基于单片机的光立方控制系统设计毕业设计说明书(论文) .doc
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1、毕业设计说明书(论文) 设计(论文)题目:_ 基于单片机的光立方控制系统设计 专 业: 班 级: 学 号: 姓 名: 指导教师: 毕业设计说明书(论文) I 目目 录录 摘 要 .1 第一章 绪论 2 第二章 硬件设计与分析 3 2.1 总体设计方案 .3 2.2 单片机主控模块 .4 2.2.1 芯片介绍 .4 2.2.2 时钟电路设计 .6 2.2.3 复位电路设计 .7 2.3 驱动模块 .7 2.3.1 阴极驱动电路 .8 2.3.2 阳极驱动电路 .9 2.4 显示模块 11 2.4.1 LED 的选择 11 2.4.2 显示电路 11 2.5 整机工作原理 12 第三章 软件设计
2、.13 3.1 主程序的设计 13 3.2 显示程序的设计 14 3.2.1 LED 显示的数据传送 14 3.2.2 显示程序的设计 14 3.3 软件调试 15 毕业设计说明书(论文) II 第四章 硬件焊接与调试 .17 4.1 主板的焊接 17 4.1.1 PCB 板的制作 17 4.1.2 主板的焊接 18 4.2 LED 光立方的搭建.19 4.2.1 由点到线 19 4.2.2 由线到面 20 4.2.3 由面到体 20 4.3 电脑端的 ISP 控制软件 21 4.4 整机调试及结果分析 22 结 论 24 参考文献 25 附录 1 整机电路图 .26 附录 2 源程序 .27
3、 附录 3 元器件清单 .31 毕业设计说明书(论文) 第 1 页 摘 要 光立方是一个长、宽、高由 888 个 LED 灯组成的真实 3D 立方体显示器。其最大的特点,就是带给观赏者立体的超酷的 3D 视 觉体验。本设计的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 ULN2803 芯片,显示电路采用八个 74HC595 移位寄存芯片控制 每一面 LED 灯。本设计采用 C 语言编程,通过对单片机编程来控制 LED 的亮灭,采用延时控制来 LED 亮灭时间的长短,最终使得整个立 体展现不同的造型和图案,使其变
4、得美轮美奂、绚丽多彩。 关键字关键字 光立方,移位寄存器 74HC595,单片机 STC12C5A60S2,驱动 芯片 ULN2803 毕业设计说明书(论文) 第 2 页 第一章 绪论 随着人们生活水平的不断提高,3D 效果的欣赏已经成了人们的 追求,美轮美奂的观赏让人醉心不已,给人带来无比宽松舒适的美感。 3D 技术的将来必有广泛应用。仅 3D 打印技术这一还处在萌芽阶段的 技术就已经在世界掀起了巨大波澜。就现有来看 3D 技术已经应用于 军工、航空航天、水下作业、模拟分析等高端领域。随着科技发展 3D 技术的成本也会越来越低,相信 3D 电视将来也会像液晶电视一样 走入普通家庭。3D 技术
5、在未来还可以应用于教学,医学,地下采矿, 空中导航等领域。 但就目前的发展,3D还不能够普及到人们的生活中,这也就萌发 了人们对于3D的设计。因此,本课题以发光二极管的搭建的888 立体点阵,是一个长、宽、高由888个LED灯组成的真实3D立方体 显示器。采用单片机STC12C5A60S2为核心编程技术,对发光二极管进 行控制,使其显示出不同的花样,带给人未来3D技术的科技体验。 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“
6、光立方” ,吸引了全国人民的关注。国 庆联欢晚会三样法宝,光立方为最耀眼, “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 毕业设计说明书(论文) 第 3 页 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。本光立方设计是一个集实际型经济型性价比高便宜 而且能够帮助你更好的学习C语言等多功能于一身的一个艺术、装饰 品。 作为一个忠实的电子爱好者,美观时尚应当是我们的不懈追求, 引领更多的初学者走上电子爱好者之路更是值得我们努力的。而3D光 立方所能带来的震撼力
7、和吸引力是其他电子设计所不能动摇的。 毕业设计说明书(论文) 第 4 页 第二章 硬件设计与分析 2.1 总体设计方案 该光立方设计方案,其核心模块有四个:主控模块、驱动模块、 显示模块、电源模块。总体设计框图如图2-1所示: 图2-1 总体设计框图 本光立方设计由直流5V直流稳压电源给整个系统供电,采用 STC125A60S2单片机作为主控制芯片。 整个光立方系统的工作流程是:通过对单片机STC12C5A60S2进行 编程,然后输出两路信号分别送到阴极驱动电路和阳极驱动电路,最 后由它们输入到显示电路控制LED光立方体上每个LED灯的亮灭,利用 人眼的暂留效应,得以呈现出不同的图案和动画。
8、本设计具有以下几个特点: 毕业设计说明书(论文) 第 5 页 1、888LED阵列3D光立方体显示器,设计方案精简,电路简 洁,采用的材料是高亮雾状蓝色LED灯,可以达到光立方最佳视觉效 果。 2、连贯图形显示效果,浑然一体,一气呵成。能给用户带来立 体的可视的震撼视觉效果。 3、程序内置坏点检测部分,以及多种图形显示模块。 4、创新设计的LED 阵列制作模板,让LED 阵列制作简单快速。 套件制作因此变得简单。初学者也可以制作出规范、美观的成品。 2.2 单片机主控模块 主控电路由单片机、时钟电路、复位电路等组成,它是电路工作 的最基本的单元电路,任何单片机基于单片机的设计系统都离不开它。
9、2.2.1 芯片介绍 制作光立方使用的单片机开发板采用了宏晶科技新推出的 1T 增 强型 51 单片机中功能较为强大的一款STC12C5A60S2。此芯片集 成了各种高性能工业标准接口,并且与传统 51 在资源布局上有完全 的兼容性,大部分传统 51 的程序可以直接拿过来使用无需做修改。 与传统 51 不同的是,STC12C5A60S2 是 1T 内核,速度是传统 51 单 片机的 12 倍,遇到对延时有要求的地方,延时时间会变成传统 51 的 1/12。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 8
10、051 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 路 PWM,8 路高速 10 位 A/D 转换 毕业设计说明书(论文) 第 6 页 (250K/S,即 25 万次/秒),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 /
11、 48K / 52K / 60K / 62K 字节 5、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) 6、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 7、STC12C5A60S2 系列有双串口,后缀有 S2 标志的才有双串口, RxD2/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) 8、工作温度范围:-40 - +85(工业级) / 0 - 75(商业级) 以下是单片机管脚图及功能介绍。单片机管脚图,如下页图2-2 所示
12、: 毕业设计说明书(论文) 第 7 页 图2-2 单片机引脚图 各引脚功能简单介绍如下: VCC:供电电压; GND:接地; P0 口:P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口,每个管脚可吸收 8TTL 门电流。当 P1 口的管脚写“1”时,被定义为高阻输入。P0 能 够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。 在 FLASH 编程时,P0 口作为原码输入口,当 FLASH 进行校验时,P0 输出原码,此时 P0 外部电位必须被拉高; P1 口:P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口,P1 口 缓冲器能接收输出 4TTL 门电流。P1 口管脚写入“1”
13、后,电位被内 部上拉为高,可用作输入,P1 口被外部下拉为低电平时,将输出电 流,这是由于内部上拉的缘故。在 FLASH 编程和校验时,P1 口作为 第八位地址接收; 毕业设计说明书(论文) 第 8 页 P2 口:P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口,P2 口缓冲 器可接收,输出 4 个 TTL 门电流,当 P2 口被写“1”时,其管脚电位 被内部上拉电阻拉高,且作为输入。作为输入时,P2 口的管脚电位 被外部拉低,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。P2 口当用于 外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时,P2 口输出 地址的高八位。在给出地址“1”时,它利用内
14、部上拉的优势,当对 外部八位地址数据存储器进行读写时,P2 口输出其特殊功能寄存器 的内容。P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信 号; P3 口:P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口,可接收 输出 4 个 TTL 门电流。当 P3 口写入“1”后,它们被内部上拉为高电 平,并用作输入。作为输入时,由于外部下拉为低电平,P3 口将输 出电流(ILL),也是由于上拉的缘故。同时 P3 口同时为闪烁编程和编 程校验接收一些控制信号; RST:复位输入。当振荡器复位器件时,要保持 RST 脚两个机器 周期的高平时间; ALE / PROG :当访问外部存储器
15、时,地址锁存允许的输出电平 用于锁存地址的低位字节。在 FLASH 编程期间,此引脚用于输入编程 脉冲。在平时,ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为 振荡器频率的 1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。 PSEN:外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取址期 间,每个机器周期 PSEN 两次有效。但在访问内部部数据存储器时, 毕业设计说明书(论文) 第 9 页 这两次有效的 PSEN 信号将不出现; EA/VPP:当 EA 保持低电平时,访问外部 ROM;注意加密方式 1 时,EA 将内部锁定为 RESET;当 EA 端保持高电平时,访问内部 ROM。在 FL
16、ASH 编程期间,此引脚也用于施加 12V 编程电源(VPP); XTAL1:反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入; XTAL2:来自反向振荡器的输出。 2.2.2 时钟电路设计 单片机的时钟信号用来供给单片机内各种微操作的时间基准,时 钟电路用于产生时钟信号用,通常用两种电路形式得到:内部振荡和 外部振荡。本系统设计采用内部振荡方式,如图 2-3 所示。 图2-3 时钟电路 MCS-51 单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器, 引脚 XTALl 和 XTAL2 分别是此放大电器的输入端和输出端,由于采用 内部方式时,电路简单,所得的时钟信号比较稳定,实际使用中常采 用这种
17、方式。 电容 C1 和 C2 构成并联谐振电路,接在放大器的反馈回路中。 此系统电路的晶体振荡器的值为 12MHz,电容应尽可能的选择陶瓷 电容,电容值约为 30pF。电容的大小会影响震荡器频率的高低、 震荡器的稳定性、起振的快速性等。 毕业设计说明书(论文) 第 10 页 2.2.3 复位电路设计 复位是使单片机或系统中的其他部件处于某种确定的初始状态。 单片机的工作就是从复位开始的,当在单片机的 RST 引脚引入高电平 并保持 2 个机器周期时,单片机内部就执复位操作(若该引脚持续保 持高电平,单片机就处于循环复位状态) 。 实际应用中,复位操作有两种基本的形式:一种是上电复位,另 一种是
18、按键复位。由于本次设计采用的是按键复位,所以这里只介绍 按键复位,如图 2-4 所示。 图2-4 按键复位电路 按键复位要求按下按键后,单片机实现复位操作。按下按键瞬间 RST 引脚获得高电平,随着电容C1的充电,RST 引脚的高电平将逐渐 下降。 RST 引脚的高电平只要能保持足够的时间(2 个机器周期) ,单片 机就可以进行复位操作。该电路典型的电阻和电容参数为:晶振为 12MHz 时,C1为 10uF,R1为 8.2k,晶振为 6MHz 时,C1为 22uF,R1 为 1k。 单片机的复位操作使单片机进入初始化状态。初始化后,程序计 数器 PC=0000H 所以程序从 0000H 地址单
19、元开始执行。单片机启动后, 片内 RAM 为随机值,运行中的复位操作不改变片内 RAM 的内容。 毕业设计说明书(论文) 第 11 页 特殊功能寄存器复位后状态使确定的。P0P3 为 FFH,SP 为 07H,SBUF 不定,IP、IE 和 PCON 的有效值为 0,其余的特殊功能寄 存器的状态均为 00H。 2.3 驱动模块 为节约成本,本光立方设计没有选择硬件电路集成设计,把驱动 电路与控制电路合为一体。而是选择用常用的芯片做为光立方的驱动。 由于 LED 灯比较多,需要的电流相对比较大,所以采用 74HC595 和 ULN2803 组成来组成驱动电路。采用 74HC595 移位暂存的方法
20、,来分 别把 8 个灯的亮灭信息储存,74HC595 的 64 个输出引脚控制前面所 述每一个面的 8 个灯;而 ULN2803 控制灯的每一个层。驱动电路由阴 极驱动电路(图 2-5)和阳极驱动电路(图 2-5)组成。 图2-5 阴极驱动电路 毕业设计说明书(论文) 第 12 页 图2-6 阳极驱动电路 2.3.1 阴极驱动电路 阴极驱动电路由一个 ULN2803 达林顿管组成。从单片机 P1 口出 来的信号送到 ULN2803 进行处理放大,再输出到每一层 LED 灯的阴 极。 ULN2803 是个 NPN 达林顿晶体管,连接在阵列非常适合逻辑接口 电平数字电路(例如 TTL,CMOS 或
21、 PMOS 上/ NMOS)和较高的电流/ 电压,如电灯,电磁阀,继电器,打印锤或其他类似的负载。该 ULN2803 是专为符合标准 TTL,而制造 ULN2804 适合 6 至 15V 的高 级别 CMOS 或 PMOS 上。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。芯片引脚图如下页图 2-7 所示: 毕业设计说明书(论文) 第 13 页 图2-7 ULN2803芯片 引脚图说明: 1-8 引脚:输入端 11-18 引脚:输出端 9 引脚:地端 10(COM)引脚:电源+COM 脚的作用是当你使用 ULN2803(2003)来 驱动继电器时,可以将 COM 脚接到继电器的
22、VCC 端,利用 ULN2803(2003)内部的反向二极管作保护继电器,消除继电器闭合时 产生的感应电压。 2.3.2 阳极驱动电路 阳极驱动电路由八个 74HC595 芯片组成,在本光立方系统中用来 每一面 LED 灯的阳极。即对从单片机 P3.5、P3.6、P3.7 输出的信息 进行移位存储,然后再由八个 74HC595 输出给每一面 LED 灯。 74HC595 是硅结构的 CMOS 器件,是具有 8 位移位寄存器和一个 存储器,三态输出功能。移位寄存器和存储器是分别的时钟。 毕业设计说明书(论文) 第 14 页 数据在 SCHcp 的上升沿输入,在 STcp 的上升沿进入的存储寄存
23、器中去。如果两个时钟连在一起,则移位寄存器总是比存储寄存器早 一个脉冲。移位寄存器有一个串行移位输入(Ds) ,和一个串行输出 (Q7 ),和一个异步的低电平复位,存储寄存器有一个并行 8 位的, 具备三态的总线输出,当使能 OE 时(为低电平) ,存储寄存器的数据 输出到总线。芯片引脚图如图 2-8 所示: 图2-8 74HC595芯片 引脚图说明: Q0到 Q7 引脚:8位并行数据输出,其中 Q0为第15脚 GND 第8脚:接地 Q7 第9脚:串行数据输出 MR 第10脚:主复位(低电平) SHCP 第11脚:移位寄存器时钟输入 STCP 第12脚:存储寄存器时钟输入 OE 第13脚:输出
24、有效(低电平) DS 第14脚:串行数据输入 VCC 第16脚:电源 毕业设计说明书(论文) 第 15 页 在本光立方系统中使用 74HC595,因为它具有一个 8 位串入并出 的移位寄存器和一个 8 位输出锁存器的结构,而且移位寄存器和输出 锁存器的控制是各自独立的,可以实现在显示本行各列数据的同时, 传送下一行的列数据,即达到重叠处理的目的。 引脚 DS 为串行数据输入端,与单片机 P3.7 相连,用来传送数据; 引脚 SHCP 为移位寄存器的移位时钟脉冲,与单片机 P3.6 相连;STCP 是输出寄存器的打入信号,与单片机 P3.5 口相接。再从 Q0到 Q7 输 出到每一面 LED 灯
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