基于单片机的光立方设计毕业论文.doc
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1、 毕 业 论 文 题 目:基于单片机的光立方设计学 院:物理与电气信息工程学院专 业:电气工程及其自动化班 级:2011级2班姓 名:刘浩学 号:20110604068指导教师:容旭巍2015年4月16日基于单片机的光立方设计【摘要】本设计制作了一个8*8*8的LED光立方,这个作品不仅能够显示静态的画面,还能够通过延时程序的控制产生立体动态的效果,可以广泛的运用在媒体的信息传递,而且具有很好的装饰效果,是未来媒体传播的一个发展趋势,具有很好的发展前景。在此次设计光立方核心控制器选择的是单片机STC12C5A60S2,选择74LS573锁存器扩展I/O口,完成硬件电路设计。显示采用的是扫描显示
2、方式,根据相应的数据表分别选通所需要的片选列信号,然后再根据送到P0口的列数据给到74HC573进行锁存。单片机通过控制P1口的输出状态,来驱动ULN2803,从而控制每一层的选通状态。在软件设计的过程中,运用模块化的思想,分块设计,相对独立的模块,增强了系统的可塑性。【关键词】单片机 74LS573锁存器 LEDThe design of Light Cube Based on The Microcontroller【Abstract】This design produced a three-dimensional pattern of the LED light cube. This wo
3、rks not only display static images, but also capable of producing three-dimensional dynamic effect by controlling of the delay proceedings .It can be widely used in information transmission media, but also has very good decorative effect. Besides it is a trend of the future development of the media,
4、 it has good prospects for developmentIn the design of light cube core controller MCU STC12C5A60S2 is selected,74LS573 latch expansion I/O port completion of the hardware circuit design. Display uses a scanning way, according to the corresponding data table respectively gating need choose column sig
5、nal, and then according to the column data on to P0 mouth to 74 hc573 latches. Single-chip microcomputer by controlling the output state of the P1 mouth to driven ULN2803, to control the gate of the each layer.In the process of software design, based on the idea of modularization, block design, inde
6、pendent modules, to enhance the plasticity of the system.【Key Words】single-chip 74HC573 LED目 录1.引言11.1目前世界LED显示屏的发展概况11.2 我国LED显示屏研究现状11.3 设计的总体要求及方案选择11.4 毕业论文的总体结构安排22 系统总体方案设计22.1 系统硬件方案的选择22.1.1 光立方的核心控制器22.1.2 I/O口扩展芯片22.1.3层控制驱动电路22.1.4 LED发光二极管32.1.5硬件电路绘图软件32.2 系统总体软件方案选择32.2.1 单片机编程语言33 系统硬
7、件方案设计33.1 硬件整体设计的概述33.2 电源供电系统设计43.3 51单片机的最小系统43.4 驱动电路设计53.5 光立方的制作及工作原理介绍63.5.1 3D LED光立方搭接63.5.1 光立方工作原理84 系统软件方案设计94.1 概述94.2 主程序设计94.3 显示程序的设计105 光立方PCB版制作116 系统测试126.1 硬件系统测试126.2 软件系统测试126.3 系统总体测试13结论14参考文献15附录161.引言1.1目前世界LED显示屏的发展概况随着科技不断的发展,社会的信息化已经到达了不可阻挡的态势,大规模的LED显示屏的应用已经从公共信息传播的商业应用不
8、断的向消费类型过度。同时,网络科技的高速发展使得未来的信息世界的主流将由数字化的多媒体占为主导地位,新型的LED大屏显示将取代传统的信息传递方式。也正是因为在未来的社会中对于LED大屏显示的巨大需求,使得LED显示屏的技术受到了人们的热切关注。据了解目前世界上的LED显示屏大体上可以分为静态图文显示屏和视频显示屏,而且都是有一块一块的LED矩阵块拼接而成的。动态图文显示屏可与计算机连接同步的显示显示计算机上显示的信息;视频显示屏则通过采用微型计算机控制,实现视频信息的显示,还可显示二维甚至三维的视频信息。这种技术不仅可以用于室内的装饰还可以用于室信息传播,其优点是其他多媒体工具所不能比拟的。而
9、且显示画面色彩鲜艳,立体感强,广泛应用于各种公共场所中。随着社会经济以及科技的的不断发展,人们对LED显示器的探索不多深入,使其的用途也变的越来越广。1.2 我国LED显示屏研究现状我国LED显示屏产业的技术基础和水平相对来说是比较先进的,主要产品和核心技术与国际水平基本能够保持一致,然而工艺水平却相对落后,需要在科技不断进步的基础上,不断地提高我国的工艺水平,使其能够完全达到国际水平,甚至超过国际水平。1.3 设计的总体要求及方案选择本设计制作的是一个8*8*8的3D的LED立方体,是通过将编写好的程序下载到单片机中,然后单片机驱动UNL2803和74HC573两种芯片,来控制每一个LED的
10、亮和灭,从而达到显示各种图案的效果。同样为了达到更为更好的显示效果,可以在编程的过程中,设计不同的模块,其中最简单的模式是静态图案。然后还有比较复杂的动态显示模式。单片机具有控制LED点阵显示的原理,然后根据设计要求,设计出相应的模块,及其连接方式,完成硬件方案设计。接着,通过软件程序的编写,实现对硬件电路的控制,实现所预计的显示功能,期间需要对程序不断的测试,直到程序正确无误。电路系统焊接完成后,测试整个系统的各项功能是否能够实现,如有虚焊的地方重新进行加焊,完成整个系统的功能。1.4 毕业论文的总体结构安排(1) 初步总体方案的论证和选择在图书馆以及网络上搜集设计相关的资料,选择几套能够完
11、成设计的方案。通过各方面的比较,最终确定,光立方的核心控制器为8位的单片机,外加I/O扩展口和层驱动电路,从而实现对光立方显示的控制。(2) 方案实现通过各种性能对比,最终选定STC12C5A60S2单片机为核心控制器件,74HC573扩展I/O口输出。(3) 软件编写为满足设计要求以及考虑到自己的能力等各方面的因素,最终软件部分选用C语言编写。程序编写的过程中,设计了静态显示和动态显示两种相对独立的模块。(4) 验证与测试测试部分由硬件测试、软件测试和系统总体测试三部分组成。在硬件测试中发现LED间虚焊导致显示异常,以及个别LED灯在焊接的时候因为温度过高而遭到损坏,然后将之更换。在软件测试
12、中出现程序编写错误,仔细阅读程序,进行编译找出错误的所在,进行重新改写。2 系统总体方案设计通过各方面的性能与性实际情况的对比确定设计中所用的芯片与各类器件。2.1 系统硬件方案的选择2.1.1 光立方的核心控制器控制部分是整个系统的核心部分。因为单片机具有丰富的指令类型,接口性能很强,运行速度很快,被广泛应用于工业控制,通讯设备,家用电器,智能仪表等。同时,单片机具有低能耗低电压的特点。而应用最广泛的单片机便是Intel的51系列。但是光立方的LED灯数量较大,所以在设计的时候选择增强型的51系列单片机STC12C5A60S2作为其核心控制器。2.1.2 I/O口扩展芯片在I/O的选择中,考
13、虑到LED的亮灭信息需要暂存的芯片上然后使得LED更好的实现光立方的显示效果,所以列线驱动I/O口扩展芯片选择的是74HC573。2.1.3层控制驱动电路光立方是由512个LED组成,层面的电流较大,所以需要把电流放大才能驱动整个立方体。方案一:用ULN2803作为光立方层驱动电路,因为ULN2803具有保护二极管共阴极的作用更好的保护光立方的工作。方案二:而5V的固体继电器对于焊接时的温度要求高,且导通后管压降较大。基于以上分析,选择ULN2803作为层面控制器。2.1.4 LED发光二极管在选择光立方的LED灯时,通过考虑制作成本和对于LED驱动的要求,以及显示效果等各方面的因素,最终确定
14、选择了单色的蓝色3mmLED雾灯。2.1.5硬件电路绘图软件本节选择绘图软件,将整个系统的电路图通过软件画出来,完成PCB板的版图的绘制。PROTEL是一款比较全面的画图软件,它能实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合,而且能够提供提供软件测试功能,这些功能是设计过程中对于硬件电路绘制不可或缺的,所以在本次设计决定选取PROTEL99S作为电路原理图和PCB版图绘制软件。2.2 系统总体软件方案选择系统的软件设计是整个设计控制最重要的部分,也是最难的一个部分,对设计者程序编写的能力具有很高的要求,不但要满足设计中预计实现的功能,还要考虑自己的能力,要在自己的能力范围内,做出最好软件设计。程
15、序在编辑软件中写出,通过编译软件,编译完成后烧录进我们所选择的单片机中,实现对硬件电路的控制。2.2.1 单片机编程语言在选择编程语言的时候,考虑到汇编语言的冗长单调,而且调试困难,选择了C语言,因为C语言具有良好的移植性,而且程序结构清晰,容易读懂。3 系统硬件方案设计3.1 硬件整体设计的概述光立方系统结构总体框图如图1所示。整体的电路大体上是由核心控制电路、显示驱动电路两部分。 在这个光立方中512个LED灯,相当于8个8*8的点阵,通过八根引线将ULN2803与每个点阵连接起来,实现对光立方层面的控制。对于列的驱动,是通过利用74HC573锁存器暂存的功能,将一个列面上的灯的亮灭信息暂
16、存到芯片上,然后输出到灯上,从而实现了单片机STC12C5A60S2对512个LED灯的控制。图1系统结构设计总图3.2 电源供电系统设计由于单片机属于数字电路中的元件,所以在设计电路是,为了简洁方便,直接由一个USB口向电路输入+5V的直流电源。3.3 51单片机的最小系统单片机最小系统是由时钟电路和复位电路组成的。时钟电路为设计中的单片机产生时钟信号,使得单片机按照时钟信号的控制进行工作。复位电路的作用是使得单片机初始化。单片机最小系统电路图见图2。(1)时钟电路设计时钟电路中包含两个电容,一个晶振以及一个时钟芯片。时钟电路见图3。图2 单片机最小系统电路图 图3 时钟电路图 (2)复位电
17、路设计STC12C5A60S2单片机在启动运行时或者出现死机时需要通过复位电路使得CPU以及其他的功能部件进行初始化。电路搭建图见图4。本次设计中,在正电源VCC和单片机的RST端之间加了一个按键。当按键按下的时候,VCC会直接给单片机的RST端加上+5V的电平,这样便实现了单片机的复位。图4按键电平复位电路图 3.4 驱动电路设计(1)层驱动电路设计在本次设计中选择了ULN2803芯片作为层驱动,每一层通过共阴极的连接方式分别与ULN2803的八个引脚连接,通过ULN2803控制每一层LED灯的亮灭。(2)列驱动电路设计这本次设计中,对于光立方列的控制选择了74HC573芯片作为列线驱动IO
18、口扩展芯片,在74HC573的引脚中,D0-D7为输入口,Q0-Q7为输出口,将焊好的每一个个8*8的LED面的阴极插入PCE板上的插针中,与74HC573的八个输出引脚相连,实现对了对光立方列的驱动。74HC573引脚排布图见图5。 图5 74HC573引脚排布图 输入输出输出使能锁存使能数据LHHHLHLLLL不变HZ表1 74HC573的逻辑功能表注:H=高电平 L=低电平 x=不确定 Z=高阻态3.5 光立方的制作及工作原理介绍3.5.1 3D LED光立方搭接 (1) LED元件选型本设计中为了实现更好的显示效果,最终选择了长脚的雾状蓝光的LED灯。(2) LED亮灭测试 因为LED
19、灯的数量较大,不能避免的含有坏灯,所以在进行焊接之前,必须要用万用表进行测试,以保证光立方是的显示效果。(3)模板的制作焊接光立方前,制作模板是一个特别重要的环节,因为在焊接的时候需要将LED灯固定在模板上,只有这样才能保证灯与灯之间的距离是固定的,才能保证焊接的立方体美观。但是因为没有电钻,所以在制作模板的时候只能选择硬纸板,选择了一块大小合适的硬纸板,先在硬纸板上画出网格线,使每个网格的间距是2cm,然后在交点处用LED灯按出64个洞,如图6所示。图6模板 (4) 由点到线 将每一LED灯的引脚用手折成90度,然后插在模板的洞里,将灯的阴极焊接在一起,焊成一个由八个LED灯组成的线,如图7
20、所示。图7LED引脚弯折(5) 由线到面 将焊好的一条条的LED灯,分别将正极引脚折成与阴极引脚成90度,插在硬纸板的洞里,然后将第一条灯与第二条灯的正极引脚焊接在一起,最后完成一个由64个LED灯组成的面,如图8所示。图8 LED8*8的层面(6)由面到体 将焊好的每一个面垂直的插入板子上已将焊好的插孔,然后用一根引线将前后的每一层连接起来,一方面是实现各8x8平面的层共阳。另一方面是实现对各个层面的固定,使得立方体看着规则。实现层共阳以后,用八根引线将之与主板连接,实现各层的阳极线与主板的连接。立方体如图9所示。图9光立方3.5.1 光立方工作原理这本设计中利用单片机能够实现对LED的点阵
21、控制显示的原理,实现了对光立方显示的控制。通过将编写程序烧录进单片机中,然后控制每一个LED灯的亮灭,从而显示相应的图案。在本次设计中,单片机驱动八个74HC573,然后八个74HC573驱动每一层的64个灯的亮灭,也就是这个光立方在同一时间只能有一个层面处在全亮的状态,但是我们知道人眼视觉暂留是24帧/秒,只要LED灯闪的足够快,先点亮第一层,然后第二层,第三层以此类推,我们就会看到一幅完整的画面。采用动态扫描的方式,根据相应的数据表分别选通所需要的片选列信号,然后再根据送到P0口的列数据给到74HC573进行锁存。单片机通过控制P1口的输出状态,来驱动ULN2803,从而控制每一层的选通状
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