【正文】 體電路原理圖 .................................. 51 附錄 2 電路 PCB 版圖 .................................... 52 附錄 3 電路 3D 仿真圖 ................................... 53 附錄 4 元器件清單 ...................................... 54 附錄 5 電路實物圖 ...................................... 56 附錄 6 源程序 .......................................... 57 基于單片機的光立方的設(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。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。動態(tài)圖文顯示屏可與計算機同步顯示漢字、英文文本和圖形；視頻顯示 屏采用微型計算機進行控制，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 。 而且顯示 畫面色彩鮮艷，立體感強，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]。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。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 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，一直保持比較先進的水平。 （ 2） LED 顯示屏的發(fā)展趨勢 二十一世紀的顯示技術(shù)將是平板顯示的時代。 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。 未來 LED 3D 顯示屏?xí)蛑鴺藴驶⒁?guī)范化、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)多樣化的方向發(fā)展。為了吸引觀眾增強顯示效果，可以有多種顯示模式。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。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 基于單片機的光立方的設(shè)計 3 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。 借鑒單片機控制 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。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。最終選定了以 8 位 51 系列 單片機為核心控制器件，外加 I/O 擴展電路和層驅(qū)動電路 來 設(shè)計方案 滿足設(shè)計要求 。經(jīng)過對比 選擇選定 AT89S52 單片機為核心控制器件，由八 D 邊沿觸發(fā)器（三態(tài)）74LS574擴展 I/O口輸出，三極管 8550和 5V 繼電器為驅(qū)動電路器件。 （ 3）軟件編寫 基于單片機的光立方的設(shè)計 4 根據(jù)硬件特點和設(shè)計要求，軟件選用 匯編語言 編寫。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。在硬件測試中發(fā)現(xiàn)有單片機端口驅(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。通過分析，查找出 問題 的 原因并設(shè)法 解決。 以便于為將來的設(shè)計提供寶貴的借鑒經(jīng)驗。 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) 與上位機通信接收上位機發(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。 方案一： 單片機 單片機是集成了 CPU， ROM， RAM 和 I/ O 口的微型計算機。單片機品種齊全，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。除此之外單片機還具有低電壓和低功耗的特點。 方案二： DSP 芯片 DSP 又叫數(shù)字信號處理器。現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于通信、便攜式計算機和便攜式儀表、雷達、圖像、航 空、家用電器、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域。 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。 芯片內(nèi)置 544 字的高速SRAM。 方案三： EDA EDA(即 Electronic Design Automation) 即電子設(shè)計自動化，它是以計算機為工具，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，直至對于特定目標芯片進行適配編譯、邏輯影射和編程下載等。 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)者進行學(xué)習(xí)和鍛煉使用。其中應(yīng)用最廣泛的單片機首推 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)勢常作為單片機學(xué)習(xí)的教材。 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) 基于單片機的光立方的設(shè)計 7 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。 方案二：采用一塊 LM7805 三端集成穩(wěn)壓器。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。 I\O 口擴展芯片 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。 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。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]。 層面 控制 驅(qū)動電路 由于當 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。 方案一：采用 ULN2803 達林頓管來驅(qū)動層面，由于層面積聚電 基于單片機的光立方的設(shè)計 8 流大，雖然 2803 的驅(qū)動電流 可以達到 500mA，但是測試結(jié)果亮度低，甚至有的就不亮。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，可以滿足電流的需求。 基于以上分析，決定 選 取 5V 固體繼電器作為層面電路控制器 。 方案一：采用 1488 或 1489 芯片實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，但在使用中發(fā)現(xiàn)這兩種芯片可靠性不高，且需要正負 12V 電源，電路搭建 麻煩。 采用 RS232 接口與上 位機通信， 方便后來設(shè)計的軟件調(diào)試 和程序燒錄 。 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。作為一種新的光源，廣受歡迎而得以快速發(fā)展。簡述其分類方法如下。 雙基色顯示屏：紅和綠雙基色， 256 級灰度、可以顯示 65536種顏色。 2） 按使用場合分類 室內(nèi)顯示屏：發(fā)光點較小，一般Φ 3mmΦ 8mm，顯示面積一般零點幾至十幾平方米。 3） 按發(fā)光點直徑分類 室內(nèi)屏：Φ 3mm、Φ 3。 室外屏：Φ 10mm、Φ 12mm、Φ 16mm、Φ 19mm、Φ 21mm、Φ 26mm。 硬件電路繪圖軟件 方案一： PROTEL DXP 2021 是桌面環(huán)境下第一個以設(shè)計管理 和協(xié)作技術(shù)為核心的全方位印刷電路板設(shè)計系統(tǒng)，它集強大的設(shè)計能力，復(fù)雜工藝的可生產(chǎn)性和設(shè)計過程管理于一體，可完整實現(xiàn)電子產(chǎn)品從概念設(shè)計到生成物理生產(chǎn)數(shù)據(jù)的全過程，以及中間的所有分析，仿真和驗證。它運行于 Windows 操作系統(tǒng)上， 可以仿真、分析 (SPICE) 基于單片機的光立方的設(shè)計 10 各種模擬器件和集成電路，該軟件的特點是： 1）實現(xiàn)了單片機仿真和 SPICE 電路仿真相結(jié)合。 2）支持主流單片機系統(tǒng)的仿真。 3）提供軟件測 試功能。 4）具有強大的原理圖繪制功能。 基于以上分析結(jié)果，本次設(shè)計 決定選取 Protues 作為電路原理圖和 PCB 版圖繪制軟件。設(shè)計目標和硬件總體結(jié)構(gòu)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。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。 單片機編程語言 現(xiàn)在主要運用的單片機編程語言為匯編語言和 C 語言。 匯編語言（ Assembly Language）是面向機器的程序設(shè)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。 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]。 C 語言是一種結(jié)構(gòu)化語言，可產(chǎn)生壓縮代碼。 基于以上分析結(jié)果，本次設(shè)計決定選取編程語言為匯編語言。 2) 能夠直接訪問與硬件相關(guān)的存儲器或 I/O 端口。 4) 能夠?qū)﹃P(guān)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(shè)備共享引起的死鎖。 6) 能夠最大限度地發(fā) 揮硬件的功能。 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。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 。 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 打開文件， 開始編寫程序。 2） 執(zhí)行主菜單中的項目 編譯 。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(shè)計 13 3 系統(tǒng)硬件 方案 設(shè)計 硬件整體設(shè)計概述及功能分析 3D LED 光立方總體框圖如圖 所示。 核心控制 電路部分 包括一個 51 系統(tǒng) CUP 和 一些外圍電路。單片機根據(jù) 編寫好的 內(nèi)容和指令通過 I/O 口 擴展后 驅(qū)動 8X8X8 LED 光立方顯示屏。 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(qū)動器，各 列 的同名 行 共用一個 行 驅(qū)動器。這樣就可以把八列的數(shù)據(jù)輸出顯示， 完成列線數(shù)據(jù)的傳送 。 圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計總圖 AT89S52 行 驅(qū) 動 器 列驅(qū)動器 16X16LED點陣 顯示屏 電源 復(fù)位 電路 時鐘 電路 基于單片機的光立方的設(shè)計 14 電源供電系統(tǒng)設(shè)計 電路能夠正常工作，電源是必不可少的。供電電源電路原理圖見圖 。此直流電壓經(jīng)過 LM7805 的穩(wěn)壓和 電容 的 濾波便在穩(wěn)壓電源的輸出端產(chǎn)生了精度高、穩(wěn)定度好的直流輸出電壓。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(yīng)用最為廣泛的一種單片式集成穩(wěn)壓器件。 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 基于單片機的光立方的設(shè)計 15 成了各種部件的微型機，這些部件包括中央處理器 CPU、數(shù)據(jù)存儲器RAM、程序存儲器 ROM、定時器 /計數(shù)器和多種 I/O 接口電路。 時鐘電路用于產(chǎn)生 AT89S52 單片機工作時必需的控制信號。復(fù)位電路是為單片機初始化操作準備的。 單片機最小系統(tǒng)電路圖見圖 。因此時鐘頻率直接影響單片機的處理速度，時鐘電路的質(zhì)量也是直接影響單片機系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本次采用外部時鐘方式。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 電路見圖 。單片機 從這個狀態(tài)開始 執(zhí)行程序 。 單片機有多種復(fù)位方式，常用的復(fù)位操作有上電復(fù)位和手動按鍵電平復(fù)位方式。上電復(fù)位是通過外部復(fù)位電路的電容充電來實現(xiàn)的， 復(fù)位電路產(chǎn)生的復(fù)位信號（高電平有效）由 RST 通過一個施密特觸發(fā)器與復(fù)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