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1、 目录第一章 绪论- 1 -1.1 课题的背景- 1 -1.2 研究目的和意义. - 1 -1.3 论文研究内容与结构安排- 1 -第二章 总体设计- 2 -2.1 工作原理- 2 -2.2 各模块方案选择与论证- 2 -2.2.1 单片机主控制模块- 2 -2.2.2 驱动模块- 2 -2.2.3 显示模块- 2 -第三章 系统硬件电路设计与实现- 3 -3.1 硬件电路设计- 3 -3.2 单片机最小系统- 3 -3.2.1 时钟电路- 4 -3.2.2 P0 口外接上拉电阻- 4 -3.3 驱动模块的设计- 5 -3.4 光立方整体设计思路- 6 -3.4.1 LED灯排序方式设计- 6
2、 -3.4.2 LED灯接法方式设计- 7 - 3.5 光立方搭建方法- 7 -3.5.1将LED从点到线的搭建- 7 -3.5.2将LED从线到面的搭建- 7 -3.5.3将LED从面到体的搭建- 8 -第四章 系统软件设计- 9 -4.1 主程序设计- 9 -第五章 系统调试及结果分析- 10 -5.1 系统调试- 10 -5.1.1. 硬件测试- 11 -5.1.2. 软件测试- 11 -5.2 结果分析- 11 -第六章 结论- 12 -参考文献- 13 -英文摘要- 14 -致谢语- 15 -附录- 16 -1、实物图- 16 -2、系统原理图- 17 -程序清单- 18 -基于单片
3、机的光立方设计刘荣三明学院 09级 电子信息工程专业 福建三明 365004摘要 本文介绍了一款基于STC12C5A60S2 单片机光立方的设计并阐述了整体设计思路，介绍了系统软硬件设计的主要方法。系统采用的是8*8*8模式构成512个LED灯后组成的光立方，距离为14cm*14cm*20cm（长.宽.高）10，所设计的光立方驱动电路采用uln2803芯片，呈现出立体动画效果。关键词 光立方；74HC573；单片机1绪论1.1课题研究的背景：“光立方”一词正逐渐引起了全国人民的关注，并得到了全球的高度肯定。由此，也掀起了光立方的设计与学习热潮，在原有的基础上不断增加难度，增加变换花样，吸引电子
4、爱好者对其研究、创新。事实上，“光立方”已经渗透到以下几个方面：照明类LED光效户外景观照明展开的视觉装饰活动；信息传播类LED光效各种类型的大屏幕点缀着人们的生活；光立方制作所需材料较常见，成本低廉、性价比高等优点具有较高的研究价值。1.2课题研究的意义：本次毕业设计一改传统的平面流水灯的风格，而是从平面向立体发展，通过更宽广的三维空间呈现出更加绚丽的效果，直接冲击着人们审美视觉，不在停留在乏味的平面成像。设计并采用更优于89C51的STC12C5A60S2 单片机，使系统具有更强大的功能和驱动能力。再者，从平面向立体这符合科技发展的要求，适应主流。3D8光立方主体部分由512LED灯组成，
5、在制作过程中锻炼学习动手焊接能力，并以低成本，智能化产品对实现经济利益、商业价值的形成具有积极的推动作用。1.3 论文研究内容与结构安排本文研究的内容如下：单片机控制模块：采用60K STC12C5A60S2控制核心，其它相关的外围电路构成本系统的模块；时钟信号电路：采用普通晶体时钟源，其中晶体用11.0592MHZ的石英晶振；显示模块：通过对单片机编程，利用程序来控制LED的亮灭，以达到动画的效果。具体介绍内容安排如下：第二章主要阐述系统方案的选择与论证，将系统分为主控模块、驱动模块、显示模块等，并分别对各模块方案进行了选择与论证。第三章主要介绍了个硬件电路的设计，还对各单元实现的功能以及芯
6、片引脚功能特点进行说明。同时阐述整个系统的设计思路以及搭建方法。第4章 主要阐述主程序的编写以及整个软件的框架。第5章 阐述的是整个光立方系统的调试过程以及在调试过程中出现的软件、硬件问题。并阐述了解决这些问题的办法。 第六章主要对整个毕业设计的设计过程进行总结，并阐述了在制作过程中的收获和心得。2总体设计2.1 工作原理本设计以STC12C5A60S2单片机为控制核心设计一个由512个蓝色LED灯组成的光立方。系统主要由主控、驱动、显示等模块构成。系统模块框图如图2-1: 图2-1 系统结构框图2.2 各模块方案选择与论证2.2.1 单片机主控制模块方案一：采用常用的89c51单片机作为主控
7、芯片，由于89c51只有8K的内存，而光立方需要形成多种动画程序量大，可能会有溢出的情况发生。所以不采用此方案。方案二：采用51系列的增强型芯片60K STC12C5A60S2单片机作为主控芯片2，其主要优点1.无法解密，采用第六代加密技术；2.超强抗干扰；3.内部集成高可靠复位电路，外部复位可用可不用；4.速度快，比8051快8-12倍11；因此采用此方案。2.2.2 驱动模块方案一：采用8个8050NPN三极管驱动，虽能起到反相的作用。但由于需要八个数量较多，对于整体布局效果不佳，影响美观。并且性价比不高，所以不采用此方案。方案二：采用八重达林顿uln2803,1 至 8脚为8路输入，18
8、 到 11脚为8路输出。驱动能力 500MA 50V。因为整个光立方体由512个LED灯组成，所需电流也较大，并且一片芯片就能等效8个三极管的作用，大大缩小元器件占用空间。综上所述选择ULN2803芯片。 2.2.3 显示模块方案一：由于我们常用的LED灯不容易聚光，光发散比较厉害点亮时相互之间将会有影响，容易影响视角效果。方案二：我们放弃我们经常用的草帽型LED，采用的是白发雾状（乳型）蓝灯，工作电压为2.74.2V，工作电流2mA10mA。使用雾状的比较聚光，512个灯同时点亮时也同样能够达到动画的效果，如图2-2所示： 图2-2 雾面乳型LED灯3 系统硬件电路设计与实现3.1 硬件电路
9、设计本电路是由STC12C5A60S2单片机为控制核心，其和8051指令、管脚完全兼容，而且其片内的具有大容量程序存储器且是FLASH工艺的，具有串口烧写编程功能，低功耗1；时钟源电路有很多种，比如阻容低速时钟源、普通晶体时钟源、带缓冲放大的晶体时钟源等等，考虑到电路稳定及材料选购等方面，决定采用普通晶体时钟源，其中晶体用12MHZ的石英晶振12。显示部份由显示部份由512个雾面LED灯组成来进行显示。3.2 单片机最小系统单片机的最小系统就是让单片机能正常工作并发挥其功能时所必须的组成部分，也可理解为是用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。对STC12C5A60S2单片机来说， 最小系统一
10、般应该包括： 单片机、时钟电路、复位电路、输入/ 输出设备等7（见图3-1）。单片机的最小系统如下图所示:图3-1单片机最小系统框图图3-2 单片机最小系统3.2.1时钟电路在设计时钟电路之前，让我们先了解下单片机上的时钟管脚：XTAL1（19 脚） ：芯片内部振荡电路输入端。XTAL2（18 脚） ：芯片内部振荡电路输出端。XTAL1 和XTAL2 是独立输入和输出反相放大器，它可以被配置为使用石英晶振的片内振荡器。内部方式的时钟电路如图3-3（a）所示，在XTAL1、XTAL2 的引脚上外接定时元件（一个石英晶体和两个电容），内部振荡器便能产生自激振荡9。经过综合考虑，本设计中采用了11.
11、0592M 的石英晶振。和晶振并联的两个电容的大小对振荡频率有微小影响，可以起到频率微调作用。一般情况下选取33pF 的陶瓷电容就可以了。8外部方式的时钟电路如图3-3（b）所示，RXD接地，TXD接外部振荡器。对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号。15（a）内部方式时钟电路 （b）外部方式时钟电路图3-3 时钟电路另外值得一提的是检测晶振是否能够起振的方法可使用示波器能看到XTAL2 输出的非常好看的正弦波，也可以使用万用表测量（ 把挡位打到直流挡，这个时候测得的是有效值）XTAL2 和地之间的电压时，可以看到2V 左右一点的电压。133.2.2
12、 P0 口外接上拉电阻STC12C5A60S2单片机的P0 端口为开漏输出，内部无上拉电阻（图3-6）。所以在当做普通I/O 输出数据时，由于V2 截止，输出级是漏极开路电路，要使“1”信号正常输出，一定要外接上拉电阻。16图3-6 P0端口的1位结构3.3驱动模块的设计本设计采用的是ULN2803达林顿管驱动器进行驱动。ULN2803，采用AP=DIP18,AFW=SOL18封装方式。 ULN2803是八重达林顿，1 至 8脚为8路输入，18 到 11脚为8路输出。驱动能力 500MA 50V。应用时9脚接地，如果驱动感性负载，10脚接负载电源V+。输入的电平信号为0，或5V。8输入0时，输
13、出达林顿管截止。输入为5V电平时，输出达林顿饱和。输出负载加在电源V+和输出口上，当输入为高电平时，输出负载工作。5八路NPN达林顿连接晶体管阵系列特别适用于低逻辑电平数字电路如图3-7（诸如TTL, CMOS或PMOS/NMOS）和较高的电流/电压要求之间的接口，广泛应用于计算机工业中。3所拥有的器件具有集电极开路输出和续流箱位二极管，用于抑制跃变。ULN2803的设计与标准TTL系列兼容，而ULN2804 最适于6至15伏高电平CMOS或PMOS。3 （a）ULN2803引脚图 (b) ULN2803逻辑图 图3-7 ULN2803芯片3.4 光立方整体设计思路3.4.1 LED灯排序方式
14、设计 将每层的LED排序如图3-8，D0,D1,D2,D3D62,D63分别为64个LED阵列实际排序方式,也就是光立方的俯视图，对应下图分别是其数据信号0，1，2，362，63; 图3-8 3D8光立方效果图3.4.2 LED灯接法方式设计1.“光立方”是由8层这样布局的LED组成，每层位置排列全部一致，如图3-9 。每层LED的所有正极全部接到一起，然后连接74hc573的行扫描驱动电路，通过74hc573译码确定使能哪一层3.各层同一位置LED的负极连接都一起，例如第一层的D0和第二、三、四等层的D0的负极都连接一起，然后再把它们接到0上面，如图3-10。 图3-9 LED层与层的连接方式 图 3-10 LED负极与输出端连接方式3.5光立方搭建方法3.5.1将LED从点到线的搭建首先制作一块搭建用的木板如图3-11，木板孔与孔直接的距离为22.86mm，必须与电路板上的两
