【正文】 ................................................................37參考文獻 ..................................................................................................................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基于單片機的光立方的設計 11 緒論 國內外 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，大屏幕顯示已經從公共信息展示等商業(yè)應用向消費類多媒體應用滲透。隨著寬帶網絡的發(fā)展，數字化的多媒體內容將在信息世界中占據主流，新型的大屏幕顯示設備將代替?zhèn)鹘y(tǒng)電視機成為人們享受信息和多媒體內容的中心。 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。不僅可以用于室內環(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。隨著社會經濟的不斷進步，人們對 LED 顯示器的認識不斷加深，其應用領域越來越廣。 我國 LED 顯示屏研究現狀及發(fā)展趨勢（1）我國 LED 產業(yè)發(fā)展現狀目前國內主要 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市場。我國的 LED 顯示屏產業(yè)經過幾年的發(fā)展，基本形成了一批具有一定規(guī)模的骨干企業(yè)。LED 顯示屏產業(yè)正成為我國電子信息產業(yè)的重要組成部分，也是平板顯示領域唯一立足國內形成的民族高科技產業(yè) [2]。基礎材料的產業(yè)化，使 LED全彩色顯示產品成本下降，應用加快發(fā)展。全彩色 LED 3D 顯示屏的廣泛應用會是 LED 3D 顯示屏產業(yè)發(fā)展的一個新的增長點。 設計的總體要求及方案選擇本次設計制作一個 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。最簡單的顯示模式是靜態(tài)顯示。按照圖文運動的特點又可以分為閃爍、平移、旋轉、縮放等多種顯示模式。這樣程序書寫就不會過于繁瑣和重復，而且對核心控制器的內存空間要求不高 [3]。編寫硬件電路的相對應軟件程序部分，利用仿真軟件對程序進行測試修改。 設計說明書的結構安排針對畢業(yè)設計說明書的要求，對論文的內容和結構將做如下安排：（1）初步整體方案的論證和選擇基于單片機的光立方的設計 3搜集題目的有關資料，并參照目前通用的設計思想和設計方法擬定幾套設計方案進行分析比較。（2）方案實現以設計要求為指導思想選擇合適的器件來實現這一思想，選擇器件時要從功能和電氣特性兩方面來選擇和論證。論文列出了詳細的器件參數和在系統(tǒng)中的連接使用方法。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。（4）驗證與測試測試分為硬件測試、軟件測試和系統(tǒng)聯合測試幾步來進行。在軟件測試中出現程序整合工作不協(xié)測等問題。（5）結論設計作品完成后對設計中所遇到的問題、經驗教訓、以及自己的想法進行總結分析。（5）致謝針對設計中所遇到的問題和難處，解決的方法來自指導老師的講解和點撥，以及同學的探討和幫助，對此表示衷心的感謝！基于單片機的光立方的設計 42 系統(tǒng)總體方案設計本節(jié)是該設計的方案論證部分，對設計中所采用的芯片從多方面綜合的進行比較，最后經過仔細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。其常用的電子設計方法有單片機、DSP、及 EDA 技術。它有很強的接口性能，非常適合于工業(yè)控制，因此又叫微控制器(MCU)。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。隨著超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，單片機在便攜式產品中大有用武之地 [4]。顧名思義，DSP 主要用于數字信號處理領域，非常適合高密度，重復運算及大數據容量的信號處理。 DSP 區(qū)別于一般微處理器的另一重要標志是硬件乘法器以及特殊指令，一般微處理器用軟件實現乘法，逐條執(zhí)行指令，速度慢。它的強大數據處理能力和高運行速度，是最值得稱道的兩大特色。外部可尋址 64K 字程序/ 數據及 I/O，令周期在 25ns～50ns 之間，實時性處理比 16 位單片機快 2 倍以上，可取代一般的單片機 [5]。而且MCU 和 DSP 都是通過串行執(zhí)行指令來實現特定功能，不可避免低速，而FPGA/CPLD 則可實現硬件上的并行工作，在實時測控和高速應用領域前景廣闊；另一方面，FPGA/CPLP 器件在功能開發(fā)上是軟件實現的，但物理機制卻和純硬件電路一樣，十分可靠?，F在市場上常用的單片機主要有 MCS5AVR、ARM、PIC 等。所以決定選取 51 系列單片機作為控制部分的核心器件。使用干電池需經常換電池，不符合節(jié)約型社會的要求。把市電經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?；谝陨戏治?，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。顯示數據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。輸出控制不影響觸發(fā)器的內部工作，既老數據可以保持，甚至當輸出被關閉，新的數據也可以置入。綜合以上比較，決定選取 74LS574 作為列線驅動 I\O 口擴展芯片。否則顯示會出現不亮、半亮的現象，影響顯示效果。方案二：采用 5V 固體繼電器來控制。測試結果很好，可以滿足設計要求。 串口通訊芯片的選擇AT89S52 串行口采用的是 TTL 電平，與上位機通信時，必須要有電平轉換電路，可以選擇 1488，1489，MAX232。方案二：采用單電源電平轉換芯片 MAX232，電源與單片機供電相同，外圍電路簡單、可靠?；谝陨戏治觯瑳Q定選取 MAX232 作為串行通信芯片。采用不同的材料，可制成不同顏色的發(fā)光二極管。從而在各種各樣的傳媒信息的宣傳中得以體現。1）按顏色分類單基色顯示屏：單一顏色（紅色、綠色、黃色、藍色等等） 。全彩色顯示屏：紅、綠、藍三基色，256 級灰度的全彩色顯示屏可以顯示一千六百多萬種顏色。 室外顯示屏：面積一般幾十平方米至幾百平方米，亮度高，可在陽光下工作，具有防風、防雨、防水功能。75mm、Φ5mm。 基于以上分析結果，加上由于成本和控制的難易程度，決定選取單色藍光LED 作為本次設計顯示色彩，亮度高，顯示效果很好 [7]。整個過程包括以下幾個步驟：（1）構想電路模型 （2）設計電路原理圖（3）校對后輸出原理圖（4）產生網絡表（5）設計印刷電路板（6）檢查后輸出 PCB 板圖基于單片機的光立方的設計 8方案二：PROTUES 是英國 Labcenter 公司開發(fā)的電路分析與實物仿真軟件。具有模擬電路仿真、數字電路仿真、單片機及其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真、RS232 動態(tài)仿真、I2C測試器、SPI 測試器、鍵盤和 LCD 系統(tǒng)仿真的功能；有各種虛擬儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器等。目前支持的單片機類型有：ARM7(LPC21xx)、 8051/52 系列、AVR 系列、PIC10/12/16/18 系列、HC11 系列以及多種外圍芯片。在硬件仿真系統(tǒng)中具有全速、單步、設置斷點等測試功能，同時可以觀察各個變量、寄存器等的當前狀態(tài)，因此在該軟件仿真系統(tǒng)中，也必須具有這些功能；同時支持第三方的軟件編譯和測試環(huán)境，如Keil C51 uVisionWAVE 偉福等軟件?？傊?，該軟件是一款集單片機和 SPICE分析于一身的仿真軟件，功能極其強大。 系統(tǒng)總體軟件方案選擇軟件的設計除了滿足設計功能外還必須要滿足易讀寫，方便下載和編譯。軟件的編寫需要借助軟件編輯器和編譯軟件，編譯完成后還需要程序燒錄器下載到單片機中執(zhí)行。最后還要選擇一款與所選單片機的下載器或下載軟件來把編寫的程序下載到單片機中執(zhí)行。下面對匯編語言和基于單片機的光立方的設計 9C 語言做一些簡介 [8]。使用匯編語言編寫的程序，機器不能直接識別，要由一種程序將匯編語言翻譯成機器語言，這種起翻譯作用的程序叫匯編語言。作為最基本的編程語言之一，匯編語言雖然應用的范圍不算很廣，但重要性卻勿庸置疑，因為它能夠完成許多其他語言所無法完成的功能。與匯編相比，C 的編譯效率低，硬件可操控性比較差，目標代碼體積大。匯編語言相對 C 語言優(yōu)點有：1) 速度快，可以直接對硬件進行操作。3) 能夠不受編譯器的限制，對生成的二進制代碼進行完全的控制。5) 能夠根據特定的應用對代碼做最佳的優(yōu)化，提高運行速度?；谝陨戏治鰶Q定采用匯編語言為該顯示系統(tǒng)軟件設計的編程語言。因此在系統(tǒng)軟件設計中，編譯器必不可少。因此軟件設計最終方案為采用匯編語言為編程語言，WAVE 為編譯工具按照控制、通信、顯示等幾個功能模塊來編寫程序。 文件。這樣就在你保存那個*.ASM 文件的目錄編譯生成了相關的*.BIN、*.HEX 文件，此時你只要連接好編程器，打開編程器的操作軟件。電路大體上可以分成核心控制電路、顯示驅動電路、 、串信通信電路三部分。在整個電路當中此電路部分可以相當于一個上位機，它負責控制整個電路以及相應的程序的運行、與 PC 機的串行通訊、以及給顯示屏部分發(fā)送命令。本次設計將以此方案為指導思想展開具體的硬件電路設計 [9]。由單片機給出的行選通信號，從第一列開始，按順序依次對各列進行掃描選通，根據鎖存器的特性可以把數據鎖存輸出。另一方而，根據各列層面要顯示的數據，通過三極管驅動繼電器來控制相應層面的電平，列與層面的數據結合共同來顯示圖案 [10]。單片機屬于數字電路中的器件，所以這里需要選擇+5V 的直流電源?；趩纹瑱C的光立方的設計 12VI1 VO3GND2U67805BR1BRIDGE2 315 64SW21SWDPDTMOMAKD3LEDRED D4LEDGRENR121K R1320C101nF C11nFC1210uC13470uD51N40720~5v圖 電源電路圖220V 交流市電通過電源變壓器變換成交流低壓，再經過橋式整流電路和濾波電容的整流和濾波，在固定式三端穩(wěn)壓器 LM7805 的 Vin 和 GND 兩端形成一個并不十分穩(wěn)定的直流電壓(該電壓常常會因為市電電壓的波動或負載的變化等原因而發(fā)生變化)。該穩(wěn)壓電源可作為 TTL 電路或單片機電路的電源。在 TTL 器件電路廣泛采用 LM1805 三端穩(wěn)壓器作為供電電源的控制器。單片機最小系統(tǒng)包括時鐘電路和復位電路。單片機的內部電路正是在時鐘信號的控制下，嚴格地按照時序執(zhí)行指令進行工作。只要單片機的復位引腳 RST 上的復位信號要持續(xù)兩個機器周期（24 個時鐘周期）以上，就可以使 AT89S52 單片機復位?；趩纹瑱C的光立方的設計 13 時鐘電路設計AT89S52 單片機各功能部件的運行都以時鐘信號為基準，有條不紊、一拍一拍地工作。常用的時鐘電路有兩種方式，一種是內部時鐘方式，另一種是外部時鐘方式。AT89S52 單片機芯片內部設有一個由反向放大器構成的振蕩器， XTAL1和 XTAL2 分別為振蕩電路的的輸入端和輸出端，時鐘可有內部或外部生成，在 XTAL1 和 XTAL2 引腳上外接定時元件，內部振蕩電路就會產生自激振蕩。時鐘頻率 fosc 采用 12MHZ，CC2 的電容值取 30pF，電容的大小起頻率微測的作用。圖 單片機最小系統(tǒng)電路圖基于單片機的光立方的設計 14圖 時鐘電路圖 復位電路設計AT89S52 單片機在啟動運行時或者出現死機時需要復位，使 CPU 以及其他功能部件處于一個確定的初始狀態(tài)，PC 初始化為 0000H。除了進入系統(tǒng)的正常初始化之外，當程序行出錯(如程序“跑飛”)或操作錯誤使系統(tǒng)處于