基于单片机的光立方体设计.docx

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基于单片机的光立方体设计

摘要

随着近年来电子行业的飞速发展，越来越多的电子爱好者对于光立方产生了很浓厚的兴趣，光立方创造出的浪漫气氛和绚丽画面，使它在很多场合作为一种生日礼物或者是示爱的工具，大多数的专业人士把光立方研究做为一种职业。

同锁存器/8*8*8/LED显示同时具备花样显示效果甚至能够显示3D图案，还能够用于显示装饰或者传媒信息，是显示技术的重要发展趋势和主要方向。

和二极管点阵相比，光立方显示的视觉效果更好，画面更加丰富多彩。

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。

软件设计采用模块化从上至下设计理念，因此系统能够更小型化并且实现了分布式，系统运行更加稳定，而且扩展性也得到了较好保障。

关键词51单片机/74LS574

Abstract

Withtherapiddevelopmentoftheelectronicsindustryinrecentyears,moreandmoreelectronicenthusiastshaveastronginterestinthelightcube.TheromanticatmosphereandbeautifulpicturecreatedbytheLightCubemakeitabirthdaygiftoronmanyoccasions.Itisatoolforshowinglove,andmostprofessionalsregardlightcuberesearchasaprofession.Thesamelatch/8*8*8/LEDdisplayaddsdisplaypatternandstereoscopicpatterndisplayeffect,whichcanbewidelyusedinmediainformationdisplayandvariousdecorativedisplay,guidingthedirectionandprogressofdisplaytechnologyinthefuture.ThelightcubedisplayismorevisualthantheLEDdotmatrix,andthepicturepatternismorecolorful.

ThisdesignusesAT89S52single-chipmicrocomputerasthecorecontroller,andtheeight-Dedgetrigger（three-state）74LS574expandstheI/Oporttocompletethehardwarecircuitdesign.ThedataisdownloadedtotheMCUthroughsoftwareprogrammingtocompletethedisplayofthedesignpattern.Thesoftwareadoptsthetop-downmodulardesignidea,whichmakesthesystemdeveloptowardsdistributedandminiaturized,andenhancesthescalabilityandstabilityofthesystem.

Keywords51singlechip/74LS574

第一章绪论

1.1国内外光立方体的发展概况

显示画面不仅有极强立体感，而且色彩非常艳丽绚烂，效果和油画非常接近，同时又能够达到如电影视频那样的突出动感，因此在许多公共场合都被广泛应用。

广州塔其实又称广州新电视塔，昵称小蛮腰。

它是广州最高建筑，整个塔身的设计非常有特点，特别是在夜晚的灯光装饰下，更是显得美轮美奂。

现已俨然成为广州的地标[1]。

如此美的建筑怎能不让人心动。

我们结合所学的单片机点阵显示技术，我们也能做出广州塔的美。

我们采用AT89S52作为控制系统，显示部分采用的是16*16的点阵显示原理，通过对广州塔的制作，能更好的提升单片机对点阵显示原理的掌握。

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，设备应用范围也更加宽广。

当前这一设备还在朝着亮度更高、耐候性越强、适应区域更加广泛，发光更加均匀密致，全色化和更可靠等方向不断改进发展发。

1.2我国光立方体研究现状及发展趋势

（1）我国光立方体产业发展现状

当前国内制造LED广告屏幕的厂商多数处在华北地区、华东地区以及华南地区三大地区。

市场上的主要产品都来自于几个大型制造厂商。

国产设备因为具有较高性价比，所以几乎完全占领了我国全部市场。

国产LED显示屏在最近几年发展很快，目前国内已经培养出了规模较大的一批骨干企业。

这一产业在当前不断扩张规模，同时相关技术也得到快速更新，在世界范围内都达到了较高水平。

这一产业如今已经成为电子信息产业中不可缺少的部分之一，也是我国唯一自主建立并发展起来的平板显示这一高新技术领域的重要民族产业[2]。

（2）光立方体的发展趋势

新世纪将是平板显示的天下。

基础材料发展越来越集中，产业化趋势越来越明显，产品成本不断减小，应用发展逐步提速。

产品性能水平的不断提高使得产品色彩、白平衡以及亮度效果都已经达到了非常理想的水平，已经能够满足是全天候室外显示的条件和要求。

此外，因为全彩显示屏性价比非常突出，所以有理由认为未来几年LED全彩立体显示屏将会逐步取代传统媒体中的霓虹灯以及灯箱等产品。

1.3设计的总体要求及方案选择

本设计课题的设计目标是制作设计出8*8*8发光二极管3D立方显示体，编程控制二极管的亮灭，显示多种不同图案。

为使得显示效果进一步增强，本次设计了多个不同显示模式。

其中最简单的一种就是静态显示。

另外还有很多动态显示模式，在这个显示模式下，所有图文都能发生变化（具体有平移、缩放、旋转和闪烁等）[3]。

多种显示模式设计和效果实现并不要求重新编程，可以利用特定算法基于已有数据直接实现。

这样一来编程过程就会变得非常简单，而且这一设计方案也对于控制器没有较高内存存储空间要求。

1.4光立方体设计的结构安排

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，软件选用汇编语言编写。

程序按功能分为静态和动态显示以及通信等多种相对独立的功能模块。

随后根据模块划分逐一编成，最终将独立的各个模块连接整合。

（4）验证与测试

测试主要包括软件部分、硬件部分以及整个系统测试三大步骤；分别发现了LED显示、驱动电路以及端口驱动几个硬件问题，程序整合协调性不高的软件问题，随后分析指出问题的根源，并将问题妥善解决。

（5）结论

总结本次设计过程中的经验，分析出现的问题，为后期继续设计完善和开展其他设计工作提供经验。

第二章系统总体方案设计

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。

2.1系统总体硬件方案选择

2.1.13D显示屏核心控制器

在整个系统中控制部分最为核心，这一部分的主要功能是获取数据（来自于上位机），并根据指令对数据进行处理，将结果显示在屏幕内。

常用设计方法如下：

方案一：

单片机

单片机其实就是一种微型计算机，其中包含了最基本的几个重要元件。

单片机的接口讯能非常突出，在工业控制应用方面具有突出优势所以也被人称作微控制器。

单片机从产生到如今已经有很多年，因此型号和体内都非常丰富。

当前流行产品主要运用RISC技术，但集成有相当丰富的输入输出端口以及许多功能元件，譬如看门狗、显示驱动、函数发生器等等。

不同单片机产品定价不同，能够满足当前不同开发者应用的需要，已经发展出了比较成熟的市场。

还同时具有能耗和运行电压都很低的突出优势。

目前规模超大的集成电路已经越来越广泛发展和应用，在各种便携产品中，单片机发挥了重要作用4]。

方案二：

DSP芯片

DSP也被人们称作数字信号处理器，这一装置的主要功能是处理数字信号，尤其擅长大量重复的高密度和大数据信号处理。

目前在通信、雷达、家电、航空、医疗等多个设备和产业领域都有非常广泛的应用。

有别于普通微处理器，DSP的重要特征是有特殊指令和硬件乘法器。

普通微处理器使用的是软件实现乘法，指令只能一条一条逐次执行，因此执行速度很慢。

而DSP运用的算法是硬件乘法，同时具备处理信号指令功能，不仅处理数据信息的能力非常强悍，而且处理运行的速度很快。

芯片之内集成有544bit大小的SRAM（高速存取）元件。

和普通16位单片机相比，实时处理信息数据的速度要快至少两倍，是普通单片机的高质量替代产品[5]。

方案三：

EDA

EDA也就是电子设计自动化，在EDA软件平台上应用计算机设备，自动编译hdl语言设计文件，并进行逻辑简化、分割、优化、综合、仿真、布线布局等工作，直到完成合理适配编译目标芯片，完成逻辑影射并下载相应编程程序工作。

同时DSP和MCU通过串行执行指令来达成预设功能目标，因此运行速度较慢。

同时FPGA/CPLD能够完成硬件层次的并行，尤其在高速应用和实时监控领域有非常宽阔的应用前景。

此外，FPGA/CPLP器件的物理机制完全等同于纯硬件电路，可以支持软件开发实现功能，所以可靠性非常突出。

基于上文分析可知，上述三种方法都能够达到控制目的并各自有自己的特色，不过单片机因为对于基础要求不高，所以非常适合初学锻炼。

目前市场上常见的产品主要包括AVR、MCS-51、PIC和ARM四大类。

英特尔公司推出的51系列产品应用最为广泛。

这一产品很早就已经推出市场，技术生产都非常成熟，内部硬件结构设计科学合理，有非常规范的指令系统，所以常被用来作为学习单片机的教材。

因此本次设计也选择了这一系列产品来制作核心控制部分。

2.1.2电源电路

方案一：

运用普通干电池为系统供电，考虑到考点阵系统以消耗较高，点阵系统一般悬挂在高处上，一直不停的工作。

使用干电池需经常换电池，不符合节约型社会的要求。

方案二：

运用三端集成式LM7805稳压设备。

运用变压器设备将市电降压之后给输入供电，随后进行整流处理通过稳压设备输出电压。

这样一来不但能够保证功率达到系统要求，而且不需要更换电源，整体轻便，更加可靠安全。

因此本次设计的电路方案选择方案二。

2.1.3I\O口扩展芯片

方案一：

本次设计选用串口输入并口输出芯片74LS164，虽然I/O口使用较少，由于本次设计共需要72路I/O口，列驱动电路就需要8块74LS164。

显示数据是先后顺序给送去的，显示会有延迟，而LED动态显示的刷新的时间控制大约10ms，实时性差，效果不好。

方案二：

运用边沿触发D型触发器74LS574，本产品三态总线驱动输出，收入能够得到缓冲控制，并行存取对于抗扰度之后问题有较