3D光立方 毕业设计.doc
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1、 目录 1、摘要1 2、关键字1 3、引言2 4、正文2 (1) 、主要元件介绍3 1、STC12C5A60S2.3 2、74HC5733 3、ULN28034 (2) 、工作原理5 1、驱动模块原理.6 (三) 、元器件选择.7 (四) 、制作、调试.8 1、制作.9 2、调试.11 五、结束语13 六、参考文献12 七、附录(程序)13 光立方 一、摘要: 本设计采用 8*8*8 的模式,硬件主要分为三个模块:主控模块、驱动模块、 显示模块。采用的主控芯片为 STC12C5A60S2 芯片,驱动电路是采用我们常用 74HC573 数字芯片。数组 OUT0代表光立方从第一层 D0 到第八层
2、D0 的数据, 以此类推数 组 OUT1 代表光立方从第一层 D1 到第八层 D1 的数据。本设计采 用 C 语言编程,利用单片机控制 LED 的亮灭,采用延时控制 LED 亮灭时间,最终 使得整个立体展现不同的造型和图案,使其变得美轮美奂、绚丽多彩。 二、关键字:LED 光立方,74HC573,STC12C5A60S2,ULN2803 三、引言: 光立方是由四千多棵光艺高科技“发光树”组成的,在 2009 年 10 月 1 日天安 门广场举行的国庆联欢晚会上面世,这是新中国成立六十周年国庆晚会最具创意的 三大法宝之首,自从国庆 60 周年联欢晚会开始演练后,一个全新的名词“光立方”,吸 引了
3、全国人民的关注。国庆联欢晚会三样法宝,光立方为最,“光立方”在气势和 整体感觉上,融合了北京奥运会开幕式“击缶而歌”和“活字印刷”的风格,而各 种图案则与贯穿奥运会开幕式的“画卷”有异曲同工之妙。 “光立方”可以根据爱 国歌曲的不同内容,展示不同的造型和图案,具有丰富的视觉效果。 四、正文 (1)主要元件介绍: 1、STC12C5A60S2 STC12C5A60S2/AD/PWM 系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的 单片机,是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代 8051 单片机,指令代码完全兼容传 统 8051,但速度快 8-12 倍。内部集成 MAX810 专用复位电路,2
4、路 PWM,8 路高速 10 位 A/D 转换(250K/S),针对电机控制,强干扰场合。 1) 增强型 8051 CPU,1T,单时钟/机器周期,指令代码完全兼容传统 8051 2) 工作电压:STC12C5A60S2 系列工作电压:5.5V- 3.3V(5V 单片机) 3) 工作频率范围:0 - 35MHz,相当于普通 8051 的 0420MHz 4) 应用程序空间 8K /16K / 20K / 32K / 40K / 48K / 52K / 60K / 62K 字节 5) 片上集成 1280 字节 RAM 6) 外部中断 I/O 口 7 路,传统的下降沿中断或低电平触发中断,并新增支
5、持上升沿 中断的 PCA 模块,Power Down 模式可由外部中断唤醒,INT0/P3.2, INT1/P3.3,T0/P3.4,T1/P3.5,RxD/P3.0,CCP0/P1.3(也可通过寄存器设置到 P4.2 ), CCP1/P1.4 (也可通过寄存器设置到 P4.3)。 7) A/D 转换, 10 位精度 ADC,共 8 路,转换速度可达 250K/S(每秒钟 25 万次) 8) 通用全双工异步串行口(UART),由于 STC12 系列是高速的 8051,可再用定时 器或 PCA 软件实现多串口 9) STC12C5A60S2 系列有双串口,后缀有 S2 标志的才有双串口,RxD2
6、/P1.2(可通 过寄存器设置到 P4.2),TxD2/P1.3(可通过寄存器设置到 P4.3) 10) 工作温度范围:-40 - +85(工业级) / 0 - 75(商业级) 2、74HC573 74HC573 是八进制 3 态非反转透明锁存器。器件的输入是和标准 CMOS 输出 兼容的;加上拉电阻,他们能和 LS/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。输出既不是高电平,也不是低电平,而是高 阻抗的状态;在这种状态下,可以多个芯片并联输出,当输入的数据消失时,在芯 片的输出
7、端,数据仍然保持 3、ULN2803 ULN2803 是八重达林顿管,1 至 8 脚为 8 路输入,18 到 11 脚为 8 路输出。驱 动能力为 500MA 50V。应用时 9 脚接地,10 脚接负载电源 V+,输入的电平信号为 0 或 5V。输入 0 是输出达林顿管截止,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,该电路为反向 输出型,即输入低电平电压,输出端才能导通工作。 (2)工作原理 有 8 个 8*8 点阵,再用 8 个引脚来当充当各个 8*8 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
8、hc573 暂存的方法,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;而每层灯的阴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 STC12C5A60S2 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。 图 1 8 层面 图 2 64 个灯孔 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 1、驱动模块原理 图 3 74HC573 驱动 图 4 原理图 uln2803 的 18 脚接主
9、控芯片的 P1 口(18 脚) ,数据由主控芯片 P2 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,驱动一竖面的灯亮,当 11 脚为高
10、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。R1R16 是限流电阻。 (三)元器件选择 1)由于光立方的程序量比较大,而且要求相对比较高,因此用 51 系列的增强型 芯片 STC12C5A60S2,选择的理由: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。 2)由于灯的个数比较多,因此所需要的电流相对也比较大,所以选
11、择 ULN2803。 3)驱动部分使用了熟悉的 74HC573,其优点有 1.高阻态,就是输出既不是高电平,也 不是低电平,而是高阻抗的状态;在这种状态下,可以多个芯片并联输出;2.数据 锁存;当输入的数据消失时,在芯片的输出端,数据仍然保持;3.数据缓冲、加强驱 动能力。 4)LED 灯的选择,出于外观和整体的形状美观,采用的是雾状蓝光的 LED 灯 , 由于高亮灯比雾状灯刺眼,所以选择雾状灯。 图 5 雾状 LED 灯 (四)制作、调试 1)制作: 1、我们首先完成的是驱动电路 驱动电路由于线比较多电路比较复杂,所以我们有比较多的跳线,由八个 74HC573 组成的,如下图: 图 6 57
12、3 驱动连接反面 图 7 573 驱动连接正面 2、主控电路 主控电路是最简单的电路,主要是最小系统,其中还有一个控制层的驱动芯 片焊接在主控板上,如图所示: 图 8 最小系统 3、显示模块 首先我们用一块比较大万能板,在上面做了 8*8 个点的标志,间距为 2mm 然后 把灯按统一形状掰好管脚。然后固定在在万能板上进行焊接,焊接完如下图: 图 9 灯的焊接 焊好的如图:每次焊完以后都要去检查测试每个灯是否会亮,很重要的步骤 图 10 把八个面做好以后就是把八个面一层一层的叠起来,在这里要注意的是必须 用尺子量好各个角度的高度(我们做的间距为 2 厘米) ,必须使每一个面在同一水 平面上,如下
13、图所示:同样的每次焊完以后都要去检查测试每个灯是否会亮 图 11 8 层灯 显示部分反面,如下图: 图 12 2) 调试: 主要是检查全部的灯是否正常工作: (1)程序烧写进单片机之后,发现有两列没有点亮,还好两列的都在边上,进而 如果换灯也相对容易,我们用排除法来检查电路,首先是检查灯的线路是否虚焊, 断路,果真有一列的是断路了,把它接上后这一列也亮了。 (2)还剩下另外一列,我们用同样的方法来做,从驱动电路到显示的都没有问题, 而且在输入那一列的电压也正常,我们就想不通了,是什么原因呢?我们怀疑是 不是有灯坏了,我们又一个一个的检查了这一列灯,但是全部都会亮,经过很细 心的检查,发现有一个
14、灯的亮度和其他的灯亮度完全不同,相对比较暗,于是我 们把它换了下来,接上另外一个,果然是哪个灯的问题,原来是由于这灯的阻抗 很大,把那一列的电平都拉低了,使灯无法亮起来。 (3)在调试过程中,有一竖面的灯完全不亮,第一个想法是灯没有供电,检测供 电电路法发现没有问题,于是我找到 573 这一部分,因为这一部分跳线较多且线 路密集,逐一测量发现线头间短路了,从新焊接后测试,故障顺利排除。 (4)在调试过程中有几个灯一直不亮,用万用表欧姆档测量发现灯已经烧坏,拆 下坏掉,但是有 2 个灯是存在虚焊问题,从新焊接后正常工作。 五、结束语 经过这次的设计,让我们更明确了团队合作的要领和精神,更明白了焊
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