【正文】 要以 STC12C5A60S2單片機(jī)為核心，并以 512個(gè)藍(lán)色 LED 燈做為顯示模塊組成的光立方，主要有主控模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、顯示模塊構(gòu)成，系統(tǒng)模塊框圖如圖 21: 圖 21 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 各模塊方案選擇 單片機(jī)主控制模塊 方案一：采用傳統(tǒng)的 89C51單片機(jī)作為主控制芯片，應(yīng)為 89C51單片機(jī)內(nèi)部只有 8K 的存儲(chǔ) 空間，立體的光立方實(shí)現(xiàn)的功能比較復(fù)雜，一個(gè)單片機(jī)要控制 512個(gè)燈所以程序代碼存儲(chǔ)空間可能大于 8K 有可能會(huì)溢出，所以不可采用此方案。 驅(qū)動(dòng)模塊 方案一：采用八個(gè) 8050NPN 三極管雖然可以起到反向的作用可是數(shù)量過(guò)多，從布線(xiàn)和三級(jí)管排布的美觀上感 覺(jué)有點(diǎn)混亂，而且出錯(cuò)率比較高，不夠穩(wěn)定，所以不采用此方案。 顯示模塊 方案一：由于我們常用的 LED 燈不容易聚光，光發(fā)散比較厲害點(diǎn)亮?xí)r相互之間將會(huì)有影響，容易影響視角效果。 方案二：采用白發(fā)藍(lán)的 LED 霧燈，可以很好的收聚光線(xiàn)，使要顯示的燈的光亮不會(huì)影響周?chē)鸁舻牧炼?，暗滅很明顯，工作電壓 ,電流為 2MA10MA 如圖 22所示： 圖 22 霧面乳型 LED 燈 第三章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 硬件電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)以 STC12C5A60S2單片機(jī)為控制核心，其特點(diǎn)是能與 8051指令和管腳兼容，而且片內(nèi)還有很大的存儲(chǔ)空間，滿(mǎn)足程序代碼存儲(chǔ)，此單片機(jī)還有低功耗和串口燒寫(xiě)的功能，時(shí)鐘發(fā)生源有 很多種，比如阻容低速時(shí)鐘源、帶緩沖放大的晶體時(shí)鐘源、普通晶體時(shí)鐘源等，但由于考慮到電路的穩(wěn)定性最終決定采用普通晶體時(shí)鐘源為時(shí)鐘發(fā)生器，其晶體用 12MHZ 的晶體，顯示模塊則用 512個(gè) LED 白發(fā)藍(lán)的霧燈來(lái)實(shí)現(xiàn)。 單片機(jī)的最小系統(tǒng)如下圖所示 : 圖 31 單 片機(jī)最小系統(tǒng)框圖 時(shí)鐘電路 設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路時(shí)，我們首先必須先了解單片機(jī)時(shí)鐘端口的使用和特點(diǎn)： XTAL1（ AT89C51中 19 腳） ：?jiǎn)纹瑱C(jī)內(nèi)部振蕩電路的輸入端口。 XTAL1 與 XTAL2其實(shí)就是一個(gè)反向的放大器，它可以與石英晶振連接作為一個(gè)時(shí)鐘振蕩電路。 外部方式的時(shí)鐘電路就是如圖 34所示， RXD 直接接地， TXD 再接外部振蕩器。 圖 33內(nèi)部方式時(shí)鐘電路 圖 34外部方式時(shí)鐘電路 要檢測(cè)晶振是不是正常工作可以通過(guò)示波器來(lái)檢查，方法是在 XTAL2 輸出端接示波器并觀察波形是不是正弦波，要是是正弦波則正常工作，反之則不正常工作。 P0 口外接上拉電阻 由于 STC12C5A60S2單片機(jī) P0口內(nèi)部沒(méi)有上拉電阻，是開(kāi)漏的，不管它的驅(qū)動(dòng)能力多大，相當(dāng)于它是沒(méi)有電源的，需要外部的電路提供，絕大多數(shù)情況下 P0口是必需加上拉電阻的。 圖 36 P0 端口的 1 位結(jié)構(gòu) 在這里我們用的是 ULN2803 達(dá) 林 頓 管 來(lái) 做 系 統(tǒng) 的 驅(qū) 動(dòng) ， ULN2803 采用AP=DIP18,AFW=SOL18封裝方式。所有設(shè)備功能由集電極輸出和鉗位二極管瞬態(tài)抑制。該電路為反向輸出型，即輸入低電平電壓，輸出端才能導(dǎo)通工作。 圖 38 3D8 光立方效果圖 LED 燈接法方式設(shè)計(jì) 由于光立方是由 8*8*8的 512個(gè)燈組成的必須每盞燈都是單獨(dú)控制的，可單片機(jī)的 I/O口沒(méi)有那么多，那么我們就要通過(guò)擴(kuò)展 I/O 口來(lái)實(shí)現(xiàn)控制，用什么來(lái)擴(kuò)展呢？這里我們用到的是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的 74hC593,用它我們就可以一個(gè)口擴(kuò)展成八個(gè)口，這樣單片機(jī)的八個(gè)口就可以擴(kuò)展出 8*8一共 64個(gè) I/O口這樣就可以控制 LED燈的一個(gè)正極那么對(duì)于負(fù)極我們?cè)趺纯刂颇?，這里我們可以通過(guò)共連陰極的方法控制，就是把每層 LED 的陰極都連在一起，八層就有八個(gè)接口，這八個(gè)接口通過(guò) ULN2803控制接在單片機(jī)的另外 八個(gè)接口上其實(shí)我們就是用單片機(jī)的 16個(gè) I/O接口，通過(guò)擴(kuò)展得到了 64+8個(gè)接口，這樣就可以把 512個(gè) LED燈給控制好了 ，原理圖如圖 39所示。 圖 311 萬(wàn)能板 圖 312 LED 燈的正負(fù)極 圖 313 LED 燈的形狀 圖 314 已搭好的 8 個(gè) LED 燈 這樣做出一條有八個(gè) LED 燈組成的共陰極的燈鏈如圖 315所示，這里要注意焊接的時(shí)間和焊錫的用量，要是焊接時(shí)間太長(zhǎng)就會(huì)把 LED 燈燙壞，用焊錫要均勻，不能太多也不能太少，太少連接不牢固，太多不美觀。 圖 316 陽(yáng)極相連 圖 317 64 個(gè) LED焊接圖 將 LED從面到體的搭建 最后把焊好的八個(gè)面分別接在做好的電路板上，陽(yáng)極對(duì)應(yīng)接在八個(gè) 74HC573的八個(gè)引腳上，陰極每一層給連接起來(lái)接在 ULN2803的輸出端口上，這樣硬件模塊的顯示部分就算做好了，如圖 318所示。 對(duì)于主板的大小選擇上，主板是整個(gè)光立方的底座，大小要合適，不宜過(guò)大也不宜太小，太大不好看，太小放不下，一般設(shè)計(jì)的和焊的 LED 燈的尺寸差不多，剛好放的下還有點(diǎn)剩余最好，這樣既美觀又節(jié)省資源。 主板的焊接 在焊接主板之前必須保證主板清潔干凈，檢查是否有破損有裂縫，各個(gè)元器件的符號(hào)是否清晰，所要焊接的元器件是否齊全， 焊各種元器件的準(zhǔn)備工作是否都做好了，元器件是否都是完好的功能是否正常都要先檢測(cè)好，這些都確定沒(méi)有問(wèn)題后，就開(kāi)始按原理圖上的位置焊接元器件，焊接時(shí)用錫不要太多，那樣會(huì)很不好看，而且有可能會(huì)和附近的元器件發(fā)生短路，焊接時(shí)間不能太久，很多元器件受不了電烙鐵的高溫，還要避免靜電干擾，焊點(diǎn)要小要均勻，剛好焊住而且焊點(diǎn)光滑明亮。 圖 31 單片機(jī)焊接 開(kāi)關(guān)及 按鍵的焊接 按鍵的焊接是最簡(jiǎn)單 的，四個(gè)引腳分別插在四個(gè)孔中，要注意的是按鍵的四個(gè)腳是兩兩一對(duì)的，不要認(rèn)為他們都是一樣的，要是焊錯(cuò)了就沒(méi)有按鍵的功能了，就成了一根導(dǎo)線(xiàn)了， 自鎖 開(kāi)關(guān)的焊接比較復(fù)雜，特別是六根引腳的開(kāi)關(guān)，它的按下和 彈回來(lái)接通的引腳是不同的引腳，自鎖開(kāi)關(guān)的原理圖如下圖 42所示。 圖 33 PCB 板的正反面 第 四 章 軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的組成有兩各個(gè)部分一個(gè)是硬件一個(gè)則是軟件，軟件的伸縮性很大，編寫(xiě)的好的程序?qū)崿F(xiàn)起來(lái)簡(jiǎn)單不易出錯(cuò)， 編的不好的數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)很多問(wèn)題，本系統(tǒng)采用的是模塊化的設(shè)計(jì)方案，減少軟件出錯(cuò)的概率，在軟件的設(shè)計(jì)過(guò)程中需要用到了軟件編輯器，軟件可以使單片機(jī)上電初始化，也可以是單片機(jī)實(shí)現(xiàn)特定的功能效果。 首先程序執(zhí)行主程序，在主程序中判斷按鍵程序，當(dāng)接收到按鍵程序 時(shí)，主程序調(diào)用顯示程序，把顯示程序發(fā)給硬件，硬件顯示出來(lái)。 顯示程序的設(shè)計(jì) 顯示程序一般由字庫(kù)代碼和執(zhí)行程序構(gòu)成，字庫(kù)代碼可以借助取模軟件，由靜態(tài)的畫(huà)面通過(guò)像素點(diǎn)的移動(dòng)，利用人眼的視覺(jué) 延時(shí) 效果，產(chǎn)生動(dòng)的效果，這就要求對(duì)掃描時(shí)間的控制 和頻率的的快慢決定的很好。 顯示程序的設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)的程序采用的是動(dòng)態(tài)的掃描顯示， 通過(guò)選通一列的方式 ， 這時(shí)程序里的一行數(shù)組就按照由低位到高位的方式依次從單片機(jī)的 I/O口輸出到驅(qū)動(dòng) 74HC595移位寄 存器中從寄存器中輸出到 LED 的陽(yáng)極控制燈的亮暗， 這樣一次一次的循環(huán)就可以產(chǎn)生一個(gè)動(dòng)態(tài)的畫(huà)面，整個(gè)流程圖如下 33所示。 圖 33 顯示程序流程圖 軟件 調(diào)試 單片機(jī) 是這個(gè)設(shè)計(jì)的 核心，在硬件正常工作的情況下檢測(cè)軟件才是正確的 ， 要是硬件都存在問(wèn)題去檢測(cè)軟件完全沒(méi)有意義，對(duì)于硬件的檢測(cè)，可以對(duì)單片機(jī)的時(shí)鐘引腳 18和 19檢測(cè)，引腳 18對(duì)地的電壓在 ，而引腳 19是 ，對(duì)于復(fù)位電路的檢測(cè)則是用5v 的電源短接下引腳 9，模擬復(fù)位電路，如果單片機(jī)復(fù)位正常則不存在問(wèn)題。在程序的編 寫(xiě)中全部都是采用 C語(yǔ)言編寫(xiě)， C 語(yǔ)言簡(jiǎn)潔靈活，兼容性高，編譯簡(jiǎn)單，執(zhí)行效率高，對(duì)于循環(huán)的使用方便。 在測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)一些問(wèn)題，以下是問(wèn)題及問(wèn)題的解決方法： 這個(gè)系統(tǒng)功能比較強(qiáng)大，所以需要的驅(qū)動(dòng)程序和程序量比較多 8k的 89C51完全不夠代碼的存儲(chǔ)會(huì)出現(xiàn)程序的溢出和無(wú)法編譯的情況。 本系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)部分 LED 燈的亮滅沒(méi)有規(guī)律，有些燈甚至都不亮，還有些燈閃爍不定。 在單個(gè)燈的替換過(guò)程中居然發(fā)現(xiàn)我測(cè)量的單個(gè)燈亮了，可是我沒(méi)測(cè)量的 LED燈也同時(shí)亮了 解決方法：這里我們知道可能是 LED 燈在焊接過(guò)程中被擊穿了，我采用的是反接正負(fù)橫豎排的方法，當(dāng)我們反接時(shí)壞掉的 LED 燈就會(huì)點(diǎn)亮，還有一種方法就是萬(wàn)用表的正負(fù)兩極都接在橫排或者豎排，這時(shí)被點(diǎn)亮的 LED 燈就是被損壞的，取下替換了就可以了。 解決方法：這種情況就是整層中有一盞燈壞了，當(dāng)我們把負(fù)極的引線(xiàn)去掉后整 層依然點(diǎn)亮，仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)這一層會(huì)有一盞燈不亮，壞的燈就是它了，把他取下替換就可以了。 解決方法：這里我們用萬(wàn)用表對(duì)電路板個(gè)部分檢查，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)沒(méi)有供電，檢查電源模塊發(fā)現(xiàn)電源焊接口虛焊，電路板的焊點(diǎn)脫落，這里我們采用外部備用口送電。 解決問(wèn)題：在這里我們考慮把焊烙鐵接地，如果焊烙鐵沒(méi)有接地線(xiàn)我們可以在焊烙鐵中部加一根引線(xiàn)接在暖 氣片上或者直接接地，焊完一行檢查一次，焊完一個(gè)面再檢查一次，最后全部焊完再檢查，確保 LED 燈全部正常工作。 燒入程序后， LED 燈的亮度很不均勻，明亮閃爍 。 解決方法：頭文件選擇錯(cuò)誤不能選擇常規(guī)單片機(jī)的頭文件，要自制一個(gè)STC12C5A60S2頭文件，放在主程序的文件下。 解決方法： 在軟件中沒(méi)有選擇產(chǎn)生 .HEX 文件，在設(shè)置里設(shè)置產(chǎn)生 .HEX 文件 光立方顯示不穩(wěn)定，常常會(huì)自我中斷，不按程序設(shè)定的功能顯示。 結(jié)果分析 本設(shè)計(jì) 經(jīng)過(guò)一個(gè)多月的焊接再加上一個(gè)多月的調(diào)試和改進(jìn)，現(xiàn)在總算順利完成了，硬件和軟件的運(yùn)行還是算比較穩(wěn)定，本設(shè)計(jì)利用硬件的立體性，利用軟件的變化多樣性，這兩者結(jié)合起來(lái)就可以產(chǎn)生非常絢麗的畫(huà)面效果，該設(shè)計(jì)功能強(qiáng)大， DIY 性特別強(qiáng)，可以通過(guò)改變程序產(chǎn)生很多意料不到的畫(huà)面效果。 從畢業(yè)設(shè)計(jì)的題目選擇到基本確定大概花了一個(gè)星期，在確定題目的同時(shí)我也積極在網(wǎng)上查找資料，有時(shí)去圖書(shū)館看看關(guān)于單片機(jī)類(lèi)的書(shū)籍，查查芯片的使用和要求及優(yōu)點(diǎn)和不足，最終我找到最合適的 STC12C5A60S2這款芯片集合了好多芯片的優(yōu)點(diǎn)，功能特別強(qiáng)大，現(xiàn)在最新的單片機(jī)，正由于它是最新的，所以在找資料和畫(huà)原理圖方面很不好實(shí)現(xiàn)，幾乎很難找到關(guān)于它的資料，即使找到了也是純英文的， 還要自己翻譯，在原理圖方面也一樣復(fù)雜，幾乎沒(méi)有關(guān)于它的封裝，在找資料這塊花了不少時(shí)間，對(duì)于 LED燈焊接方面也要求的很高，重復(fù)無(wú)聊的折 LED 的管腳這都還好，主要是 LED 燈的擊穿問(wèn)題特別難處理，對(duì)于單個(gè) LED 我們需要檢測(cè)，對(duì)于焊成條形的 LED 也要檢測(cè)，對(duì)于焊成面的 LED 還要檢測(cè)，最困難的是對(duì)于焊成體的 LED 還要檢測(cè)，有時(shí)一條 LED 燈沒(méi)問(wèn)題，可是焊成面就出問(wèn)題。對(duì)于軟件模塊要求的就更高了，軟件的書(shū)寫(xiě)規(guī)范和字庫(kù)的創(chuàng)建，都是一個(gè)不小的工程，這個(gè)系統(tǒng)中用到的延時(shí)程序，每一幀的時(shí)間計(jì)算，掃描的頻率和燈的亮度，都要細(xì)細(xì)計(jì)算，編寫(xiě)調(diào)試再編寫(xiě)再調(diào)試，這樣反復(fù)好多次才終于編寫(xiě)出一個(gè)穩(wěn)定的程序。 參考文獻(xiàn) [1