基于單片機(jī)的光立方設(shè)計(jì)



目  錄


摘要1
Abstract2
前言3
第1章  緒論4
第1.1節(jié) 開(kāi)發(fā)背景4
第1.2節(jié) 本文所作的工作4
第2章  系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)5
第2.1節(jié) 光立方控制原理5
第2.2節(jié) 系統(tǒng)總體硬件方案選擇6
2.2.1核心控制器6
2.2.2 電源電路7
2.2.3 層面控制驅(qū)動(dòng)電路7
2.2.4 LED燈選型7
2.2.5編譯器選擇8
第3章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)9
第3.1節(jié)硬件電路設(shè)計(jì)9
3.1.1　單片機(jī)介紹9
第3.2節(jié) 總控制電路設(shè)計(jì)10
3.2.1　復(fù)位電路11
3.2.2　晶振電路12
3.2.3　供電系統(tǒng)及電源接口設(shè)計(jì)13
3.2.4　層控制電路設(shè)計(jì)13
3.2.5　行列選擇電路設(shè)計(jì)14
3.2.6 程序下載電路設(shè)計(jì)14
第3.3節(jié) LED 光立方焊接方法15
第4章　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)18
第4.1節(jié) 軟件編譯流程18
第4.2節(jié) 軟件設(shè)計(jì)流程22
第4.3節(jié) 顯示程序設(shè)計(jì)23
4.3.1　光立方動(dòng)態(tài)顯示原理23
4.3.2　顯示程序的設(shè)計(jì)23
第5章　系統(tǒng)調(diào)試與分析25
第5.1節(jié) 硬件調(diào)試25
第5.2節(jié) 軟件調(diào)試25
結(jié)論26
參考文獻(xiàn)27
致  謝28
附錄 光立方實(shí)物圖29
 
摘要
LED光立方是由512個(gè)LED燈組成的立方體，其有8行8列8層LED燈構(gòu)成。光立方使用的主控芯片宏晶科技公司生產(chǎn)的STC89C52單片機(jī)，使用ULN2803達(dá)林頓管芯片作為L(zhǎng)ED燈的層驅(qū)動(dòng)電路，使用74HC573鎖存器芯片作為L(zhǎng)ED燈的列驅(qū)動(dòng)電路。整篇文章介紹了LED光立方的原理，方案選擇、電路設(shè)計(jì)和軟硬件調(diào)試等內(nèi)容，完整的介紹了整個(gè)系統(tǒng)的制作過(guò)程。整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行起來(lái)，能呈現(xiàn)出一個(gè)3D立體的動(dòng)畫(huà)效果，從而顯示出更加豐富多彩的畫(huà)面，打破了以前傳統(tǒng)的平面顯示方案，為將來(lái)LED燈技術(shù)發(fā)展提供了方向。
關(guān)鍵詞：STC89C52，光立方，LED，ULN2803，74HC573
                                                  
 
Abstract
LED Light Cube is a cube composed of 512 LED lights, which has 8 rows of 8 columns and 8 layers of LED lamp. The main chip used by the optical cube Acer Technology STC89C52 microcontroller, the use of ULN2803 Darlington tube chip as a layer of LED lamp drive circuit, the use of 74HC573 latch chip as a column LED driver circuit. The whole article describes the principle of LED light cube, program selection, circuit design and hardware and software debugging and other content, a complete introduction to the whole system of the production process. The whole system to run up and can show a 3D three-dimensional animation, which shows a more colorful picture, breaking the previous flat-panel display program for the future development of LED light technology provides a direction.
Keywords:  STC89C52, light cube, LED, ULN2803, 74HC573


 
前言
LED點(diǎn)陣早已融入到我們生活中，走在大街上到處都可以看見(jiàn)顯示各種文字、圖案的LED顯示屏，人們?cè)缫芽磻T了那種平面顯示的廣告了。如何對(duì)LED屏進(jìn)行創(chuàng)新，重新吸引人們的眼球呢？聯(lián)想到現(xiàn)在的3D電影，3D電影給人們帶來(lái)了視覺(jué)上的享受，如身臨其境的感覺(jué)。從圖書(shū)館和網(wǎng)上查找LED燈的資料，了解到LED燈的技術(shù)特點(diǎn)：一是使用壽命長(zhǎng)，單個(gè)LED燈壽命長(zhǎng)達(dá)10萬(wàn)小時(shí)，二是節(jié)能，LED燈功耗非常低，三是基本沒(méi)有電磁輻射。 LED燈還具有比數(shù)碼管具有實(shí)用、便宜、高亮度等特點(diǎn)，并且做出了LED顯示屏非常耐用。 LED燈具還具有低工作電壓、低功耗、高亮度、長(zhǎng)壽命、性能穩(wěn)定、小型化和抗沖擊等優(yōu)點(diǎn)。目前，光立方已經(jīng)用于娛樂(lè)室、會(huì)議室、家庭、大型音樂(lè)會(huì)、地標(biāo)等城市布局和裝飾的地方，也可以用于更廣闊的領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。




第1章  緒論
第1.1節(jié) 開(kāi)發(fā)背景
在09年10月1日，建國(guó)60周年的國(guó)慶晚會(huì)上，導(dǎo)演像人們展示了美輪美奐的光立方，該光立方由4028顆發(fā)光樹(shù)組成。其漂亮的造型，優(yōu)美的表演，給人們留下了深刻的映像。而傳統(tǒng)的LED顯示屏只能顯示寫(xiě)平面文字和圖案，全國(guó)有好多家生產(chǎn)傳統(tǒng)顯示屏的廠(chǎng)家，但是生產(chǎn)的顯示屏都是大同小異，沒(méi)有創(chuàng)新。設(shè)計(jì)將打破傳統(tǒng)的屏幕顯示方法，LED光立方顯示色彩鮮艷，立體感強(qiáng)，可廣泛應(yīng)用于大型晚會(huì)、演唱會(huì)、廣告公司、酒店和車(chē)站等公共場(chǎng)所，相比于傳統(tǒng)顯示屏，肯定會(huì)深受廣大人民群眾的歡迎。
第1.2節(jié) 本文所作的工作
本次設(shè)計(jì)一個(gè)由512個(gè)LED燈組成的8*8*8光立方，整個(gè)設(shè)計(jì)的電路由六部分組成：電源電路、單片機(jī)最小系統(tǒng)電路、程序下載電路、行驅(qū)動(dòng)電路、列驅(qū)動(dòng)電路和顯示電路等。主控芯片選用宏晶科技公司生產(chǎn)的STC89C52單片機(jī)，電源芯片采用LM2596-5 DC-DC降壓芯片，列驅(qū)動(dòng)電路采用8個(gè)74HC573鎖存器芯片，行驅(qū)動(dòng)電路采用ULN2803達(dá)林頓管芯片，顯示電路為512個(gè)LED燈組成的8*8*8立方體。設(shè)計(jì)還包括電路焊接、程序編寫(xiě)及軟硬件的調(diào)試燈工作。
設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容:
1、選擇每個(gè)模塊的設(shè)計(jì)方案。
2、設(shè)計(jì)每個(gè)模塊的工作電路。
3、焊接電路。
4、編寫(xiě)程序，實(shí)現(xiàn)光立方需要顯示的視覺(jué)效果。




第2章  系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)
第2.1節(jié) 光立方控制原理
LED光立方由512個(gè)LED燈組成，其每層有8行8列總共64個(gè)LED燈，總共有8層。每層的64個(gè)LED燈陰極接一起然后與8個(gè)74HC573鎖存器芯片的輸出端相連，然后每層陽(yáng)極接到一起，與UNL2803達(dá)林頓管芯片的輸出端相連。
其顯示原理如下，先通過(guò)單片機(jī)控制ULN2803芯片的某個(gè)引腳輸出高電平，控制光立方的第一層，然后用控制74HC573鎖存器芯片來(lái)控制哪幾列的燈亮，然后給個(gè)5mS的延時(shí)，在把ULN2803芯片的另外引腳輸出高電平，然后在來(lái)控制74HC573鎖存器芯片。如此快速的切換芯片的高低電平輸出，就達(dá)到了動(dòng)態(tài)顯示的效果。其中有個(gè)人眼視覺(jué)暫留原理，人眼的分辨率是每秒24幀，當(dāng)我LED燈切換速度足夠快，在人眼看了，那就是一立體的畫(huà)面了。


























圖一、光立方立體效果圖






 




圖二、光立方面效果圖
本節(jié)主要講系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案論證，從多方面角度對(duì)系統(tǒng)所使用的芯片進(jìn)行分析比較，最后經(jīng)仔細(xì)研究確定使用的器件、編程軟件和電路圖繪制軟件的選擇。
第2.2節(jié) 系統(tǒng)總體硬件方案選擇
2.2.1核心控制器
控制器是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，其功能控制I/ O輸出高低電平，從而控制LED燈的亮滅，實(shí)現(xiàn)各種不同的動(dòng)畫(huà)效果。其常用的電子設(shè)計(jì)控制芯片有單片機(jī)和FPGA。
方案一：?jiǎn)纹瑱C(jī)
單片機(jī)是一種集成電路芯片，內(nèi)部集成了ROM、RAM、定時(shí)器等很多功能，在日常生活中，我們常用的電子產(chǎn)品、家用電器里面都離不開(kāi)單片機(jī)的控制。目前單片機(jī)種類(lèi)眾多，型號(hào)有8位單片機(jī)，16位單片機(jī)，32位單片機(jī)和64位單片機(jī)。有些單片機(jī)上集成了A/D，D/A，LCD驅(qū)動(dòng)，USB驅(qū)動(dòng)、SD卡驅(qū)動(dòng)、函數(shù)發(fā)生器，PWM波等等功能，而且他們價(jià)格高低不同，開(kāi)發(fā)者可以根據(jù)項(xiàng)目的需求選擇合適價(jià)格和功能的單片機(jī)。
方案二：FPGA
FPGA是一種可以編程的硬件芯片，使用Verilog語(yǔ)音能對(duì)它進(jìn)行編程，能夠?qū)崿F(xiàn)很多硬件的功能。FPGA可以實(shí)現(xiàn)硬件并行工作，在實(shí)時(shí)測(cè)量和控制以及高速應(yīng)用領(lǐng)域具有光明的未來(lái)。但是FPGA開(kāi)發(fā)難度大，成本高，LED光立方系統(tǒng)中用FPGA來(lái)開(kāi)發(fā)很不劃算。
綜上所述，兩種方案都可以通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)對(duì)光立方的控制，但是單片機(jī)的技術(shù)門(mén)檻低，只需要懂C語(yǔ)言就能進(jìn)行開(kāi)發(fā)，而且單片機(jī)開(kāi)發(fā)成本低，一般芯片只需要幾塊錢(qián)就能買(mǎi)到，相比FPGA動(dòng)輒幾百幾千的芯片，其成本可以忽略不計(jì)了。現(xiàn)在市場(chǎng)上常用的單片機(jī)主要有8位單片機(jī)MCS-51、STM8 和STC，16位單片機(jī) MSP430，32位單片機(jī)STM32等。目前使用最廣泛的單片機(jī)是ATMEL公司的51系列單片機(jī)，其產(chǎn)品硬件結(jié)構(gòu)合理，指令系統(tǒng)規(guī)范，很多教材都是以51系列單片機(jī)作為模板來(lái)講解的。綜上所述，該系統(tǒng)使用STC89C52單片機(jī)來(lái)控制。
2.2.2 電源電路
方案一：LED光立方系統(tǒng)使用LM7805線(xiàn)性穩(wěn)壓電路給系統(tǒng)供電，先通過(guò)適配器把市電降壓輸入到電路，然后在把降壓后的電源輸入到LM7805線(xiàn)性穩(wěn)壓電路為整個(gè)系統(tǒng)供電。LM7805芯片的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定，但是降壓的效率比較低，只有50%左右，發(fā)熱量大，考慮到系統(tǒng)功耗會(huì)比較大，長(zhǎng)時(shí)間工作會(huì)浪費(fèi)電能，因此不采用此芯片
方案二：LED光立方系統(tǒng)使用LM2596-5 DC-DC降壓電路給系統(tǒng)供電，先通過(guò)適配器把市電降壓輸入到電路，然后在把降壓后的電源輸入到LM2596-5降壓為整個(gè)系統(tǒng)供電。LM2596-5的降壓效率為85%，效率高，滿(mǎn)足系統(tǒng)的功耗要求。
綜上所述，選擇LM2596-5降壓芯片加適配器的方式為光立方系統(tǒng)供電。
2.2.3 層面控制驅(qū)動(dòng)電路
方案一：采用八個(gè)NPN三極管（型號(hào)：S8050），使用三極管來(lái)放大電流，雖然這種方法可以達(dá)到驅(qū)動(dòng)LED燈層的目的，但是此方法是才有的分立元器件，增加了板子的面積帶來(lái)成本的增加，而且布線(xiàn)麻煩，焊接時(shí)也容易出錯(cuò)，穩(wěn)定性差，因此不采用此方案。
方案二：使用芯片ULN2803，該芯片內(nèi)部有八個(gè)NPN型達(dá)林頓管，能驅(qū)動(dòng)大電流設(shè)備，可以滿(mǎn)足512個(gè)LED燈的功耗。而且用一個(gè)芯片替代八個(gè)NPN三極管，不僅體積變小了，節(jié)約了成本，簡(jiǎn)化了電量，還提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
綜上所述，選擇ULN2803芯片來(lái)作為層驅(qū)動(dòng)電路。
2.2.4 LED燈選型
方案一：使用草帽型LED燈，但是這種燈光源發(fā)散很?chē)?yán)重，點(diǎn)亮?xí)r會(huì)影響周?chē)腖ED燈，會(huì)降低視覺(jué)效果，影響光立方整體顯示的性能。
方案二：使用方形高亮LED燈，這種燈工作電流為2mA至10mA。方形LED燈聚光效果好，即使所有燈全部工作，也不會(huì)影響整體顯示效果。
綜上所述，采用方形的LED燈來(lái)顯示。
  
圖2-2 左邊為方形LED燈，右邊為草帽型LED燈
2.2.5編譯器選擇
方案一：使用偉福WAVA600編譯器，該編譯器是專(zhuān)門(mén)用來(lái)編譯匯編程序的軟件，同時(shí)該軟件有個(gè)配套使用的仿真器，該仿真器可以當(dāng)做單片機(jī)來(lái)使用，還可以通過(guò)偉福軟件來(lái)選擇需要仿真的單片機(jī)型號(hào)。偉福軟件可以對(duì)匯編程序進(jìn)行單步調(diào)試，方便查找程序問(wèn)題。但是該軟件只能使用匯編來(lái)編寫(xiě)，匯編程序本身就比較復(fù)雜難懂，需要熟悉每條指令的含義，對(duì)于編寫(xiě)光立方程序，難度太大了。而且配套的仿真器價(jià)格比較貴，一套好的仿真器價(jià)格需要1000多，成本太高。
方案二：使用Keil編譯器，Keil是由ARM公司開(kāi)發(fā)的一款單片機(jī)編程的軟件，該軟件支持51系列、stm32系列等多種型號(hào)單片機(jī)，支持多種該軟件支持C語(yǔ)音開(kāi)發(fā)和匯編語(yǔ)音開(kāi)發(fā)，或者C語(yǔ)音和匯編語(yǔ)音混合開(kāi)發(fā)。該軟件能支持單片機(jī)軟件仿真和軟硬件在線(xiàn)實(shí)調(diào)試，但是對(duì)于51系列單片機(jī)只支持軟件仿真，51系列單片機(jī)不支持在線(xiàn)調(diào)試。
綜上所述，選擇Keil編譯器來(lái)編寫(xiě)程序，Keil使用方便，功能強(qiáng)大，且C語(yǔ)音可讀性和可移植型都比匯編語(yǔ)音強(qiáng)。
2.2.6電路設(shè)計(jì)軟件選擇
方案一：使用Multisim軟件來(lái)設(shè)計(jì)電路圖，該軟件是用來(lái)進(jìn)行模擬和數(shù)字電路仿真的，可以用來(lái)繪制原理圖，但是這款軟件的功能是偏仿真使用的，對(duì)繪制電路圖的功能不是很強(qiáng)大。
方案二：使用Altium Designer軟件來(lái)設(shè)計(jì)電路圖，該軟件不僅可以制作原理圖，設(shè)計(jì)PCB電路板，而且可以對(duì)原理圖電路進(jìn)行仿真調(diào)試，在實(shí)際工作中，很多公司都用這款軟件來(lái)設(shè)計(jì)電路，深受廣大電子工程師的喜愛(ài)。
綜上所述，使用Altium Designer軟件來(lái)設(shè)計(jì)本系統(tǒng)電路圖。


第3章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
第3.1節(jié)硬件電路設(shè)計(jì)
系整個(gè)系統(tǒng)由STC89C52單片機(jī)、電源模塊、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、行驅(qū)動(dòng)電路、列驅(qū)動(dòng)電路和512個(gè)LED燈組成，其原理圖如圖3-1所示。
 
圖3-1　系統(tǒng)原理圖 
3.1.1　單片機(jī)介紹
STC89C52單片機(jī)是宏晶科技公司研發(fā)的一款高性能8位單片機(jī)。STC89C52單片機(jī)使用的是51的內(nèi)核，它的指令集和I/O口與MSC-51單片機(jī)是完全兼容的。
STC89C52系列單片機(jī)主要特性如下：
(1)工作電壓：5 V
 (2)用戶(hù)應(yīng)用程序空間（Flash）為8K。
(3)隨機(jī)存儲(chǔ)控件（RAM）為512字節(jié)。
(4) 有32個(gè)通用I/O端口，單片機(jī)復(fù)位后，所有的I/O口的狀態(tài)，是一個(gè)準(zhǔn)雙向口/弱上拉狀態(tài)。P0口為開(kāi)漏輸出，用作地址擴(kuò)展總線(xiàn)時(shí)，不需要加上拉電阻，用作普通I/O 口使用時(shí)，需要加上拉電阻。
(5)單片機(jī)總共3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，分別是定時(shí)器T0、T1、T2。
單片機(jī)STC89C52引腳圖如圖3-2所示：
 
圖3-2　STC89C52引腳圖 
單片機(jī)P0口是一個(gè)漏極開(kāi)路的8位雙向I/O口。在作為輸出端口時(shí)，每個(gè)引腳需要外接一個(gè)上拉電阻才能輸出高電平，否則只能輸出高組態(tài)，會(huì)影響電路正常工作。
P1、P2、P3口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。
P3口除作為一般I/O口外，還有其他一些復(fù)用功能，如表3-1所示。P3口除了具有MSC-51單片機(jī)功能外，其P3.0、P3.1口在STC系列單片機(jī)里面還具有下載程序的功能。
表3-1　P3口引腳復(fù)用功能


第3.2節(jié) 總控制電路設(shè)計(jì)
圖3-3為單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖?？偪刂齐娐分饕呻娫措娐?、復(fù)位電路和晶振電路組成。單片機(jī)STC89C52加電時(shí)，需要進(jìn)行復(fù)位操作，復(fù)位后STC89C52的工作環(huán)境配置成初始狀態(tài)，并從程序的開(kāi)始進(jìn)行運(yùn)行。RST引腳接復(fù)位電路，本系統(tǒng)采用12MHz的外部晶振電路。
 
圖3-3　單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖
3.2.1　復(fù)位電路
STC89C52單片機(jī)是高電平復(fù)位，至少需要給單片機(jī)的復(fù)位腳提供24個(gè)晶振震蕩周期的時(shí)間，單片機(jī)才能復(fù)位。
單片機(jī)常用的復(fù)位電路有兩種，一種是手動(dòng)復(fù)位，另一種是上電復(fù)位。
上電復(fù)位電路是單片機(jī)的復(fù)位腳接一個(gè)1uF電容到電源上，同時(shí)接一個(gè)10K電阻到地。當(dāng)系統(tǒng)上電以后，電源給電容充電，電路導(dǎo)通，單片機(jī)的復(fù)位腳是高電平，單片機(jī)復(fù)位。然后等電容充滿(mǎn)電后，電容就相當(dāng)于短路了，單片機(jī)的復(fù)位腳接地是低電平，單片機(jī)就能工作了。
手動(dòng)復(fù)位是在上電復(fù)位電路的基礎(chǔ)上再電源和復(fù)位腳之間接一個(gè)按鍵（也就是在電容上并一個(gè)按鍵）。在單片機(jī)正常工作時(shí)，如果系統(tǒng)需要復(fù)位，就把此按鍵按下。這時(shí)電容短路，單片機(jī)復(fù)位腳是高電平，系統(tǒng)復(fù)位。等系統(tǒng)復(fù)位后，在把按鍵松開(kāi)，電源和復(fù)位腳之間又?jǐn)嚅_(kāi)了，復(fù)位腳為低電平，單片機(jī)正常工作。
本電路采用的是手動(dòng)復(fù)位電路，其復(fù)位電路如圖3-4所示。
 
圖3-4　復(fù)位電路原理圖
3.2.2　晶振電路
每個(gè)單片機(jī)運(yùn)行都需要一個(gè)基準(zhǔn)的時(shí)鐘源，單片機(jī)所有的指令執(zhí)行時(shí)間都是以這時(shí)鐘源來(lái)決定的，時(shí)鐘頻率越高，單片機(jī)執(zhí)行的速度就越快。但是單片機(jī)也有個(gè)上限時(shí)鐘頻率，STC89C52的最快時(shí)鐘頻率是40MHz。
單片機(jī)的時(shí)鐘源我們常稱(chēng)為晶振，晶振可以分為無(wú)源晶振電路和有源晶振電路。有源晶振只需要給晶振提供電源，晶振就能自己起振產(chǎn)生時(shí)鐘頻率，然后輸入到單片機(jī)的XTAL0腳，單片機(jī)就能工作了。無(wú)源晶振它本身不能自己起振，需要外接電路才能起振工作。一般是在晶振兩端接兩個(gè)20pF的小電容，然后把晶振兩端分別接到單片機(jī)的18腳和19腳（即XTAL0和XTAL1兩個(gè)引腳），在單片機(jī)上電后，晶振與單片機(jī)內(nèi)部的震蕩電路連接到一起，晶振電路就能夠起振，單片機(jī)就能正常工作。
本電路采用的是無(wú)源晶振，使用一個(gè)12MHz的晶振加兩個(gè)20pF的電容，接到單片機(jī)的XTAL0和XTAL1兩個(gè)引腳上，晶振電路如圖3-5所示。
 
     圖3-5 復(fù)位電路原理圖
3.2.3　供電系統(tǒng)及電源接口設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)供電方式使用12V的電源適配器，先把市電降到12V，然后通過(guò)DC-DC降壓芯片，把12V電源降壓成5V電源。5V電源一方面用來(lái)給單片機(jī)最小系統(tǒng)供電，另外一方面給ULN2803達(dá)林頓管、74HC573鎖存器芯片供電和LED燈供電，電源電路如圖3-6所示。


 
圖3-6　系統(tǒng)供電原理圖
LM2596-5芯片1號(hào)腳如電源輸入端，2號(hào)腳為輸出端，3號(hào)腳和6好腳接地，4號(hào)腳接電源輸出反饋，L1電感為儲(chǔ)能電感，D2二極管為續(xù)流二極管，整個(gè)電路上電以后，電路中的電容是整流濾波用的，就能把12V電壓將到5V去。
3.2.4　層控制電路設(shè)計(jì)
UNL2803達(dá)林頓管芯片用來(lái)控制光立方的層亮滅，單片機(jī)的P3.0~P3.7分別接到ULN2803的1~8號(hào)腳，ULN的11~18號(hào)腳接一個(gè)限流電阻后接到光立方的沒(méi)一層共陽(yáng)引腳上。如果單片機(jī)的P3口輸出低電平時(shí)，ULN2803芯片內(nèi)部的達(dá)林頓管截止，OUT腳輸出低電平。如果單片機(jī)的P3口輸出高電平是，ULN2803芯片內(nèi)部的達(dá)林頓管導(dǎo)通，輸出高電平，然后驅(qū)動(dòng)LED燈亮。UNL2803層驅(qū)動(dòng)如圖3-7所示。
 
圖3-7　ULN層驅(qū)動(dòng)原理圖
3.2.5　行列選擇電路設(shè)計(jì)
電路采用8個(gè)74HC573鎖存器芯片來(lái)控制LED每層哪些行列的燈亮滅。單片機(jī)的P1.0~P1.7口分別與8個(gè)74HC573鎖存器芯片的每個(gè)使能端口相連，用來(lái)控制選擇對(duì)應(yīng)的74HC573工作，然后單片機(jī)的P0.0~P0.7口與每個(gè)74HC573鎖存器芯片D0~D7腳相連，74HC573的O0~O7與LED每層的行列相連。74HC573原理如圖3-8所示。電路設(shè)計(jì)時(shí)，在每個(gè)74HC573芯片的電源和地之間，都加了一個(gè)陶瓷電容，用了濾除電源里面的高頻干擾，增加芯片的穩(wěn)定性。
 
圖3-8　行列控制原理圖
3.2.6 程序下載電路設(shè)計(jì)
STC系列的單片機(jī)都是采用單片機(jī)的P3.0和P3.1兩個(gè)接口來(lái)下載程序到單片機(jī)的，因此把STC89C52單片機(jī)的兩個(gè)引腳引出來(lái)，然后在與串口模塊相連，注意串口模塊與下載接口相連時(shí)，接線(xiàn)順序是模塊電源與接口電源相連，模塊地與接口地相連，模塊的RX與接口的TX相連，模塊的TX與接口的RX相連。其程序下載電路如圖3-9所示。
 
圖3-9　程序下載電路原理圖
第4章　LED 光立方焊接
第4.1節(jié) LED 彎曲方法 
LED光立方在焊接時(shí)，為了整體的美觀(guān)性，使用LED燈的引腳來(lái)進(jìn)行搭接，也就是直接把LED燈引腳首尾焊接到一起，而不用額外的器件來(lái)做支架。
為了方便焊接和整體的美觀(guān)性，將所有LED燈的陰極用鉗子彎曲90度，如圖3-10所示。





















圖4-1　LED燈彎曲效果圖
第4.2節(jié) LED 線(xiàn)焊接方法 
找塊泡沫板，在上面畫(huà)出面積大小為15*15cm的區(qū)域，在這區(qū)域里面孔均勻的打8*8總共64個(gè)點(diǎn)，在根據(jù)LED的大小來(lái)打孔。然后把用鉗子弄好的LED燈放八個(gè)一排，插入到打好的孔內(nèi)，在把8個(gè)LED燈的陽(yáng)極焊接到一起，如此重復(fù)焊接，總共需要焊64條LED燈。8個(gè)LED燈焊接效果如圖3-11所示。
































圖4-2  LED一排效果圖
第4.3節(jié) LED 面焊接方法 
把焊接好的LED燈燈條擺在桌子上，來(lái)進(jìn)行LED陰極的焊接，控制好LED直接的距離。如此重復(fù)焊接，總共需要焊8個(gè)LED層面，一層LED的焊接圖如圖3-12所示。




























圖4-3  LED一層效果圖
第4.4節(jié) LED 立方體焊接方法 
先在洞洞板上完成單片機(jī)、電源、ULN2803和74HC573芯片的焊接，然后在焊接LED燈的固定腳，固定腳直接的間距要跟前面泡沫板設(shè)計(jì)的間距一樣，否則LED燈是插不上去的。
然后將所有焊好的LED燈層面垂直的插入到洞洞板上，把每一層的陽(yáng)極陰極焊到一起，在通過(guò)8跟導(dǎo)線(xiàn)把每層的陽(yáng)極接到板子的ULN2803輸出陰極上，由面到體的效果圖如圖3-13。
























圖4-4  LED立方體效果圖




第5章　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
第4.1節(jié) 軟件編譯流程
1、本次設(shè)計(jì)使用的編程軟件是ARM公司開(kāi)發(fā)的Keil uVision4。先從網(wǎng)上下載Keil軟件，在對(duì)其進(jìn)行破解，如果不對(duì)軟件進(jìn)行破解，軟件會(huì)對(duì)代碼的大小進(jìn)行限制，當(dāng)代碼超出限制范圍，程序就會(huì)報(bào)錯(cuò)，因此需要先對(duì)其破解后在使用。


 
圖4-1  keil軟件破解
2、軟件破解后，先點(diǎn)擊軟件上方的Project，然后在點(diǎn)擊new 按鈕，就會(huì)彈出圖4-2所示界面，把工程放到一個(gè)文件夾里面，并設(shè)置一個(gè)名字。
 
圖4-2  新建工程界面
3、工程建好以后，軟件會(huì)彈出圖4-3所示界面，用來(lái)選擇單片機(jī)型號(hào)，本設(shè)計(jì)采用的是STC89C52單片機(jī)，它的資源跟AT89C52單片機(jī)型號(hào)是差不多的，在這里選擇AT89C52單片機(jī)即可。


 
圖4-3  選擇單片機(jī)型號(hào)界面
4、在單片機(jī)型號(hào)選好以后，我們就可以來(lái)寫(xiě)程序了，先要新建一個(gè)后綴為“.c”的文件，我們所有的程序都是在這個(gè)文件里面編寫(xiě)的。點(diǎn)擊軟件左上角的新建文件按鈕，然后點(diǎn)擊保存按鈕，把該文件保存到剛才建立的工程里面，文件名寫(xiě)為“main.c”。
 
圖4-4  新建main.c文件
5、文件建好以后，點(diǎn)軟件左邊圖4-5所示地方，把剛才新建的“main.c”文件添加到工程中去。
 
圖4-5  添加main.c文件到工程
6、一切準(zhǔn)備就緒后，就可以寫(xiě)程序了，在程序?qū)懞靡院?，點(diǎn)擊軟件上的編譯按鈕，軟件就會(huì)對(duì)程序自動(dòng)進(jìn)行編譯，同時(shí)會(huì)把編譯的結(jié)果顯示在軟件的下方。當(dāng)編譯出錯(cuò)，就根據(jù)編譯的錯(cuò)誤提示來(lái)進(jìn)行程序修改，知道程序完全編譯通過(guò)為止。
 
圖4-6  新建main.c文件
7、程序在編譯完成后，點(diǎn)擊軟件Target Option按鈕。再點(diǎn)擊Output按鈕，把Create HEX File給勾選上，這個(gè)地方是讓軟件把程序編譯后的結(jié)果生成為.Hex文件，這個(gè)文件就是我們需要的程序文件，通過(guò)燒寫(xiě)工具把這個(gè)文件燒入單片機(jī)里面，單片機(jī)就能運(yùn)行了。
 
圖4-7  新建main.c文件
8、在編譯好程序后，把串口模塊一端接到單片機(jī)的程序下載口，另一端接到電腦上，然后打開(kāi)STC-ISP軟件，按下圖4-8進(jìn)行配置，然后就可以把程序下載到單片機(jī)里面了。
 
圖4-8 程序燒寫(xiě)軟件
第4.2節(jié) 軟件設(shè)計(jì)流程
單片機(jī)程序運(yùn)行的流程如下，首先是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，主要是對(duì)T0定時(shí)器的初始化，T0定時(shí)器主要是用來(lái)給系統(tǒng)定時(shí)使用的。然后是對(duì)光立方初始化，主要是對(duì)控制ULN2803芯片和74HC573鎖存器芯片的I/O口進(jìn)行初始化，然后對(duì)跟顯示相關(guān)的數(shù)組進(jìn)行賦值。燈初始化完成以后，單片機(jī)就會(huì)進(jìn)入死循環(huán)，不斷的切換顯示的圖片和動(dòng)畫(huà)效果。主程序的流程圖如圖4-9所示。
















 












































圖4-9　主程序流程圖
第4.3節(jié) 顯示程序設(shè)計(jì)
4.3.1　光立方動(dòng)態(tài)顯示原理
單片機(jī)每次只能給一層上面的一個(gè)74HC573鎖存器寫(xiě)數(shù)據(jù)，而整個(gè)系統(tǒng)由8個(gè)鎖存器和8層，要想讓人眼看到一個(gè)立體畫(huà)面，就需要單片機(jī)給74HC573寫(xiě)完數(shù)據(jù)后，延時(shí)段時(shí)間，馬上給下一個(gè)74HC573寫(xiě)入數(shù)據(jù)，如此重復(fù)，而且速度要快，才能看到一個(gè)立體的畫(huà)面。
4.3.2　顯示程序的設(shè)計(jì)
      




























 圖4-10　LED動(dòng)態(tài)顯示流程圖
顯示動(dòng)畫(huà)，首先要把要顯示的74HC573鎖存器的片選選中，然后把數(shù)據(jù)輸出到P0，74HC573鎖存器就是把數(shù)據(jù)顯示出來(lái)，然后單片機(jī)選中下一個(gè)74HC573鎖存器的片選，在把新的數(shù)據(jù)輸出到P0口，如此操作，直到把所有要顯示的數(shù)據(jù)都輸出到P0口，就顯示完成了。
第5章　系統(tǒng)調(diào)試與分析
第5.1節(jié) 硬件調(diào)試
5.1.1 LED燈測(cè)試
  LED燈在焊接過(guò)程中很容易別烙鐵的靜電焊壞，為了防止烙鐵的靜電干擾，在焊接過(guò)程中，需要把烙鐵頭接地。同時(shí)為了確保每個(gè)LED燈都是好的，把每8個(gè)LED燈焊成一條，然后用萬(wàn)用表測(cè)試燈是不是好的，如果有LED燈不亮，就用烙鐵焊下來(lái)，重新?lián)Q個(gè)新燈。
5.1.2 在整個(gè)系統(tǒng)焊接完成以后，不要急于上電，以免短路燒壞芯片。要先檢查板子看有沒(méi)有短路、短路、虛焊的地方。在檢查確認(rèn)沒(méi)有問(wèn)題后，在上電試下。
第5.2節(jié) 軟件調(diào)試
在硬件全部焊接完成以后，就按照第4章寫(xiě)的方法來(lái)把代碼燒寫(xiě)到STC89C52中。先編寫(xiě)程序，把所有ULN2803輸出高電平，然后把所有的74HC573鎖存器輸出低電平，讓所有的LED燈都亮，來(lái)測(cè)試檢測(cè)電路和所有的燈是不是正常的。
1、測(cè)試中發(fā)現(xiàn)燈都沒(méi)有亮，檢查程序，發(fā)現(xiàn)程序里面定義的引腳和電路中使用的引腳不一樣，在修改引腳定義后，所有燈能正常亮了。
2、在程序編寫(xiě)好后，測(cè)試動(dòng)畫(huà)效果，發(fā)現(xiàn)有兩層燈是同時(shí)亮的，檢查后發(fā)現(xiàn)原來(lái)是ULN2803芯片有兩個(gè)腳短路了，在把他們重新焊接以后，測(cè)試就正常了。




結(jié)論
經(jīng)過(guò)一個(gè)多月的設(shè)計(jì)，終于是把整個(gè)光立方系統(tǒng)完成了，整個(gè)制作過(guò)程中遇到困難多的數(shù)不勝數(shù)，其中的汗水與快樂(lè)只有自己能體會(huì)。當(dāng)看著自己親手做的第一個(gè)作品，心里還是挺自豪的。
此次設(shè)計(jì)，把我在課堂上所學(xué)到的單片機(jī)知識(shí)、C語(yǔ)言知識(shí)、模電知識(shí)和數(shù)據(jù)知識(shí)都用到了。使我對(duì)自己所學(xué)的知識(shí)有了深刻的理解，鞏固了大學(xué)四年所學(xué)的知識(shí)，為我將來(lái)畢業(yè)后工作，打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
在選了光立方這個(gè)題目后，我是有些茫然的，不知道怎樣開(kāi)始設(shè)計(jì)。在老師的指導(dǎo)下，我先從網(wǎng)上搜集資料，看別人是怎樣制作光立方的。先找資料理解光立方的工作原理，在原理理解了后，在自己動(dòng)手來(lái)設(shè)計(jì)原理圖。但是之前沒(méi)有使用過(guò)Altium Designer 09這軟件，就在網(wǎng)上找視頻資料，對(duì)著視頻來(lái)學(xué)習(xí)怎樣畫(huà)原理圖，怎樣設(shè)計(jì)電路。軟件學(xué)好了以后，就找資料來(lái)設(shè)計(jì)原理圖，對(duì)有些模塊電路不理解的地方，我是找同學(xué)幫忙分析電路。
原理圖設(shè)計(jì)出來(lái)后，就是購(gòu)買(mǎi)材料，然后焊接電路了。512個(gè)LED燈焊起來(lái)可不是件容易的事，經(jīng)常會(huì)把LED燈給焊壞，然后需要把它拆了在重新焊，焊燈就花了好長(zhǎng)的時(shí)間才完成。燈焊好了，就是焊芯片了，那么多的導(dǎo)線(xiàn)，經(jīng)常是焊著這里斷了那里，就這么一點(diǎn)一點(diǎn)的給焊完了。
硬件搭好以后，就需要寫(xiě)程序來(lái)進(jìn)行調(diào)試了。Keil編程軟件之前也沒(méi)有使用過(guò)，還是先從學(xué)習(xí)軟件開(kāi)始。怎樣建工程，怎樣編譯程序，怎樣解決程序里面的錯(cuò)誤。還好網(wǎng)上有些好心人分享了他們制作光立方的程序，我把他們的程序下載下來(lái)，然后根據(jù)自己的引腳來(lái)進(jìn)行修改，調(diào)試了幾天，程序就跑通了，光立方可以顯示圖案了。
通過(guò)這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)，我理解到，光學(xué)習(xí)理論，不實(shí)踐是不行的，只有把理論運(yùn)用到實(shí)踐中，才能發(fā)揮出所學(xué)知識(shí)的價(jià)值。
 
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致  謝
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的完成是在導(dǎo)師的細(xì)心指導(dǎo)以及同學(xué)們的幫助下進(jìn)行的。從最開(kāi)始的選題、寫(xiě)任務(wù)書(shū)、寫(xiě)開(kāi)題報(bào)告、搜集資料，到最后的論文成形，都是老師一步一步的指導(dǎo)我，花費(fèi)了周老師大量的時(shí)間，在這里我要向周老師表示由衷的感謝。
在完成論文的過(guò)程中我還要感謝同學(xué)們的對(duì)我的支持，是你們?cè)谖移綍r(shí)設(shè)計(jì)中幫助我查找資料，一起探討問(wèn)題，解決問(wèn)題，對(duì)我寫(xiě)的內(nèi)容提出建議，幫助我解決硬件和程序中遇到的問(wèn)題，讓我能夠如此短的時(shí)間內(nèi)完成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和焊接和調(diào)試。在整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)制作過(guò)程中，我得到了很大的鍛煉和成長(zhǎng)，會(huì)自己去思考問(wèn)題、解決問(wèn)題，這對(duì)我以后的工作會(huì)有很大幫助，我將受益終身。










































附錄 光立方實(shí)物圖






















圖一、光立方整體實(shí)物圖


































圖二、光立方工作實(shí)物圖