毕业设计论文基于单片机的光立方的设计管理资料.docx

毕业设计论文基于单片机的光立方的设计管理资料.docx

《毕业设计论文基于单片机的光立方的设计管理资料.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计论文基于单片机的光立方的设计管理资料.docx（34页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

毕业设计论文基于单片机的光立方的设计管理资料

毕业设计论文基于单片机的光立方的设计

郑州科技学院

本科毕业设计（论文）

题目基于单片机的光立方的设计

学生姓名王德敏

专业班级08电子科学与技术1班

学号200831011

院（系）电气工程学院

指导教师职称朱小会（讲师）

完成时间2012年05月18日

郑州科技学院毕业设计（论文）任务书

题目基于单片机的光立方的设计

专业电子科学与技术学号200831011姓名王德敏

主要内容、基本要求、主要参考资料等：

一、主要内容

1．设计方案的选择和方案说明；

的硬件构成；

；

设计并绘制电路原理图；

制作实物并调试电路．撰写二、基本要求

1．2．设计三、主要参考资料

1．：

电子工业出版社，20112．：

高等教育出版社，20063．：

人民邮电出版社，20094．：

科学出版社，20055．：

电子工业出版社，20086．：

高等教育出版社，2003

郑州科技学院毕业设计（论文）开题报告

课题名称基于单片机的光立方的设计课题来源教师命题课题类型EX指导教师朱小会学生姓名王德敏学号200831011专业电子科学与技术开题报告内容：

（调研资料的准备，设计的目的、要求、思路与预期成果；任务完成的阶段内容及时间安排；完成设计（论文）所具备的条件因素等。

）

一、调研资料准备

LED点阵显示屏已经应用到了我们生活中的方方面面，科技发展的脚步一直向前，3D电影给人们带来了更加震撼的视觉体验。

于是想设计出一种3D显示屏。

通过学习《单片机原理与应用》一书，知道LED显示分静态显示和动态显示，以及两种显示的控制方法。

加上《模电》《数电》的学习，理解了LED共阴和共阳接法不同的驱动方法。

在网站上查找相关文献时，了解LED显示技术的特色之处：

一是节能（直接功耗，间接耗能），二是基本无电离辐射，三提高空间利用率。

LED点阵显示屏的特点还有比数码管具有实用、便宜、亮度高等优点，而且做出来的LED显示很耐用。

LED显示屏还具有亮度高、工作电压低、功耗小、小型化、寿命长、耐冲击和性能稳定。

LED显示屏显示画面色彩鲜艳，立体感强，静如油画，广泛应用于交通运输、车站、商场、医院、宾馆、证券市场、工业企业管理公共场所。

1．

2．设计本设计根据二极管点阵的原理由单片机I/O口控制点亮不同的二极管组成不同的画面，，来设置每幅画面的延迟时间使连续的一系列画面呈现动态。

每一个层面的二极管阳极接在一起受口控制，实际电路中口输出的控制信号通过，再输入二极管的阳极使其驱动。

每一个二极管的阴极分别受单片机控制。

每个灯都是由片选端口和控制端口共同决定亮或灭。

指导教师签名：

日期：

注：

课题来源要填写明确（如教师拟定、学生建议、某企事业单位项目等）

课题类型：

（1）A―工程设计；B―技术开发；C―软件工程；D―理论研究；E―制作（作品）

（2）X―真实课题；Y―模拟课题；Z―虚拟课题；

要求

（1）、

（2）均要填，如AY，BY等。

基于单片机的光立方的设计

摘要

本设计制作出一个三维立体显示图案的LED光立方。

本产品不仅可以像发光二极管点阵一样显示平面的静态或动态画面，还可以显示立体的静态或动态画面，打破了传统的平面显示方案。

同时又增加了显示的花样和立体图案显示效果，可以广泛用于传媒信息显示和各种装饰显示，为将来显示技术的进步和发展指导了方向，光立方显示比发光二极管点阵更具有视觉效果，而且画面图案更加非富多彩。

本设计是采用AT89S52单片机为核心控制器，八D边沿触发器（三态）74LS574扩展I/O口，完成硬件电路设计。

通过软件编程控制数据下载到单片机完成设计图案的显示。

软件采用自上而下的模块化设计思想，使系统朝着分布式、小型化方向发展，增强系统的可扩展性和运行的稳定性。

关键词51单片机/74LS574锁存器/8*8*8/LED显示

the?

design?

of?

LIGHTcubeBased?

on?

the?

microcontroller

ABSTRACT

Thisdesignproducedathree-dimensionalpatternoftheLEDlightcube.Thisproductcannotonlylikealight-emittingdiodedotmatrixdisplayplanestaticordynamicscreencanalsodisplaythree-dimensionalstaticordynamicimages，andtobreakthetraditionalincreasingthedisplaypatternsandthree-dimensionaleffectcanbewidelyusedtodisplayanddecorativedisplayforfutureprogressanddevelopmenttoguidethedirection，lightcubedisplaymorevisualeffectsthanthelight-emittingdiodedotmatrix，andthepictureismorerichcolorful.Withacombinationofgraphicsandcharactersmoreperfectdisplaycharacteristics.

ThedesignisAT89S52MCUcorecontroller，eightDedgeflip-flop74LS574tri-stateexpansionI/Oportcompletionofthehardwarecircuitdesign.ProgrammedbysoftwaretocontrolthedataisdownloadedtotheMCUtocompletethedesignsoftheshow.Thisdesignsoftwareisatop-downmodulardesign，thesystemmovinginthedirectionofdistributed，smalldevelopment，enhancethestabilityofthesystem'sscalabilityandrunning.

KEYWORDS51single-chip,74LS574latch,8*8*8,3DLED

摘要I

ABSTRACTII

1绪论1

国内外LED显示屏的发展概况1

我国LED显示屏研究现状及发展趋势1

设计的总体要求及方案选择2

设计说明书的结构安排2

2系统总体方案设计4

系统总体硬件方案选择4

3D显示屏核心控制器4

电源电路5

I\O口扩展芯片5

层面控制驱动电路6

串口通讯芯片的选择6

LED发光显示二级管6

硬件电路绘图软件7

系统总体软件方案选择8

单片机编程语言8

系统软件编译器WAVE介绍9

3系统硬件方案设计10

硬件整体设计概述及功能分析10

电源供电系统设计10

51系列单片机简介11

时钟电路设计11

复位电路设计13

驱动电路设计13

层驱动电路设计13

列驱动电路设计15

通信系统硬件设计16

光立方的制作及工作原理介绍17

3DLED光立方搭接17

3DLED光立方工作原理19

4系统软件方案设计21

概述21

主程序设计21

显示程序的设计22

LED显示屏的数据传送22

显示程序的设计22

软件中防止程序出错ERR处理23

ISP软件程序下载24

5光立方PCB版制作25

protues制作PCB版图25

绘制电路原理图并仿真测试25

加载网络表及元件封装26

规划电路板并设置相关参数27

元件布局及调整27

元件布线及调整29

输出及制作PCB30

PCB版的制作过程30

热转印版图31

蚀刻去铜31

去墨打孔31

6系统测试及仿真32

硬件系统测试32

软件系统测试33

系统总体测试33

系统测试结果与结论34

测试结果分析34

测试结论34

总结35

致谢37

参考文献38

附录1总体电路原理图39

附录2电路PCB版图40

附录3电路3D仿真图41

附录4元器件清单42

附录5电路实物图44

附录6源程序45

1绪论

国内外LED显示屏的发展概况

在当今信息化社会的高速发展过程中，大屏幕显示已经从公共信息展示等商业应用向消费类多媒体应用渗透。

随着宽带网络的发展，数字化的多媒体内容将在信息世界中占据主流，新型的大屏幕显示设备将代替传统电视机成为人们享受信息和多媒体内容的中心。

与传统的显示设备相比，这种未来的巨大需求让LED大屏幕显示技术成为众人目光的焦点。

LED显示屏一般分为图文显示屏和视频显示屏，均由LED矩阵块组成。

动态图文显示屏可与计算机同步显示汉字、英文文本和图形；视频显示屏采用微型计算机进行控制，图文、图像并茂，以实时、同步、清晰的信息传播方式播放各种信息，还可显示二维、三维的动画、录像、电视、VCD节目以及现场实况转播。

不仅可以用于室内环境装饰还可以用于室外环境信息传播，具有投影仪、电视墙、液晶显示屏无法比拟的优点。

而且显示画面色彩鲜艳，立体感强，静如油画，动如电影，广泛应用于交通运输、车站、商场、医院、宾馆、证券市场、工业企业管理等公共场所[1]。

随着社会经济的不断进步，人们对LED显示器的认识不断加深，其应用领域越来越广。

目前正朝着更高亮度、更高耐气候性、更高的发光密度、更高的发光均匀性，可靠性、全色化方向发展。

我国LED显示屏研究现状及发展趋势

（1）我国LED产业发展现状

目前国内主要LED广告大屏幕制造厂商主要集中在华东、华北、华南区域，大型制造商的市场范围几乎覆盖整个国内市场。

国产LED广告大屏幕的性价比比较高，市场占有率近100%。

我国的LED显示屏产业经过几年的发展，基本形成了一批具有一定规模的骨干企业。

我国LED显示屏产业在规模发展的同时，产品技术推陈出新，一直保持比较先进的水平。

LED显示屏产业正成为我国电子信息产业的重要组成部分，也是平板显示领域唯一立足国内形成的民族高科技产业[2]。

（2）LED显示屏的发展趋势

二十一世纪的显示技术将是平板显示的时代。

基础材料的产业化，使LED全彩色显示产品成本下降，应用加快发展。

LED产品性能的提高，使全彩色显示屏的亮度、色彩、白平衡均达到比较理想的效果，完全可以满足户外全天候的环境条件要求，同时，由于全彩色显示屏价格性能比的优势，预计在未来几年的发展中，全彩色LED3D显示显示屏在户外广告媒体中会越来越多地代替传统的灯箱、霓红灯、磁翻板等产品，体育场馆的显示方面全彩色LED3D显示屏更会成为主流产品。

全彩色LED3D显示屏的广泛应用会是LED3D显示屏产业发展的一个新的增长点。

未来LED3D显示屏会向着标准化、规范化、产品结构多样化的方向发展。

设计的总体要求及方案选择

本次设计制作一个8*8*8的三维的发光二极管立方显示体，能够通过编写程序来实现对每一个发光二级管的亮灭控制，从而可以显示多种多样的图案。

为了吸引观众增强显示效果，可以有多种显示模式。

最简单的显示模式是静态显示。

与静态显示模式相对应，就有各种动态显示模式，它们所显示的图文都是能够变化的。

按照图文运动的特点又可以分为闪烁、平移、旋转、缩放等多种显示模式。

产生不同显示显示模式的方法，并不意味着一定要重新编写显示数据，可以通过一定的算法从原来的显示数据直接生成。

这样程序书写就不会过于繁琐和重复，而且对核心控制器的内存空间要求不高[3]。

借鉴单片机控制LED点阵显示的原理，通过系统分析，确定该系统该具有哪些功能，有哪些模块，各个模块之间是怎样连接，以及怎样组合电路是最合理最简单的，即硬件方案设计。

编写硬件电路的相对应软件程序部分，利用仿真软件对程序进行测试修改。

电路系统焊接完毕后，测试整个的系统模块的功能，看各个功能是否能正常运行，并依据实验结果找出程序中的错误，改正这些错误至测试成功完成毕业设计要求。

设计说明书的结构安排

针对毕业设计说明书的要求，对论文的内容和结构将做如下安排：

（1）初步整体方案的论证和选择

搜集题目的有关资料，并参照目前通用的设计思想和设计方法拟定几套设计方案进行分析比较。

最终选定了以8位51系列单片机为核心控制器件，外加I/O扩展电路和层驱动电路来设计方案满足设计要求。

（2）方案实现

以设计要求为指导思想选择合适的器件来实现这一思想，选择器件时要从功能和电气特性两方面来选择和论证。

经过对比选择选定AT89S52单片机为核心控制器件，由八D边沿触发器（三态）74LS574扩展I/O口输出，三极管8550和5V继电器为驱动电路器件。

论文列出了详细的器件参数和在系统中的连接使用方法。

（3）软件编写

根据硬件特点和设计要求，软件选用编写。

程序按功能分为静态显示、动态显示、通信等几个功能上相对独立的模块。

然后按照所划分的模块逐个编写，最后将独立的模块整合起来。

（4）验证与测试

试分为硬件试、软件试和系统联合试几步来进行。

在硬件测试中发现有单片机端口驱动能力不足、驱动电路工作不稳定等问题。

在软件测试中出现程序整合工作不协测等问题。

通过分析，查找出问题原因并设法解决。

（5）结论

设计完成后对设计中所遇到的问题、经验教训、以及自己的想法进行总结。

（5）设计中所遇到的问题

2系统总体方案设计

本节是该设计的方案论证部分，对设计中所采用的芯片从多方面综合的进行比较，最后经过仔细的研究后决定所器件、编程软件和仿真电路绘制软件的选取。

系统总体硬件方案选择

3D显示屏控制器

单片机

DSP芯片

串口通讯芯片的选择

AT89S52串行口采用的是TTL电平，与上位机通信时，必须要有电平转换电路，可以选择1488，1489，232。

方案一：

采用1488或1489芯片实现电平转换，但在使用中发现这两种芯片可靠性不高，且需要正负12V电源，电路搭建麻烦。

方案二：

采用单电源电平转换芯片232，电源与单片机供电相同，外围电路简单、可靠。

采用RS-232接口与上位机通信，方便后来设计的软件调试和程序烧录。

基于以上分析，决定选取232作为串行通信芯片。

LED发光显示二级管

LED是一种固体光源，当它两端加上正向电压时就可以发光。

采用不同的材料，可制成不同颜色的发光二极管。

作为一种新的光源，广受欢迎而得以快速发展。

从而在各种各样的传媒信息的宣传中得以体现。

简述其分类方法如下。

1）按颜色分类

单基色显示屏：

单一颜色（红色、绿色、黄色、蓝色等等）。

双基色显示屏：

红和绿双基色，256级灰度、可以显示65536种颜色。

全彩色显示屏：

红、绿、蓝三基色，256级灰度的全彩色显示屏可以显示一千六百多万种颜色。

2）按使用场合分类

室内显示屏：

发光点较小，一般Φ3mm--Φ8mm，显示面积一般零点几至十几平方米。

室外显示屏：

面积一般几十平方米至几百平方米，亮度高，可在阳光下工作，具有防风、防雨、防水功能。

3）按发光点直径分类

室内屏：

Φ3mm、Φ3。

75mm、Φ5mm。

室外屏：

Φ10mm、Φ12mm、Φ16mm、Φ19mm、Φ21mm、Φ26mm。

基于以上分析结果，加上由于成本和控制的难易程度，决定选取单色蓝光LED作为本次设计显示色彩，亮度高，显示效果很好[7]。

硬件电路绘图软件

方案一：

PROTELDXP2004是桌面环境下第一个以设计管理和协作技术为核心的全方位印刷电路板设计系统，它集强大的设计能力，复杂工艺的可生产性和设计过程管理于一体，可完整实现电子产品从概念设计到生成物理生产数据的全过程，以及中间的所有分析，仿真和验证。

整个过程包括以下几个步骤：

（1）构想电路模型

（2）设计电路原理图

（3）校对后输出原理图

（4）产生网络表

（5）设计印刷电路板

（6）检查后输出PCB板图

方案二：

PROTUES是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。

它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析SPICE各种模拟器件和集成电路，该软件的特点是：

1）实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。

具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C测试器、SPI测试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。

2）支持主流单片机系统的仿真。

目前支持的单片机类型有：

ARM7LPC21xx、8051/52系列、AVR系列、PIC10/12/16/18系列、HC11系列以及多种外围芯片。

3）提供软件测试功能。

在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等测试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和测试环境，如KeilC51uVision2、WAVE伟福等软件。

4）具有强大的原理图绘制功能。

总之，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大。

基于以上分析结果，本次设计决定选取Protues。

系统软件方案软件的设计除了满足设计功能外还必须要满足易读写，方便下载和编译。

设计目标和硬件总体结构确定的情况下，软件可以分为主程序，显示子程序，各种子程序个主要部分组成。

软件的编写需要借助软件编辑器和编译软件，编译完成后还需要下载到单片机中执行。

编写软件之前得首先选择一种合适的语言以及配套的编辑器和编译软件。

最后还要选择一款与所选单片机的下载器或下载软件来把编写的程序下载到单片机中执行。

单片机编程语言

现在主要运用的单片机编程语言为汇编语言和C语言。

C语言是一种结构化语言，可产生压缩代码。

与汇编相比C的编译效率低，硬件可操控性比较差，目标代码体积大

汇编语言相对C语言优点有：

1速度快，可以直接对硬件进行操作。

2能够直接访问与硬件相关的存储器或I/O端口。

3能够不受编译器的限制，对生成的二进制代码进行完全的控制。

4能够对关键代码进行更准确的控制，避免因线程共同访问或者硬件设备共享引起的死锁。

5能够根据特定的应用对代码做最佳的优化，提高运行速度。

6能够最大限度地发挥硬件的功能。

基于以上决定采用语言为该显示系统的编程语言。

系统软件编译器介绍

语言编写的程序并不能被单片机直接执行还需要编译为单片机可执行的机器语言。

因此在系统软件设计中，编译器必不可少。

支持MCS－51用语言编程的编译器伟福WAVE6000编译器因此软件设计最终方案为采用语言为语言，为编译工具按照控制、通信、显示等几个功能模块来编写程序。

3系统硬件方案设计

硬件整体设计概述及功能分析

3D。

电路大体上可以分成控制、显示驱动电路、电路三部分。

电路包括一个51CUP和一些外围电路。

在整个电路当中此电路部分相当于一个上位机，它负责控制整个电路以及相应的程序的运行、与PC机的串行通讯、以及给屏部分发送命令。

单片机根据内容和指令通过口驱动8X8LED光立方显示屏。

将以此方案为指导思想展开具体的硬件电路设计。

显示电路采用扫描方式进行显示时，每有一个驱动器，各的同名共用一个驱动器。

由给出的行选通信号，从第一开始，按顺序依次对各进行扫描。

另一方而，根据各列，

系统结构设计总图

电源供电系统设计

电路能够正常工作，电源是必不可少的。

单片机属于数字电路中的器件，所以这里需要选择+5V的直流电源。

。

电源电路图

220V交流市电通过电源变压器变换成交流低压，再经过桥式整流电路和滤波电容的整流和滤波，在固定式三端稳压器LM7805的Vin和GND两端形成一个并不十分稳定的直流电压该电压常常会因为市电电压的波动或负载的变化等原因而发生变化。

此直流电压经过LM7805的稳压和的滤波便在稳压电源的输出端产生了精度高、稳定度好的直流输出电压。

稳压电源可作为TTL电路或单片机电路的电源。

三端稳压器是一种标准化、系列化的通用线性稳压电源集成电路，以其体积小、成本低、性能好、工作可靠性高、使用简捷方便等特点，成为目前稳压电源中应用最为广泛的一种单片式集成稳压器件。

51系列Microcontroller，又称微处理器）是在一块硅片上集成了各种部件的微型机，这些部件包括中央处理器CPU、数据存储器RAM、程序存储器ROM、定时器/计数器和多种I/O接口电路。

单片机最小系统包括时钟电路和复位电路。

时钟电路用于产生AT89S52单片机工作时必需的控制信号。

单片机的内部电路正是在时钟信号的控制下，严格地按照时序执行指令进行工作。

复位电路是为单片机初始化操作准备的。

只要单片机的复位引脚RST上的复位信号要持续两个机器周期（24个时钟周期）以上，使AT89S52单片机复位。

单片机最小系统电路图

时钟电路图

复位电路设计

AT89S52单片机在启动运行时或者出现死机时需要复位，使CPU以及其他功能部件处于一个确定的初始状态，从这个状态开始。

”或操作错误使系统处于“死锁”状态时，也需要按复位键即RST脚为高电平，使AT89S52摆脱“跑飞”“死锁”状态而重新启动程序。

单片机有多种复位方式，常用的复位操作有上电复位和手动按键电平复位方式。

本设计采用手动按键电平复位方式，。

上电复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，复位电路产生的复位信号（高电平有效）由RST对AT89S52单片机进行复位

按键电平复位电路图

驱动电路设计继电器是本设计中的本设计中的继电器采用，继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的继电器就是电子机械开关，它是用漆包铜线在一个圆铁芯上绕几百圈至几千圈，当线圈中流过电流时，圆铁芯产生了磁场，把圆铁芯上边的带有接触片的吸住，使之断开第一个触点（常闭触点）而接通第二个开关触点（常开触点），这一过程称为电磁继电器的启动，继电器启动的结果是把常闭触点所接的外电路断开和把常开触点所接的外电路接通。

当线圈断电时，铁芯失去磁性，由于接触铜片的弹性作用，使铁板离开铁芯，恢复与第一个触点（常闭触点）的接通，这一过程称为电磁继电器的复位。

因此，可以用很小的电流去控制其他电路的开关。

整个继电器由塑料或有机玻璃防尘罩保护着，有的还是全密封的，以防触电氧化。

图电磁继电器的原理图

当控制的开关闭合电磁铁便具有磁性，将衔铁吸下，使继电器触点接触，与触点相连接的电源电路便接通当控制开关断开时，电磁铁的磁性被撤消，继电器触点弹开，电源电路亦随之断开。

图电磁继图锁存器74L747是一个八D边沿触发触发器三态

图LS574的八个触发器是边沿触发D型触发器。

在时钟的正跳动，Q输出将处于D输入端已建立的逻辑状态。

三态总线驱动输出置数全并行存取缓冲控制输入时钟输入有改善抗扰度的滞后作用时钟线上的施密特触发缓冲输入将简化系统设计，因为输入滞后作用使交流和直流抗扰度一般提高400mV。

缓冲输出的控制输入将使八个输出处于正常状态（高