陽極引線，通過漆包銅線，實現(xiàn)各層的陽極線與主板的連接。其中最頂層的對應最靠近 DC 電源插座的陽極座。 兩個層面搭建體圖見圖 。 （ 7）靜態(tài)測試 進行 LED 的靜態(tài)測試，對內(nèi)部常亮點、常暗點進行更換。由于 LED 還是比較嬌貴的元件，焊接過程中，應避免靜電造成 LED 的損傷。最好使用防靜電焊臺，并佩戴防靜電手環(huán)。有硬件制作基礎的朋友，可以制作一個簡單的單面測試的模塊，借助鱷魚夾，對面內(nèi)各點進行測試，從而避免在各層都實現(xiàn)共陽連接以后再從中拆出個別壞點。 就原理圖來說， 3D8 的 LED 搭接結果相對簡單， 512 個 LED，分為 64 束， 8 層，束內(nèi)共陰，層內(nèi)共陽。 3D LED 光立方工作原理 本設計介紹一個 3D LED 光立方顯示屏的制作， 在單片機的 P0 口 輸出顯示 基于單片機的 光立方的設計 20 代碼 ，然后把掃描 片 選擇鎖存器 送 入 74LS574， 通過片選哪一列對應的芯片 就可以把 顯示的 內(nèi)容送到顯示屏顯示 [13]?？紤]到 P0 口必需設置上拉電阻，我們采用 kΩ 排電阻作為上拉電阻 。整體顯示框圖見 。 設計原理：利用單片控制 LED 點陣顯示的原理和控制技術，來制作控制光立方顯示。通過編寫程序控制不同 LED 的顯示，顯示所要顯示的內(nèi)容。根據(jù)人眼的視覺暫留效應，設置每幅畫面的延遲時間使連續(xù)的一系列畫面呈現(xiàn)動態(tài)。最終達到所要顯示的內(nèi)容。每 個燈都是由層控制端和列控制端共同決定亮或滅。 LED 光立方整體顯示框圖 在三維光立方中 采用動態(tài)掃描顯示， 這種顯示方式巧妙地利用了人眼的視覺暫留特性。將連續(xù)的幾幀畫面高速的循環(huán)顯示，只要幀速率高于 24 幀 /秒，人眼看起來就是一個完整的，相對靜止的畫面。最典型的例子就是電影放映機。在電子領域中，因為這種動態(tài)掃描顯示方式極大的縮減了發(fā)光單元的信號線數(shù)量，因此在 LED 顯示技術中被廣泛使用?，F(xiàn) 簡單 描述一下用動態(tài)掃描顯示的方式，顯示字符 “B”的過程。其 掃 描顯示 過程 見圖 。 圖 用動態(tài)掃描顯示字符 “B”的過程單片機 層驅動器 LED 光立方 列驅動器 基于單片機的 光立方的設計 21 4 系統(tǒng)軟件 方案 設計 概述 軟件設計包括 按鍵程序、 主程序、 顯示 程序 三大部分 ， 軟件功能結構框圖見 。 主程序通過調用按鍵查詢程序來判斷 待顯示的圖案及花樣，主程序則調用相對應的顯示程序送到控制端口。 圖 軟件功能結構框圖 主 程序設計 系統(tǒng)軟件采用 匯編 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 [14]。主程序的工作流程 見 圖 。 圖 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主程序 顯示程序 按鍵 程序 基于單片機的 光立方的設計 22 選擇和波特率的設定，各 IO 口功能的設定等。 把各子程序寫為一個可單獨執(zhí)行的完整 子 程序 段 。各子程序編譯沒有錯誤后再 下載到 單片機進行 仿真 驗證，這兩項都通過后再將所有的程序整合到一起 ， 形成一個完整的程序再進行編譯和仿真 驗證。 顯示程序的設計 LED 顯 示屏的 數(shù)據(jù)傳送 動態(tài)掃描顯示是把整個 LED 屏幕分成若干部分，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 [15]。 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 鎖存器 ， 通過片選需要顯示對應的 鎖存器 在輸出顯示 。如此依次循環(huán)選通各列來顯示所需畫面。 動態(tài)顯示程序流程 圖見 。 把 顯示的數(shù)據(jù)送到 P0 口，相應的鎖存器接收數(shù)據(jù)，再把 片選鎖存器的數(shù)據(jù)送到端口，相應鎖存器接收數(shù)據(jù)并鎖存輸出顯示，接著把下一組數(shù)據(jù)送到 P0 口，改變片選鎖存器的數(shù)據(jù)，送到相應鎖存器 輸出顯示，直到