光立方设计与实现论文详细教程

《光立方设计与实现论文详细教程》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光立方设计与实现论文详细教程（42页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、1绪论1.1 课题背景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

2、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1。1.2 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L

3、ED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

4、，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。1.3设计总体要求本次设计制作一个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

5、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。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，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

6、计要求。1.4设计工作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STC12C5A60S2单片机为核心控制器件，由八个74HC573锁存器扩展I/O口输出，UNL2803达林顿管为驱动电路器件。论文列出了详细的器件参数和在系统中的连接使用方

7、法。（3）软件编写根据硬件特点和设计要求，软件选用C语言编写。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程序，最后将独立的模块整合起来。（4）验证与测试测试分为硬件测试、软件测试和系统联合测试几步来进行。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、ED显示不正常等问题。在软件测试中出现程序整合工作不协调等问题。通过分析，查找出问题的原因并设法解决。（5）结论设计作品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分析。以便于为将来的设计提供宝贵的借鉴经验。412系统方案与论证本节是该设计的方案论证部分，对设计中所

8、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用器件、编程语言以及通讯方式的选取。2.1 下位机硬件方案的设计与选择2.1.13D光立方的核心控制器控制部分是整个系统的核心部分，其功能可以实现与上位机通信接收上位机发送的数据和控制指令经处理过后控制显示屏显示内容。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

9、”，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3。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

10、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4。方案三：EDAEDA(即ElectronicDesignAutomation)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HDL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

11、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-51、AVR、ARM、PIC等。其中应用最广泛的单片机首推Intel的51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51系列单片机作为控制部分的核心器件。考虑到动画效果及代

12、码量，最终选取处理速度较快、存储较大且价格适中的STC12C5A60S2芯片作为核心控制芯片。2.1.2 IO口扩展芯片方案一：选取串口输入并口输出芯片74HC595芯片，虽然I/O口使用较少，由于本次设计共需要64路I/O口，列驱动电路就需要8块74HC595芯片。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：采用8位三态锁存器74HC573，74HC573是三态总线驱动输出，可以缓冲控制输入，置数并行存取并且有改善抗扰度的滞后作用。输出控制不影响触发器的内部工作，既老数据可以保持，甚至当输出被关闭，新的数据也可以置入。当

13、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，当输出的数据消失时，在芯片的输出端，数据仍然保持。8块74HC573共用16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。2.1.3 层面控制驱动电路由于当512个LED同时点亮时，层面积聚电流大，需要把电流放大才能驱动。否则显示会出现不亮、半亮的现象，影响显示效果。采用ULN2803达林顿管来驱动层面，UL

14、N2803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500MA50V。应用时9脚接地，10脚接负载电源v+，输入电平信号为0或5v。输入0时输出达林顿管截止，输入为5v时，输出达林顿管饱和，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。2.1.4串口通讯芯片STC12C5A60S2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。采用单电源电平转换芯片MAX232，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

15、以上分析，决定选取MAX232作为串行通信芯片。2.1.53D立方体显示模块选择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3mm-8mm，显示面积一般零点几至十几平方米。

16、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：3mm、3.75mm、5mm。室外屏：10mm、12mm、16mm、19mm、21mm、26mm。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5。2.1.6无线通讯模块最终打算实现手机控制光立方实现动画效果的跳转，所以需要选择合适的无线通讯方式。方案一：采用WiFi通讯，全称WirelessFidelity，又称802.11b标准，它的最大优点就是传输速度较高，可以达到11Mbps，另外它的有效距离也很长，

17、同时也与已有的各种802.11DSSS设备兼容。但实现起来比较麻烦。方案二：采用蓝牙通讯，蓝牙，是一种支持设备短距离通信（一般10m内）的无线电技术。能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。利用“蓝牙”技术，能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化设备与因特网Internet之间的通信，从而数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。蓝牙采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术，支持点对点及点对多点通信，工作在全球通用的2.4GHzISM（即工业、科学、医学）频段。其数据速率为1Mbps。采用时分双工传输方案实现全双工传输。目前

18、基于单片机的无线控制方式中，蓝牙通讯成熟案例较多，便于参考，故选用蓝牙串口模块作为实现无线控制的硬件模块。2.2 单片机编程语言与编程环境的选择2.2.1单片机编程语言的选择现在主要运用的单片机编程语言为C语言和汇编语言。下面对C语言和汇编做一些简介。C语言是一种计算机程序设计语言，它既具有高级语言的特点，又具有汇编语言的特点。它由美国贝尔研究所的D.M.Ritchie于1972年推出，1978年后，C语言已先后被移植到大、中、小及微型机上，它可以作为工作系统设计语言编写系统应用程序，也可以作为应用程序设计语言，编写不依赖计算机硬件的应用程序。它的应用范围广泛，具备很强的数据处理能力，不仅仅是

19、在软件开发上，而且各类科研都需要用到C语言，适于编写系统软件，三维，二维图形和动画，具体应用比如单片机以及嵌入式系统开发。汇编语言（AssemblyLanguage）是面向机器的程序设计语言。在汇编语言中，用助记符（Memoni）代替机器指令的操作码，用地址符号（Symbol）或标号（Label）代替指令或操作数的地址，如此就增强了程序的可读性和编写难度，象这样符号化的程序设计语言就是汇编语言，因此亦称为符号语言。使用汇编语言编写的程序，机器不能直接识别，还要由汇编程序或者叫汇编语言编译器转换成机器指令。汇编程序将符号化的操作代码组装成处理器可以识别的机器指令，这个组装的过程称为组合或者汇编。

20、因此，有时候人们也把汇编语言称为组合语言。与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用,而且大大的提高了工作效率和项目开发周期。因此本设计采用C语言为单片机编程语言。2.2.2单片机编程环境的选择本设计采用keiluvision2作为单片机编程环境，KeiluVision2是德国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，使用接近于传统C语言的语法来开发。KeilC51标准C编译器为8051微控制器的软件开发提供了C语言环境,同时保留了汇编代码高效,快速的特点。C51编译器的功能不断增强，可以更加贴近CPU本身，及其它的衍生产品。

21、C51已被完全集成到uVision2的集成开发环境中，这个集成开发环境包含：编译器，汇编器，实时操作系统，项目管理器，调试器。uVision2IDE可为它们提供单一而灵活的开发环境。2.3 上位机终端的选择实现远程控制光立方须采用合适的控制终端，现在流行的控制终端大概有三种：最简单的为遥控器、接下来是PC和手机。下面对三种控制器分别做一简单介绍:遥控器是一种无线发射装置，通过现代的数字编码技术，将按键信息进行编码，通过红外线二极管发射光波，光波经接收机的红外线接收器将收到的红外信号转变成电信号，进处理器进行解码，解调出相应的指令来达到控制机顶盒等设备完成所需的操作要求。最早用来控制电视的遥控器

22、是美国一家叫Zenith的电器公司(这家公司现在被LG收购了)，在1950年代发明出来的，一开始是有线的。1955年，该公司发展出一种被称为“Flashmatic”的无线遥控装置，但这种装置没办法分辨光束是否是从遥控器而来，而且也必需对准才可以控制。1956年罗伯.爱德勒(RobertAdler)开发出称为“ZenithSpaceCommand”的遥控器，这也是第一个现代的无线遥控装置，他是利用超声波来调频道和音量，每个按键发出的频率不一样，但这种装置也可能会被一般的超声波所干扰，而且有些人及动物（如狗）听得到遥控器发出的声音。1980年代，发送和接收红外线的半导体装置开发出来时，就慢慢取代了

23、超声波控制装置。即使其他的无线传输方式（如蓝牙）持续被开发出来，这种科技直到现在还持续广泛被使用。PC（personalcomputer）即现在都在使用的个人电脑，个人计算机一词源自于1981年IBM的第一部桌上型计算机型号PC,在此之前有AppleII的个人用计算机。能独立运行、完成特定功能的个人计算机。个人计算机不需要共享其他计算机的处理、磁盘和打印机等资源也可以独立工作。今天,个人计算机一词则泛指所有的个人计算机、如桌上型计算机、笔记型计算机、或是兼容于IBM系统的个人计算机等。对于大部分笔记本电脑都带有蓝牙设备，不带有蓝牙设备的台式机等PC也可外接蓝牙适配器用来与其他设备通讯。所以用于

24、控制大型设备或复杂的小型设备时，都选择采用功能强大，处理能力强的PC来作为控制终端。移动终端或者叫移动通信终端是指可以在移动中使用的计算机设备，广义的讲包括手机、笔记本、平板电脑、POS机甚至包括车载电脑。但是大部分情况下是指手机或者具有多种应用功能的智能手机以及平板电脑。随着网络和技术朝着越来越宽带化的方向的发展，移动通信产业将走向真正的移动信息时代。另一方面，随着集成电路技术的飞速发展，移动终端的处理能力已经拥有了强大的处理能力，移动终端正在从简单的通话工具变为一个综合信息处理平台。这也给移动终端增加了更加宽广的发展空间。现代的移动终端已经拥有极为强大的处理能力（CPU主频已经接近2G）、

25、内存、固化存储介质以及像电脑一样的操作系统。是一个完整的超小型计算机系统。可以完成复杂的处理任务。移动终端也拥有非常丰富的通信方式，即可以通过GSM，CDMA，WCDMA，EDGE，3G等无线运营网通讯，也可以通过无线局域网，蓝牙和红外进行通信。今天的移动终端不仅可以通话，拍照、听音乐、玩游戏，而且可以实现包括定位、信息处理、指纹扫描、身份证扫描、条码扫描、RFID扫描、IC卡扫描以及酒精含量检测等丰富的功能，成为移动执法、移动办公和移动商务的重要工具。有的移动终端还将对讲机也集成到移动终端上。移动终端已经深深地融入我们的经济和社会生活中，为提高人民的生活水平，提高执法效率，提高生产的管理效率

26、，减少资源消耗和环境污染以及突发事件应急处理增添了新的手段。国外已将这种智能终端用在快递，保险、移动执法等领域。最近几年，移动终端也越来越广泛地应用在我国的移动执法和移动商务领域。综上分析，最终采用小巧灵活，且功能强大、使用广泛的手机来作为3D光立方的上位机控制终端。2.4 手机移动终端操作系统的选择对于手机操作系统，现在最为流行且使用人数最多的有两种，一种是由苹果公司研发且只适用于苹果手机的IOS操作系统，另一种是使用较为广泛也更为开源的android操作系统。方案一：采用搭载IOS操作系统的苹果手机作为3D光立方的控制终端。以精美著称的IOS操作系统现在已被绝大多数人所青睐，其绝佳的用户体

27、验更使得苹果手机一度赶超其他品牌手机成为移动终端的龙头老大。采用它作为3D光立方的控制终端无疑是体验上的最佳选择，但苹果IOS操作系统的蓝牙只能识别与其相同的苹果蓝牙设备，并且底层类库无法修改，故不得不放弃这一选择。方案二：采用搭载android系统的手机作为3D光立方的控制终端。Android是一种基于Linux的自由及开放源代码的操作系统，主要使用于移动设备，如智能手机和平板电脑，由Google公司和开放手机联盟领导及开发。Android平台提供给第三方开发商一个十分宽泛、自由的环境，不会受到各种条条框框的阻扰。目前应用安卓手机作为小车或者航模控制终端的案例非常之多，其给予用户的使用体验也

28、不次于苹果手机，所以使用安卓手机作为3D光立方的遥控终端无疑是最好的选择。基于以上分析，故采用android手机作为3D光立方的遥控终端。3硬件系统设计3.1硬件整体设计概述及功能分析3DLED光立方总体框图如图3-1所示。电路大体上可以分成核心控制电路、显示驱动电路、串行通信电路三部分。核心控制电路部分包括一个51系统CUP和一些外围电路。在整个电路当中此电路部分可以相当于一个上位机，它负责控制整个电路以及相应的程序的运行、与移动终端的串行通讯、以及给显示屏部分发送命令。单片机根据编写好的内容和指令通过I/O口扩展后驱动8*8*8LED光立方显示屏。本次设计将以此方案为指导思想展开具体的硬件

29、电路设计。显示电路采用动态扫描方式进行显示时，每列有一个列驱动器，各列的同名行共用一个行驱动器。由单片机给出的行选通信号，从第一列开始，按顺序依次对各列进行扫描选通，根据锁存器的特性可以把数据锁存输出。这样就可以把八列的数据输出显示，完成列线数据的传送。另一方而，根据各列层面要显示的数据，通过ULN2803达林顿管来控制相应层面的电平，列与层面的数据结合共同来显示图案。列动器层呃动器单片机iIMIm屯和一时电路-图3-1系统结构设计图Fig.3-1systemstructuredesign3.2STC12C5A60S2单片机简介与最小系统单片机（Microcontroller，又称微处理器）是

30、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STC12C5A60S2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上的复位信号持续两个机器周期（24个时钟周期）以上，就可以使STC12C5A60S2单片机复位。单片机最小系统电路图见图3-2。GND30pF口X1|11.0592MHz10k1k430pF10uFXTAL1P0.0/AD

31、0P0.1/AD1P0.2/AD2XTAL2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6RSTP0.7/AD7P2.0/A8P2.1/A9P2.2/A10PSENP2.3/A11ALEP2.4/A12EAP2.5/A13P2.6/A14P2.7/A15P1.0P3.0/RXDP1.1P3.1/TXDP1.2P3.2MNT0P1.3P3.3/INT1P1.4P3.4/T0P1.5P3.5/T1P1.6P3.6/WRP17P37/RD1989101212-T3-T4-T5T621222324252627283938373635343332STC12C5A60S2图3-2单片机最

32、小系统电路图Fig.3-2singlechipmicrocomputerminimumsystemcircuitdiagram3.2.1时钟电路设计STC12C5A60S2单片机各功能部件的运行都以时钟信号为基准，有条不紊、一拍一拍地工作。因此时钟频率直接影响单片机的处理速度，时钟电路的质量也是直接影响单片机系统的稳定性。STC12C5A60S2系列单片机有两个时钟源:内部R/C振荡时钟和外部晶体时钟。现出厂标准配置是使用芯片内部的R/C振荡器，5V单片机常温下频率是11MHz-17MHz,3V单片机常温下频率是8MHz-12MHz，因为随着温度的变化，内部R/C振荡器的频率会有一些温飘，再加

33、上制造误差，故内部R/C振荡器只适用于对时钟频率要求不敏感的场合。本次采用外部时钟方式。STC12C5A60S2单片机芯片内部设有一个由反向放大器构成的振荡器，XTAL1和XTAL2分别为振荡电路的的输入端和输出端，时钟可有内部或外部生成，在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件，内部振荡电路就会产生自激振荡。系统采用的定时元件为石英晶体和电容组成的并联谐振回路。时钟频率fosc采用11.0592MHZ，C1、C2的电容值取30pF,电容的大小起频率微测的作用。时钟电路见图3-3。C1XTAL130pFC2X111.0592MHzXTAL230pFGND图3-3时钟电路图Fig.3-3clo

34、ckcircuitdiagram3.2.2复位电路设计STC12C5A60S2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，PC初始化为0000H。单片机从这个状态开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当程序行出错（如程序“跑飞”）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STC12C5A60S2摆脱“跑飞”“死锁”状态而重新启动程序。本设计采用手动按键电平复位方式，手动按钮复位需要人为在复位输入端RST上加入高电平。一般采用的办法是在RST端和正电源Vcc之间接一个按钮。当人为按下按钮时，则Vcc的+5V电平就会

35、直接加到RST端。由于人的动作再快也会使按钮保持接通达数十毫秒，所以，完全能够满足复位的时间要求。此外，STC12C5A60S2的上电复位电路如图3-4所示，只要在RST复位输入引脚上接一电容至Vcc端，下接一个电阻到地即可。上电复位的工作过程是在加电时，复位电路通过电容加给RST端一个短暂的高电平信号，此高电平信号随着Vcc对电容的充电过程而逐渐回落，即RST端的高电平持续时间取决于电容的充电时间。为了保证系统能够可靠地复位，RST端的高电平信号必须维持足够长的时间。上电时，Vcc的上升时间约为10ms，而振荡器的起振时间取决于振荡频率，如晶振频率为10MHz，起振时间为1ms；晶振频率为1

36、MHz,起振时间则为10ms。在复位电路中，当Vcc掉电时，必然会使RST端电压迅速下降到0V以下，但是，由于内部电路的限制作用，这个负电压将不会对器件产生损害。另外，在复位期间，端口引脚处于随机状态，复位后，系统将端口置为全“1”态。如果系统在上电时得不到有效的复位，则程序计数器PC将得不到一个合适的初值，因此，CPU可能会从一个未被定义的位置开始执行程序。VCC2LR41k*RST1R310kGND图3-4按键电平复位电路图Fig.3-4Thebuttonlevelresetcircuitdiagram3.3驱动电路设计3.3.13D光立方显示模块工作原理和数码管动态扫描、普通LED点阵的

37、显示原理一样，LED立体显示的基本原理也是利用了人眼的视觉暂留现象，即余晖效应。但是和数码管、普通LED点阵所不同的是，LED立体显示系统通过不断扫描8X8X8共512个LED灯,最终在显示终端上形成的是一幅立体的图像或是通过各个立体图像之间的有效连接形成了立体的动画。非XJg,jr!t-r-!t图3-5单层LED示意图Fig.3-5single-deckLEDsketchmap图3-5为单层LED示意图，如图所示，单层的LED矩阵由8X8共64个LED组成，扫描时，先扫描第一列LED，点亮或熄灭相应的LED，然后再切换至第二列继续显示，如此，8次循环后，便可扫描完单层的LED，即可显示出二维

38、的画面。同理，可以通过这样的方法扫描其它的层，如图3-6所示，整个系统共由8层LED矩阵组成，8层都扫描完毕后，便可显示出一幅立体的图像，以上便为LED立体显示系统的基本原理。图3-6光立方显示模块整体示意图Fig.3-6Theoverallschematicofthelightcubedisplaymodule3.3.2列驱动电路设计74HC573是本设计列驱动电路上的核心芯片，下面对其进行简要介绍：74HC573的八个锁存器都是透明的D型锁存器，当使能（G）为高时，Q输出将随数据（D）输入而变。当使能为低时，输出将锁存在已建立的数据电平上。输出控制不影响锁存器的内部工作，即老数据可以保持，

39、甚至当输出被关闭时,新的数据也可以置入。这种电路可以驱动大电容或低阻抗负载，可以直接与系统总线接口并驱动总线，而不需要外接口。特别适用于缓冲寄存器，I/O通道,双向总线驱动器和工作寄存器。其特点是：（1）三态总线驱动输出。（2）置数全并行存取。（3）缓冲控制输入。（4）使能输入有改善抗扰度的滞后作用。74HC573管脚功能如表3-1所示：表3-174HC573引脚功能Tab.3-174HC573pinfunctionsPin引脚号SYMBOL符号NAMEANDFUNCTION名称及功能1OE3StateoutputEnableInput（ActiveLOW）3态输出使能输入（低电平）2,3,4

40、,567,8,9DOtoD7DataInputs数据输入12,13,14,15,16,17,18,19Q0toQ73StateLatchOutputs3态锁存输出11LELatchEnableInput锁存使能输入10GNDGround接地（0V）20VCCPositiveSupplyVoltage电源电压光立方的每一层有8*8共64个LED灯，仿照点阵原理，利用我们经常用到的74HC573锁存芯片，每个74HC573锁存芯片可控制单层中的一列灯即8个LED灯，由于74HC573是三态锁存器，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

41、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，当输出的数据消失时，在芯片的输出端，数据仍然保持。64个LED灯即可用8个74HC573锁存器并联输出，这样出了用到8个数据输出口外，还需8个片选使能口，一共需要占用STC12C5A60S2的16个I/O口进行控制。而将8层LED灯的阳极如图3-7所示相连，即可分时控制整个LED立方体每层灯的亮灭。74HC573图3-7单列LED连接示意图Fig.3-7SinglerowLEDconnectiondiagram每个573的2-9脚（数据输入）都并行连接在一起连接到主控芯片STC12C5

42、A60S2的P0口（32-39脚），数据从STC12C5A60S2主控芯片P0口输送到74HC573,74HC573的1脚是3态输出使能输入（低电平）一般都与地相接,74HC573的11脚（锁存使能的输入）都分别连接到STC12C5A60S2主控芯片P2口（21-28脚）作为锁存控制，当74HC573的11脚为高电平且2-9脚为高电平时，74HC573的12-19脚（3态锁存输出）为高电平，驱动一竖面的灯亮，当11脚为高电平、2-9脚为低电平时，74HC573的12-19脚则为低电平，从而灯灭，当11脚为低电平时，2-9脚不管高电平还是低电平，12-19脚的输出不变。因需要PO当做I/O口使用

43、，故须加上拉电阻，这里选用4.7kQSIP9排阻作为它的上拉电阻。此外,本设计在每束LED灯阳极串联上了1500电阻,可防止电流过大击穿LED灯。具体电路图如图3-8所示。P00.P01P02P03P04P05P06P071713R9R1OR11R12R13R14R1519w1713吃Q123456781712345678P24.GNDP00*P01P02,P03,P04*P0gP06P07P25*GNDP00*P01*P02.P0.3P04P05P06P07P26.GNDP00P01P02P03P04P05P06,P07P27*GND23456789345678911U6DOQ019D1Q1

44、18D2Q217D3Q316D4Q415D5Q514D6Q613D7Q712LEOE111892345R34R35R36R37R38R39R4074HC573U7DOQ019D1Q118!D2Q217rD3Q3D4Q415!D5Q514D6Q613D7Q712LEOE_JR41R42R43R44IR45R46R4/R4874HC573DOQOD1Q1D2Q2D3Q3D4Q4D5Q5D6Q6D7Q7LEJOE74HC573ledL512345678LEDL612345678LEDL71918171615141312R49R50R5612345678DOQO19fD1Q118fD2Q217D3Q3

45、16D4Q415YD5Q514!D6Q613!D7Q712LLEOE8911123456R61R62R63R64LEDL81234567874HC57374HC573图3-8列驱动电路设计图Fig.3-8Columndrivercircuitdesign3.3.3层驱动电路设计ULN2803达林顿管是本设计层驱动电路中的核心控制器。ULN2803,8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，广泛的使用范围：计算机，工业和消费应用。所有设备功能由集电极输出和钳位二极

46、管瞬态抑制。该ULN2803是专为符合标准TTL,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。图3-7为ULN2803引脚图。PINCONNECTIONS图3-9ULN2803引脚图Fig.3-9ULN2803pinfigure1-8引脚：输入端,11-18引脚：输出端,9引脚：地端,10引脚：电源+图3-10LED立方体层连接示意图Fig.3-10TheLEDcubelayerconnectiondiagram前面介绍到利用74HC573来控制光立方的每一列（即每一个竖面），但如何控制每一竖面的某一层就需要用到层控制芯片ULN2803了。如图3-10所示，将某一层的数据传入8个

47、74HC573中，控制ULN2803芯片选通该层，即可看到该层相应的点的LED灯亮。ULN2803的1-8引脚接主控芯片STC12C5A60S2的P1口（1-8脚），数据由主控芯片P0口输入经过ULN2803从11-18脚输出，实现通过ULN2803来驱动每一层。主控芯片通过74HC573+ULN2803来驱动控制哪个竖面的哪一层的哪个灯的亮灭。具体电路图如图3-11所示。图3-11层驱动电路设计图Fig.3-11Layerdrivecircuitdesign3.4 通讯系统硬件设计计算机与计算机或计算机与终端之间的数据传送可以采用串行通讯和并行通讯二种方式。由于串行通讯方式具有使用线路少、成

48、本低，特别是在远程传输时，避免了多条线路特性的不一致而被广泛采用oRS-232C标准是美国EIA（电子工业联合会）与BELL等公司一起开发的1969年公布的通信协议。它适合于数据传输速率在020000b/s范围内的通信。这个标准对串行通信接口的有关问题,如信号线功能、电器特性都作了明确规定。由于通行设备厂商都生产与RS-232C制式兼容的通信设备，因此，它作为一种标准，目前已在微机通信接口中广泛采用7。STC12C5A60S2单片机具有全双工串行UART通道，支持单片机进行数据的串行通信传输。除了单片机要与PC机制定通信协议，确定发送速率外还需要解决的问题就是信号电平问题。RS-232C标准规

49、定了PC机发送数据总线TXD和接收数据总线RXD采用EIA电平，即传送数字“1”时传输线上的电平在-3-15V之间；传送数字“0”时，传输线上的电平在+3+15之间。但单片机串行口采用正逻辑TTL电平，即数字“1”时为+5V数字“0”时为-5V,所以单片机与计算机不能直接相连进行通信必须将RS-232C与TTL电平进行通过芯片转换。串口通信系统电平转换电路图见图3-12。图3-12串口通信系统下载电路图Fig.3-12Downloadaserialportcommunicationsystemcircuitdiagram在通用的电平转换芯片中MAX232系列的芯片以集成度高，单+5V电源工作，

50、只需外接5个小电容即可完成RS-232C与TTL电平之间的转换而成为单片机系统中的常用芯片。该电路用于测试程序，以及系统软件的修改。本系统软件编写的程序可直接通过PC机的串行口，再经过MAX232电平转换下载到单片机中，从而去执行相应的功能。在该显示系统中，MAX232为通信系统中最重要的硬件组成部分。3.5 光立方硬件制作过程3.5.1LED立方体显示模块的搭接（1）LED元件选型3D光立方采用蓝色长脚雾面LED。设计中LED可以更换为其他型号的，只需满足以下条件：1）额定驱动电压3.3v（2.7v-3.8v）。2）额定驱动电流为20mA。3）阳极管脚长度271mm，阴极管脚长度为251mm

51、。（2）LED亮度测试方法1）可使用两节常见的1.5V的干电池判断LED的阳极阴极。2）将万能面包板接通电源，将LED插入面包板的一对插孔内，其中靠近边缘的为阳极、另一个为阴极，观察其是否能被正常点亮，并可以改变限流电阻改变亮度，观察该型LED的可测亮度范围。建议从最低亮度开始，防止LED被烧毁。（3）LED光立方搭接方法为了保持整体的通透性、立体感，3D光立方没有设计额外的LED支架，所有搭接直接使用LED自身的管脚。1）水平折弯：基本徒手就可以保证焊接的整齐性和保证角度的统一。2）垂直折弯：可借助尖嘴钳，目的是让阴极摆出发光体一部，使其可以与其上下的LED进行搭接。具体弯折方法见图3-13

52、。.图3-13LED灯弯折方法示意图Fig.3-13LEDlightsschematicbendingmethod弯折好后逐个进行测试，检测其是否正常发光实际效果如图3-14所示。&勺24-C003103oO0oO-0O0oO-0ooO6000oQ-OOoooo_rbQo?p0ftcc一0o12plol印0o0c009o00oooo0060000ooOOQOQL23oooo-005oooogooooc0ao0Qc,?VOODOOtc0OOQiO0*o)oHoca善已口005O6O_0O图3-14LED实际效果图Fig.3-14LEDtheactualrendering(4) 由点到线将排针事先

53、固定在一块板子上，选择其间距为9个孔(22.86mm)。将折弯好的LED一排插入以后，其阳极正好可以搭接在一起。进行焊接，实现线行内共阴的操作。如图3-15所示。图3-15LED由点到线焊接图Fig.3-15LEDbypointtothelinewelding(5) 由线到面将焊好的一条一条LED平躺在平面上，实现束方向阳极的焊接。上方LED与下方LED阴极搭接的位置，可用LED自身根部的突起作为标志。控制层与层间距，理想值依然为22.86(2.54*9)mm。一个层面LED搭建图见图3-16。图3-16LED竖面焊接图Fig.3-16LEDverticalsurfaceweldingdraw

54、ing由于焊接完成后发现有不少因测试而开焊的地方，故我又将焊点加固并在外涂上了一层胶，事实证明不但焊点牢固，弹性也比以前好多了。如图3-17所/示O图3-17焊点外包上一层胶Fig.3-17Solderjointsoutsourcingonalayerofglue(6) 由面到体将垂直各面依次插到面包板上面，以后，将露出的阴极引脚横向折90，使其可以与其前后同一高度(同一层)的阴极进行焊接，实现各8x8平面的层共阴。实现层共阴以后，我们就得到了共计8条对阴极引线，通过漆包铜线，实现各层的阴极线与主板的连接。四个竖面搭建体图见图3-18。sJi渦叫啊写斗*上_亠图3-18由面到体搭建图Fig.3

55、-18Fromsurfacetobodyfigure(7) 静态测试进行LED的静态测试，对内部常亮点、常暗点进行更换。由于LED还是比较娇贵的元件，焊接过程中，应避免静电造成LED的损伤。最好使用防静电焊台，并佩戴防静电手环。有硬件制作基础的，可以制作一个简单的单面测试的模块，借助鳄鱼夹，对面内各点进行测试，从而避免在各层都实现共阴连接以后再从中拆出个别坏点。就原理图来说，3D光立方的LED搭接结果相对简单，512个LED,分为64束，8层，束内共阳，层内共阴。焊接好后，整个显示模块洞洞板背面如图3-19所示。图3-19LED显示模块背面焊接图Fig.3-19LEDdisplaymodule

56、onthebackoftheweldingdrawing3.5.2控制电路板的焊接按照前文所提到的控制电路的设计方法，分别将单片机STC12C5A60S2,及其时钟电路，复位电路焊接在洞洞板上，构成最小系统成为光立方的核心控制。然后我又外加了1个由三个按键构成的按键电路，用来控制光立方跳转相应的动画操作模式。将8个74HC573并联焊接在洞洞板一侧，用于驱动LED光立方的每一个竖面，将ULN2803焊接在另外一侧用于驱动光立方的每一层。冷外，为了能够下载程序到单片机，我外加了串口下载电路，这个等到光立方程序下载完后基本上用不到了。最后，将买的现成的蓝牙串口模块连接在单片机上即可完成硬件电路板的

57、制作。具体焊接电路图如图3-20，3-21所示。图3-20控制板正面Fig.3-20Controlpanelpositive图3-21控制板反面焊接图Fig.3-21Controlpaneloppositeweldingdrawing4软件系统设计4.1概述软件设计包括单片机硬件程序设计和手机控制端软件程序设计两个部分。单片机硬件程序主要包括三个方面：按键模块程序、主程序模块和显示模块程序。手机控制端软件程序则包括蓝牙通讯和按键控制两个方面。软件功能结构框图见图4-1。手机端单片机主程序主程序按键程序显示程序图4-1软件功能结构框图Fig.4-1Softwarefunctionstructur

58、ediagram4.2单片机主程序设计单片机系统软件采用C语言编写，按照模块化的设计思路设计程序。首先分析程序所要实现的功能，程序要实现可静态显示、动态显示、三维立体显示。通过按键控制程序选择不同的显示模式进行显示，接收手机控制端指令等。主程序的工作流程见图4-2。图4-2主程序流程图Fig.4-2Themainprogramflowchart程序开始时首先必须对单片机进行初始化设置，其中初始化设置的内容包括：中断优先级的设定，中断初始化，定时器初始化，串行通信时通信方式的选择和波特率的设定，各10口功能的设定等。把各子程序写为一个可单独执行的完整子程序段。各子程序编译没有错误后再下载到单片机

59、进行仿真验证，这两项都通过后再将所有的程序整合到一起，形成一个完整的程序再进行编译和仿真验证。4.3LED显示程序设计4.3.1LED显示程序设计原理利用单片控制LED点阵显示的原理和控制技术，来制作控制光立方显示。通过编写程序控制不同LED的显示，显示所要显示的内容。根据人眼的视觉暂留效应，设置每幅画面的延迟时间使连续的一系列画面呈现动态。最终达到所要显示的内容。每个灯都是由层控制端和列控制端共同决定亮或灭。最典型的例子就是电影放映机。在电子领域中，因为这种动态扫描显示方式极大的缩减了发光单元的信号线数量，因此在LED显示技术中被广泛使用。现简单描述一下用动态扫描显示的方式，显示字符“U”的

60、过程。其扫描显示过程见图4-3。图4-3动态扫描单竖面显示字符“U”过程Fig.4-3DynamicscanningsingleverticalsurfacedisplaycharacterUprocess在三维光立方中采用动态扫描显示，这种显示方式巧妙地利用了人眼的视觉暂留特性。将连续的几帧画面高速的循环显示，只要帧速率高于24帧/秒，人眼看起来就是一个完整的，相对静止的画面9。4.3.2 LED显示模块的数据传送动态扫描显示是把整个LED屏幕分成若干部分，每一幅画面显示过程是显示完一部分后，又显示第二部分直到显示完最后一部分又重新开始显示第一部分，重复循环进行。在重复扫描速度足够快的情况下

61、，我们看到的就是一幅稳定的静态画面。也就是说采用动态扫描显示需要不断进行画面的刷新。动态扫描分为行扫描和列扫描，两种方式区别在于选通端和数据输入端分别是行还是列。先选通列然后再从行送入对应列的数据，这样从第1列到第8列循环往复，只要切换的速度足够的快利用人眼的延时特性就可以看见一幅稳定的画面。4.3.3 LED显示模块程序设计显示采用的是扫描显示方式，选通一列后按照列对应的数组的数据第i列对应的列数据为数组中的第i和第i+7个元素。将对应数据由低至高位依次从控制端口输出显示。向右逻辑移位所得结果通过单片机端口输出到锁存器，通过片选需要显示对应的锁存器在输出显示。如此依次循环选通各列来显示所需画面。动态显示程序流程图见4-4