【正文】 件方案設(shè)計(jì) 10 硬件整體設(shè)計(jì)概述及功能分析 10 電源供電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 10 51 系列單片機(jī)簡介 11 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì) 11 復(fù)位電路設(shè)計(jì) 13 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 13 層驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 13 列驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 15 通信系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 16 光立方的制作及工作原理介紹 17 3D LED 光立方搭接 17 3D LED 光立方工作原理 19 4 系統(tǒng)軟件方案設(shè)計(jì) 21 概述 21 主程序設(shè)計(jì) 21 顯示程序的設(shè)計(jì) 22 LED 顯示屏的數(shù)據(jù)傳送 22 顯示程序的設(shè)計(jì) 22 軟件中防止程序出錯(cuò) ERR 處理 23 ISP 軟件程序下載 24 5 光立方 PCB 版制作 25 protues 制作 PCB 版圖 25 繪制電路原理圖并仿真測(cè)試 25 加載網(wǎng)絡(luò)表及元件封裝 26 規(guī)劃電路板并設(shè)置相關(guān)參數(shù) 27 元件布局及調(diào)整 27 元件布線及調(diào)整 29 輸出及制作 PCB 30 PCB 版的制作過程 30 熱轉(zhuǎn)印版圖 31 蝕刻去銅 31 去墨打孔 31 6 系統(tǒng)測(cè)試及仿真 32 硬件系統(tǒng)測(cè)試 32 軟件系統(tǒng)測(cè)試 33 系統(tǒng)總體測(cè)試 33 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果與結(jié)論 34 測(cè)試結(jié)果分析 34 測(cè)試結(jié)論 34 總 結(jié) 35 致 謝 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(shí)物圖 44 附錄 6 源程序 45 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(huì)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(fèi)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(diǎn)。動(dòng)態(tài)圖文顯示屏可與計(jì)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(jì)算機(jī)進(jìn) 行控制，圖文、圖像并茂，以實(shí)時(shí)、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(dòng)畫、錄像、電視、 VCD 節(jié)目以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)況轉(zhuǎn)播。而且顯示畫面色彩鮮艷，立體感強(qiáng)，靜如油畫，動(dòng)如電影，廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、車站、商場(chǎng)、醫(yī)院、賓館、證券市場(chǎng)、工業(yè)企業(yè)管理等公共場(chǎng)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(jià)比比較高，市場(chǎng)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(shí)，產(chǎn)品技術(shù)推陳出新，一直保持比較先進(jìn)的水平。 （ 2） LED 顯示屏的發(fā)展趨勢(shì) 二十一世紀(jì)的顯示技術(shù)將是平板顯示的時(shí)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(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(shí)，由于全彩色顯示屏價(jià)格性能比的優(yōu)勢(shì)，預(yù)計(jì)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(huì)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(chǎng)館的顯示方面全彩色 LED 3D 顯示屏更會(huì)成為主流產(chǎn)品。 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。為了吸引觀眾增強(qiáng)顯示效果，可以有多種顯示模式。與靜態(tài)顯示模式相對(duì)應(yīng)，就有各種動(dòng)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(jī)控制 LED 點(diǎn)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(gè)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(jì)。電路系統(tǒng)焊接完畢后，測(cè)試整個(gè)的系統(tǒng)模塊的功能，看各個(gè)功能是否能正常運(yùn)行，并依據(jù)實(shí)驗(yàn) 結(jié)果找出程序中的錯(cuò)誤，改正這些錯(cuò)誤至測(cè)試成功完成畢業(yè)設(shè)計(jì)要求。最終選定了以 8 位 51 系列單片機(jī)為核心控制器件，外加 I/O擴(kuò)展電路和層驅(qū)動(dòng)電路來設(shè)計(jì)方案滿足設(shè)計(jì)要求。經(jīng)過對(duì)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(dòng)電路器件。 （ 3）軟件編寫 根據(jù)硬件特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要求，軟件選用編寫。然后按照所劃分的模塊逐個(gè)編寫，最后將獨(dú)立的模塊整合起來。在硬件測(cè)試中發(fā)現(xiàn) 有單片機(jī)端口驅(qū)動(dòng)能力不足、驅(qū)動(dòng)電路工作不穩(wěn)定等問題。通過分析，查找出問題原因并設(shè)法解決。（ 5）設(shè)計(jì)中所遇到的問題2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 本節(jié)是該設(shè)計(jì)的方案論證部分，對(duì)設(shè)計(jì)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。 方案一：采用 1488 或 1489 芯片實(shí)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(fù) 12V 電源，電路搭建麻煩。采用 RS232 接口與上位機(jī)通信，方便后來設(shè)計(jì)的軟件調(diào)試和程序燒錄。 LED 發(fā)光顯示二級(jí)管 LED 是一種固體光源，當(dāng)它兩端加上正向電壓時(shí)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(jí)灰度、可以顯示 65536 種顏色。 2）按使用場(chǎng)合分類 室內(nèi)顯示屏：發(fā)光點(diǎn)較小，一般Φ 3mmΦ 8mm，顯示面積一般零點(diǎn)幾至十幾平方米。 3）按發(fā)光點(diǎn)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(gè)以設(shè)計(jì)管理和協(xié)作技術(shù)為核心的全方位印刷電路板設(shè)計(jì)系統(tǒng)，它集強(qiáng)大的設(shè)計(jì)能力，復(fù)雜工藝的可生產(chǎn)性和設(shè)計(jì)過程管理 于一體，可完整實(shí)現(xiàn)電子產(chǎn)品從概念設(shè)計(jì)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(yàn)證。它運(yùn)行于 Windows 操作系統(tǒng)上，可以仿真、分析 SPICE 各種模擬器件和集成電路，該軟件的特點(diǎn)是： 1）實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)仿真和 SPICE 電路仿真相結(jié)合。 2）支持主流單片機(jī)系統(tǒng)的仿真。 3）提供軟件測(cè)試功能。 4）具有強(qiáng)大的原理圖繪制功能。 基于以上分析結(jié)果，本次設(shè)計(jì)決定選取 Protues 作為電路原理圖和 PCB版圖繪制軟件。設(shè)計(jì)目標(biāo)和硬件總體結(jié)構(gòu)確定的情況下，軟件可以分為主程序，顯示子程序，各種子程序個(gè)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(jī)編程語言 現(xiàn)在主要運(yùn)用的單片機(jī)編程語言為匯編語言和 C 語言。與匯編相比 C 的編譯效率低，硬件可操控性比較差，目標(biāo)代碼體積大 匯編語言相對(duì) C 語言優(yōu)點(diǎn)有： 1 速度快，可以直接對(duì)硬件進(jìn)行操作。 3 能夠不受編譯器的限制，對(duì)生成的二進(jìn)制代碼進(jìn)行完全的控制。 5 能夠根據(jù)特定的應(yīng)用對(duì)代碼做最佳的優(yōu)化，提高運(yùn)行速度。 基于以上決定采用語言為該顯示系統(tǒng)的編程語言。因此在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，編譯器必不可少。 3 系統(tǒng)硬件方案設(shè)計(jì) 硬件整體設(shè)計(jì)概述及功能分析 3D LED 光立方總體框圖如圖 所示。電路包括一個(gè) 51CUP 和一些外圍電路。單片機(jī)根據(jù)內(nèi)容和指令通過口驅(qū)動(dòng)8X8 LED 光立方顯示屏。顯示電路采用掃描方式進(jìn)行顯示時(shí)，每有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器，各的同名共用一個(gè)驅(qū)動(dòng)器。另一方而，根據(jù)各列， 圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總圖 電源供電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)，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。單片機(jī)最小系統(tǒng)包括時(shí)鐘電路和復(fù)位電路。單片機(jī)的內(nèi)部電路正是在時(shí)鐘信號(hào)的控制下，嚴(yán)格地按照時(shí)序執(zhí)行指令進(jìn)行工作。只要單片機(jī)的復(fù)位引腳 RST 上的復(fù)位信號(hào)要持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期（ 24 個(gè)時(shí)鐘周期）以上，使 AT89S52 單片機(jī)復(fù)位?！? 或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于 “死鎖”狀態(tài)時(shí)，也需要按復(fù)位鍵即 RST 腳為高電平，使 AT89S52 擺脫“跑飛”“死鎖”狀態(tài)而重新啟動(dòng)程序。本設(shè)計(jì)采用手動(dòng)按鍵電平復(fù)位方式，電路搭建圖見圖 。當(dāng)線圈斷電時(shí)，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(fù)與第一個(gè)觸點(diǎn)（常閉觸點(diǎn)）的接通，這 一過程稱為電磁繼電器的復(fù)位。整個(gè)繼電器由塑料或有機(jī)玻璃防塵罩保護(hù)著，有的還是全密封的，以防觸電氧化。 圖 電磁繼圖鎖存器 74L747 是一個(gè)八 D 邊沿觸發(fā)觸發(fā)器 三態(tài) 圖 LS574 的八個(gè)觸發(fā)器是邊沿觸發(fā) D 型觸發(fā)器。 三態(tài)總線驅(qū)動(dòng)輸出置數(shù)全并行存取緩沖控制輸入時(shí)鐘輸入有改善抗擾度的滯后作用時(shí)鐘線上的施密特觸發(fā)緩沖輸入將簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，因?yàn)檩斎霚笞饔檬菇涣骱椭绷骺箶_度一般提高 400mV。在高阻態(tài)下，輸出既不能有效地給總線加負(fù)載，也不能有效地驅(qū)動(dòng)總線。 八 D 鎖存器 74LS 當(dāng)三態(tài)允許控制端 OE 為低電平時(shí)， O0~O7 為正常邏輯狀態(tài)，可用來驅(qū)動(dòng)負(fù)載或總線。 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(shè)計(jì) 計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)或計(jì)算機(jī)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。 AT89S52 單片機(jī)具有全雙工串行 UART 通道，支持單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的串行傳輸。 RS232C 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了 PC 機(jī)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(shí)傳輸線上的電平在－ 3～－ 15V 之間；傳送數(shù)字“ 0”時(shí)，傳輸線上的電平在＋3～＋ 15 之間。串口通信系統(tǒng)電路 在通用的電平轉(zhuǎn)換芯片中 232 系列的芯片以集成度高，單＋ 5V 電源工作，只需外接 5個(gè)小電容即可完成 RS232C與 TTL電平之間的轉(zhuǎn)換而成為單片機(jī)系統(tǒng)中的常用芯片。本系統(tǒng)軟件編寫的程序可直接通過 PC 機(jī)的串行口，再經(jīng)過 232 電平轉(zhuǎn)換下載到單片機(jī)中，從而去執(zhí)行相應(yīng)的功能。 圖 串口通信系統(tǒng)電路圖 圖 一個(gè)層面 LED 搭建圖 圖 由面到體搭建圖 在單片機(jī)的口，然后把掃描送，就顯示的。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(gè)完整的，相對(duì)靜止的畫面。在電子領(lǐng)域中，因?yàn)檫@種動(dòng)態(tài)掃描顯示方式極大的縮減了發(fā)光單元的信號(hào)線數(shù)量，因此在 LED 顯示技術(shù)中被廣泛使用。其過程 圖用動(dòng)態(tài)掃描顯示字符“ B”的過程 概述 軟件設(shè)計(jì)包括主程序、顯示程序軟件功能結(jié)構(gòu)框圖。首先分析 程序所要實(shí)現(xiàn)的功能，程序要實(shí)現(xiàn)靜態(tài)顯示動(dòng)態(tài)顯示。主程序的工作流程圖 4 圖主程序流程圖 程序開始時(shí)首先必須對(duì)單片機(jī)進(jìn)行初始化，其中初始化的內(nèi)容包括：中斷優(yōu)先級(jí)的設(shè)定，中斷初始化，串行通信時(shí)通信方式的選擇和波特率的設(shè)定，各 IO口功能的設(shè)定等。各子程序編譯沒有錯(cuò)誤后再單片機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證，這兩項(xiàng)都通過后再將所有的程序整合到一起形成一個(gè)完整的程序再進(jìn)行編譯和驗(yàn)證。先選通列然后再從行送入對(duì)應(yīng)列的數(shù)據(jù)，這樣從第 1 列到第列循環(huán)往復(fù)，只要切換的速度足夠的快利用人眼的延時(shí)特性就可以看見一幅穩(wěn)定的畫面。將對(duì)