单片机技术课程设计说明书8*8*8的光立方学院：电气与信息工程学院学生姓名：指导教师：职称讲师专业：电气工程及其自动化班级：学号：完成时间：2015年07月26摘 要光立方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。本设计包括硬件系统的设计和软件系统的设计。其中硬件系统包括核心控制器AT89S52单片机；驱动电路模块：ULN2803作为层驱动，74LS573作为行驱动和列驱动；时钟信号电路模块：采用普通晶体时钟源，其中晶体用12MHZ的石英晶振；显示模块：由512个发光二极管组成；供电模块:使用5V移动电源作为供电电源；键盘模块：由四脚按键组成。软件系统包括系统监控程序模块，光立方显示程序模块，键盘程序模块。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:AT89S52单片机;74HC573锁存器;888LED显示;ULN2803目录1 设计要求与方案11.1 设计目的11.2 设计要求11.3 设计方案12 光立方的工作原理22.1 模块简介22.2 工作原理33 方案选择43.1 电源的选择43.23D显示核心控制器43.3I/O口扩展芯片的选择53.4LED发光二级管54 硬件整体设计概述及功能分析74.1 系统概述74.2 单片机简介84.3 时钟电路设计84.4 复位电路设计94.574HC573芯片介绍94.6 ULN2803芯片介绍105 硬件电路设计115.1 硬件电路元件分布图115.2 LED灯焊接方法115.2.1 焊接前准备工作115.2.2 焊接115.3 整体实物图126 主程序设计146.1 程序流程框图146.2 显示程序的设计157 设计结果分析16结束语19参考文献20致谢21附录22附录A 元件清单22附录B PCB图23附录C 程序清单241 设计要求与方案1.1 设计目的在当今现代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。为追求舒适、逼真、清晰的3D视频显示，为此制作出一个三维立体显示图案的LED光立方。该设计方案将打破了传统的平面显示视频的方法，该方案设计的LED显示屏显示画面色彩鲜艳，立体感强，静如油画，可以广泛应用于广告公司、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。1.2 设计要求该光立方通电或按键复位后能自动显示P.，进入准备工作状态。该光立方可以通过键盘选择显示花样，切换花样，停止显示。要求888的光立方硬件，并且显示四种及以上花样。1.3 设计方案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从而组成出不同的画面，根据人眼的视觉暂留现象即当物体移去时视觉神经对物体的印象不会立即消失而是要延续0.1-0.4秒的时间，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一路I/O口控制，实际电路中该路I/O口输出的控制信号通过ULN2803来控制的，再输入发光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扩展后的I/O控制。每个灯都是由片选端口和控制端口共同决定亮或灭。因此，我们可以随意的来点亮立方体中任意一处的灯，来构建多种多样的图案。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。2 光立方的工作原理2.1 模块简介有8个88点阵，再用8个引脚来当充当各个88点阵的“开关”。只要将64个灯阳极连在一起，在连到这个引脚上。采用了74HC573锁存的方法，来分别把64个灯的亮灭信息存到这个上面，然后再一起输出到灯上，573的64个输出引脚控制前面所述每一个面的64个灯；而每层灯的阳极全连接在一起接入ULN2803，由ULN2803控制的每一个层灯。通过单片机主控芯片AT89S52来控制所有灯的亮灭，从而控制P0、P1、P2实现控制X、Y、Z空间立体控制来显示我们所需要显示的现象。如图1和图2所示。整个设计主要分为三个模块分别是主控模块、驱动模块、显示模块。图1 光立方显示模块整体示意图图2 64个灯孔2.2 工作原理ULN2803的18脚接主控芯片的P1口（18脚），数据由主控芯片P1口输入经过ULN2803从1118脚输出，实现通过ULN2803来驱动每一层。每个573的29脚（数据输入）都连接在一起连接到主控芯片的P0口（3239脚），数据从主控芯片P0口输送到573，573的1脚是3态输出使能输入（低电平）一般都与地相接，573的11脚（锁存使能输入）都连接在一起连接到主控芯片的P2口（2128脚）作为锁存控制。当573的11脚为高电平和29脚为高电平时，573的1219脚（3态锁存输出）为高电平，驱动一横面的灯亮，当11脚为高低平、29脚为低电平时，573的1219脚则就为低电平，从而灯灭，当11脚为低电平时，29脚不管高低电平，1219脚的输出不变。主控芯片通过573+ULN2803来驱动控制哪竖面的哪一层的哪个灯的亮灭。R1R8是限流电阻。P0口必需设置上拉电阻，我们采用10k的排阻作为上拉电阻。图3LED光立方整体显示框图3 方案选择3.1 电源的选择方案一：采用普通干电池作为LED系统的电源，由于点阵系统耗电量较大，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：采用一块LM7805三端集成稳压器。把220V交流电经变压器降压输入电路，而后整流送到LM7805三端稳压器稳压输出作为工作电压。不仅功率上可以满足系统需要，不需要更换电源，并且比较轻便，使用更加安全可靠。方案三：采用5V的移动电源，体积小，便于携带，安全可靠。基于以上分析，决定选取5V的移动电源作为供电电源。3.23D显示核心控制器系统的工作原理是在二维LED点阵的基础上，扩大LED之间的距离，应用层叠技巧搭建成一个实心LED立方体，用主控系统直接控制外围驱动电路输出，间接实现对LED灯的亮灭控制。采用逐层扫描的工作方式，利用人们视觉暂留效应，实现动静态文字和图像显示。因为控制涉及的LED灯较多，且要求自由控制每个LED灯的亮灭，所以对控制系统的功能有较高的要求。其常用的电子设计方法有单片机、DSP、及EDA技术。方案一：单片机单片机是集成了CPU，ROM，RAM和I/O口的微型计算机。它有很强的接口性能，非常适合于工业控制，因此又叫微控制器(MCU)。单片机品种齐全，型号多样CPU从8，16，32到64位，多采用RISC技术，片上I/O非常丰富，有的单片机集成有A/D，“看门狗”，PWM，显示驱动，函数发生器，键盘控制等。它们的价格也高低不等，这样极大地满足了开发者的选择自由。除此之外单片机还具有低电压和低功耗的特点。随着超大规模集成电路的发展，单片机在便携式产品中大有用武之地。方案二：DSP芯片DSP又叫数字信号处理器。顾名思义，DSP主要用于数字信号处理领域，非常适合高密度，重复运算及大数据容量的信号处理。现在已经广泛应用于通信、便携式计算机和便携式仪表、雷达、图像、航空、家用电器、医疗设备等领域。DSP区别于一般微处理器的另一重要标志是硬件乘法器以及特殊指令，一般微处理器用软件实现乘法，逐条执行指令，速度慢。DSP依靠硬件乘法器单周期完成乘法运算，而且还具有专门的信号处理指令。它的强大数据处理能力和高运行速度，是最值得称道的两大特色。芯片内置544字的高速SRAM。外部可寻址64K字程序/数据及I/O，令周期在25ns50ns之间，实时性处理比16位单片机快2倍以上，可取代一般的单片机。方案三：EDAEDA(即Electronic Design Automation)即电子设计自动化，它是以计算机为工具，在EDA软件平台上，对用硬件描述语言VHDL完成的设计文件自动地逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合及优化、逻辑布局布线、逻辑仿真，直至对于特定目标芯片进行适配编译、逻辑影射和编程下载等。而且MCU和DSP都是通过串行执行指令来实现特定功能，不可避免低速，而FPGA/CPLD则可实现硬件上的并行工作，在实时测控和高速应用领域前景广阔；另一方面，FPGA/CPLP器件在功能开发上是软件实现的，但物理机制却和纯硬件电路一样，十分可靠。基于以上分析，三种设计方式相比较各有优点且都能够实现控制功能，但单片机的技术门槛较低开发成本也较低非常适合初学者进行学习和锻炼使用。现在市场上常用的单片机主要有MCS-52、AVR、ARM、PIC等。其中应用最广泛的单片机首推52系列，由于产品硬件结构合理，指令系统规范，加之生产历史“悠久”，有先入为主的优势常作为单片机学习的教材。所以决定选取52系列单片机作为控制部分的核心器件。3.3I/O口扩展芯片的选择方案一：选取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。方案二：74HC573跟74LS573的管脚一样。器件的输入是和标准CMOS输出兼容的；加上拉电阻，他们能和HC/ALSTTL输出兼容。当锁存使能端为高时，这些器件的锁存对于数据是透明的（也就是说输出同步）。当锁存使能变低时，符合建立时间和保持时间的数据会被锁存。8块74HC573共用64个I/O口，数据可以并行写入芯片，延迟时间少，满足设计要求。综合以上比较，决定选取74HC573作为列线驱动IO口扩展芯片。3.4LED发光二级管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。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。按使用场合分类：室内显示屏：发光点较小，一般3mm-8mm，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