基于51单片机的4阶光立方实验报告书

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1、目录一、单片机最小系统的介绍 1.1 元件清单 1.2 电路组成 1.2.1 电源模块 1.2.2 显示模块 1.2.3 时钟电路 1.2.4 复位电路 1.2.3 P0口外接上拉电阻 1.2.6 滤波电路 1.3 工作原理二、光立方的工作原理三、电路板的焊接与检测调试 3.1电路的焊接过程与注意事项 3.1.1 LED光立方的焊接 3.1.1.1 将LED灯从点到线的焊接 3.1.1.2 将LED灯从线到面的焊接 3.1.1.3 将LED灯从面到体的焊接 3.1.2 电路板部分的焊接 3.1.2.1 电源电路的焊接 3.1.2.2 晶振电路的焊接 3.1.2.3 滤波电路的焊接 3.1.2.

2、4 复位电路的焊接 3.1.2.5 阳极电阻和母座的焊接 3.1.2.6 IC插座、上位排阻以及烧写排针的焊接 3.1.3 整体搭线工作 3.2 电路板的检测步骤与注意事项四、程序下载与电路运行4.1 程序编写与编译的过程以及注意事项 4.2 目标文件下载及其注意事项五、课程总结与体会一、单片机最小系统的介绍单片机最小系统是之能够让单片机工作并发挥其作用的必要组成部分，就STC89C52RC单片机来说，其一般包括：单片机、时钟电路、复位电路、输入/输出设备等。1.1 元件清单 2*3*4mm二极管LED灯64个，10K欧姆金属膜电阻1个，500欧姆金属膜电阻16个，圆孔单排针母座16只，A10

3、3J九脚排阻1个， 排针4个，IC插座1个，10uF电解电容1个， 6*6*5mm轻触按键开关1个，12MHz石英晶振1个，30pF瓷片电容2个，100uF电解电容1个，104瓷片电容1个，六脚自锁开关1个，DC插座一个。 1.2 电路组成1.2.1电源模块 本光立方系统采用5伏电源的移动充电宝进行供电，将电源接于电路DC插座，后将阳极接上六角自锁开关的4脚，将5脚接给系统各VCC处供电。六脚开关弹起时为断路状态，45脚不联通，系统断电；按下后45脚联通，电源给系统供电。图 1-1 电源模块原理图1.2.2显示模块 本光立方采用2*3*4mm二极管LED蓝色灯做为显示灯，共64颗灯，搭建为4*

4、4*4的立方体。光立方层共阴，列共阳，通过单片机控制到每一颗灯的亮灭。1.2.3时钟电路 单片机的各个功能部件的运行都是以时钟控制信号为基础，一拍一拍的工作。因此时钟频率直接影响单片机的速度。单片机上的XTAL1和XTAL2分别为振荡电路输入和输出端。在这两个引脚上接上一个石英晶体振荡器和两个微调电容就构成内部方式的振荡器电路，有振荡器产生自激振荡，便构成了一个完整的震荡信号发生器。 一般选用石英晶体振荡器。此电路在加电大约延迟10ms后振荡器起振，在XTAL2引脚产生幅度为3V左右的正弦波时钟信号。电路中电容器C1、C2的作用有两个：一是帮助振荡器起振；二是对振荡器的频率进行微调。本系统中的

5、C1、C2的值为30pf。 单片机工作时，由内部振荡器产生或由外直接输入的送至内部控制逻辑单元的时钟信号的周期称为时钟周期。其大小是时钟信号频率的倒数，f表示。本系统使用的时钟频率为12MHz，即f=12MHz，则时钟周期为1/12us。图 1-2 时钟电路原理图1.2.4复位电路 单片机的复位是通过外部电路来实现的，一般复位电路采用上电复位、手动按键复位和看门狗复位三种方式进行复位，本次采用的是上电复位方式。STC89C52RC的复位引脚为RST。复位电路由轻触按键开关、10K欧姆金属膜电阻和10uF电解电容组成。具体构造图如下。图 1-3 复位电路原理图1.2.5 P0 口外接上拉电阻 由

6、于STC89C52RC单片机P0口内部没有上拉电阻，是开漏的，不管它的驱动能力多大，相当于它是没有电源的，需要外部的电路提供，绝大多数情况下P0口是必须加上上拉电阻的。本系统采用了A103J九脚排阻外界上P0口做为上拉电阻。 图 1-4 P0口的上拉电阻1.2.6 滤波电路一般Vcc和Vss间应接高频去耦电容和低频滤波电容。一般 大电 容 旁 边 并 联一个小 电 容 的目的是降低 频内阻，因为大的电解电容一般采用卷绕工艺制造，所以等效电感较大，小电容可以提供一个小内阻的高频通道 ，降低电源全频带内阻，这个在实际电路中非常常见。本系统采用104pf和100uf并联做为滤波电路。 图1-5 滤波

7、电路 1.3 工作原理 将4*4*4的LED光立方分层4层，分别由单片机的P00、P01、P02、P03，四个口来控制每一层，且给低电位有效。再有P10到P17，P20到P27总共16个口来控制光立方的16列，给高电位有效。单片机VCC口到P07口加上上位排阻。这样就可以通过控制每个口的输出信号来控制每个单片机的亮灭。 二、光立方的工作原理 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。利用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。每一列的二极管阳

8、极接到一起受一路P1或者P2口控制，每一层的二极管阴极并联到一起后受同一个P0口控制。每个灯都是由片选端口和控制端口共同决定亮灭的。因此，我们可以随意的来点亮立方体中的任意一处灯，来构建多种多样的图案。三、电路板的焊接与检测调试3.1 电路的焊接过程与注意事项3.1.1 LED光立方的焊接3.1.1.1 将LED灯从点到线的焊接 将LED灯从点到线的焊接是整个光立方搭建的第一步。首先要将LED灯的阴极（长度较短的一脚）掰弯90度。然后找到一块万能板，找好距离之后将两个连在一起的排针共4组固定在万能板上，然后将LED灯平卧插进排针里面固定起来。 这里应该注意取好距离，以免待会做出来的时候光立方不

9、是一个正方体。同时也要注意整个焊接过程不能在LED灯泡旁边停留太久，以免损坏LED灯泡。电烙铁前端烙铁头做好接地，防止焊接时电烙铁的烙铁头静电将LED灯泡击穿。每焊好一条线四个之后，用万用表二极管档位检测一次，并将不亮的灯泡替换掉。焊接的锡不能太多也不能太少，太多则不美观，太少则不牢固。 3.1.1.2 将LED灯从线到面的焊接 每焊好四条线之后，将四条LED灯线插到万能板上，注意取好距离，然后将每一条线最末端的阴极掰弯，让其与隔壁线的阴极相连，然后焊接。最后再在相对的另一边焊接上一条铜线固定。效果图如下 图 3-1 LED灯从线连到面3.1.1.3 将LED灯从面到体的焊接 依次焊好四个面后

10、，先用万用表检测是否有损坏的LED灯泡。然后再开始进行立体的搭建。单人完成立体的搭建不是很方便，最后能有个搭档一起做，同时也能培养团队意识。 由面到体，需要把每一列的阳极都连接起来。在焊接之前最好先取定一下两个平面的高度差，尽量保持整体焊接出来的是个立方体。焊接时可以先焊接四个角脚，起固定作用，然后就可以单人独立完成余下的焊接了。 立体焊接完成以后，需要再次用万用表检测一下是否损坏的灯泡，如果有的话就拆出来更换没有问题的LED灯泡。焊接完成后效果图如下。 图3-2 LED灯从面到体的焊接 图3-3 LED灯从面到体的焊接 图3-4 LED灯从面到体的焊接3.1.2 电路板部分的焊接 焊接电路板

11、前，需要在电路板上大致确定好各个电路元件以及光立方的位置。然后先开始安插，检查无误后才开始焊接固定，焊接固定后再次检查无误，再进行连线。注意焊接过程中，一直到电路板整体确认无误前，都不可以安插单片机，否则焊接过程中可能会损坏单片机。3.1.2.1电源电路的焊接 本系统采用5伏直流电源供电，在电路板上使用DC插座供电。DC插座的三只脚比较大，不能直接插进电路板的洞里面，因此需要先在电路板上标记好DC插座三只脚的位置，然后拿到实验室的钻孔机上钻孔，然后将DC插座插到钻好的孔里面，在背面用较多的锡焊接固定。 确定焊接好DC插座以后，将六脚自锁开关安插在DC座的后面并进行焊接。带整体焊接完成，电路检查

12、无误后，将DC插座的阳极将六脚自锁开关的4脚用导线焊接在一起。 图 3-5 电源电路3.1.2.2 晶振电路的焊接 晶振电路被安排在接近单片机XTAL1/2口的位置，然后按照电路图依次焊接固定。待整体电路检查无误后再进行连线。连线完成后应该用万用表检测连线是否有问题。 图 3-6晶振电路3.1.2.3 滤波电路的焊接 本系统滤波电路被安放在六脚自锁开关后面，这样待会接线比较方便。滤波电路中有使用100uF电解电容，电解电容有分极性，在焊接是千万注意不可接反（一般有灰色杆的一脚为负极），否则通电后电解电容将在很短的时间内升温爆炸。下图为滤波电路。 图3-7 滤波电路3.1.2.4复位电路的焊接

13、复位电路被安排在接近单片机机RST口的位置，三个元件的具体位置如下图所示。复位电路也有电解电容，因此在焊接的时候要特别注意正负极不能接反。安插固定后，也是等整体电路检测无误后在进行连线。 图 3-8 复位电路3.1.2.5 阳极电阻和母座的焊接 光立方并不是直接将阳极焊接在电路板上的，而是用圆孔单排针母座做为基座，将光立方的阳极插在母座上。焊接的时候应该测量好母座之间的距离，以免插光立方的时候出现光立方的阳极对不上孔而插不上去的情况。焊接好母座之后再依次串联上500欧姆电阻。示意图如下。 图 3-9 母座以及电阻的焊接后视图 图3-10母座以及电阻的焊接前视图3.1.2.6 IC插座、上位排阻

14、以及烧写排针的焊接 按照电路图，将上位排阻安插在IC插座的P0端附近，将烧写程序的排针安排在RXD/TXD口附近，再进行焊接固定。 图 3-11 IC插座、排阻及烧写排针位置示意图3.1.3 整体搭线工作 将各个元件固定焊接好后，按照老师给的电路原理图检查一下是否有安插错误的元件。检查无误后就开是接线的焊接了。固定电线焊接之前应该规划一下，避免底面线路杂乱无章。有一些线也可以接到电路板顶面上来，减少底面电线数量，让整个电路板更加美观一些。同时，要用导线将LED光立方每层阴极引下来。图 3-12 接线期间拍摄的照片 图 3-13 阴极引线示意图3.2 电路板的检测步骤与注意事项焊好整个电路板后，

15、就需要进行两遍以上的检测，才可以插上单片机，然后通电写程序。检测的过程大部分是使用万用表二极管档位来完成的。首先进行整体连线是否有问题的检测。当电路中某点电路不连通时，万用表蜂鸣器将不会响，此时应该具体查看是哪个点出现了问题。我做好之后用万用表检测连线情况，都没有什么问题。其次在进行电源正负极有无短接的情况。将表笔放置于电路中各VCC和VSS位置，查看蜂鸣器是否报警。我检测的时候并没有出现正负极短接的情况。然后是整体电路具体的检测，对电路进行多方位、多种多样的检测。知道确保电路没有问题之后才插上单片机进行烧写程序步骤。四、程序下载与电路运行4.1 程序编写与编译的过程以及注意事项 限于作者水平

16、，本光立方系统使用了授课老师所提供的C语言程序，但得到的程序是c文件，必须将其转换为 .hex后缀的文件才可使用。这里需要使用keil uVision4 软件进行编译转换。 使用keil uVision4进行编译之前，需要先搭建正确的编译环境。首先打开keil uVision4软件，点击上面菜单栏一行 “project”菜单，进行新建工程，工程名字不重要，随意取。具体图如下 图 4-1 使用keil uVision4 新建工程然后找到我们使用的单片机型号Atmel目录下的AT89C52 图 4-2单片机型号的查找 图 4-3单片机型号的查找 选择好单片机信号之后在界面左侧project栏目中，

17、新建一个新的文件，注意选择为C程序文件，名字随意，不需要加后缀。具体如下。 图4-4 新建文件 图4-5 文件类型选择选择好文件类型之后来到主页面，点击上方Target Options 按键进行操作。首先将Xtal（MHz）的值从 24 改为 12 ，因为我们使用的晶振频率是12MHz的，然后点击上方Output菜单，将“Create HEX File”选项勾上，待会才能生成 .hex 文件。 图 4-6修改参数 图4-7 修改频率参数 图4-8 修改输出设置 做完以上步骤以后就进行程序的编写，然后编译、组建，就能得到.hex文件供待会使用。4.2 目标文件下载及其注意事项 我所使用的电脑系统

18、是win7系统，在烧写程序之前需要安装串口驱动。幸好班群上有发win7 的驱动文件以及烧写程序。我下载之后就进行写入程序的操作了，使用的软件是 STC-ISP（V6.82）。首先需要查看自己USB转串口是在串口几。需要打开电脑中的设备管理器查看端口是COM几 ，我的电脑接上去后是COM 3。知道串口数后按照图 4-10 操作。这里要注意单片机串口的排针顺序，红线是阳极线，黑线是阴极线，绿色线紧贴着阳极线，白色线紧贴着黑色线。所以从阳极数过来颜色顺序依次是：红、绿、白、黑。在点击下载按钮后，需要对单片机进行冷启动。冷启动就是在原先通电的基础上断电，然后再重新接上电源的启动方式。进行冷启动后，ST

19、C-ISP（V6.82）就会自动的将程序输入到单片机中，并重新运行单片机。此时就可以看到最终效果了，整个光立方系统的制作过程也到此结束了。图 4-9 win7系统上USB端口的查看 图 4-10 STC-ISP（V6.82）软件的操作顺序五、课程总结与体会时间过得真快，为期8周的创新训练课程到此已经接近尾声。通过本课程的学习，使我了解了Protues仿真电路软件的基本使用，Keil uVision4软件的使用和编译环境的搭建，了解了单片机的基本知识和烧写程序步骤，认识了各种基本电路元件，还有锻炼了自己的焊接技术，增长了万用表的使用检测经验，也了解了很多生活中的电路知识。应该说，作为工科专业自动

20、化的学生，我自知应该掌握扎实的理论知识，同时也要提高自己的动手能力，实践能力和综合能力，为以后就业提高竞争力。 现在回想起整个光立方的焊接制作调试过程，我心中充满了感慨。本光立方的制作，包括本论文的书写整理，花费了我很多的时间和精力。在制作的过程中，我经常利用各种各样的空闲时间来进行光立方系统的焊接，没时间的时候也尽量的挤出时间来做工作。 一开始，在充满浓厚气味的实验室中将64颗灯一颗颗掰弯，慢慢的焊接成条，再焊接成面和立体。然后又要用万用表去检测，其实第一次焊接的时候损坏了不少的灯，后来也花了一些时间去拆除替换这些损坏的灯泡。 到了制作的中期，电路板的焊接也花费了很多时间，有时候要盯着电路原

21、理图看很久，在心中规划好各种元件的位置以及电线的搭建牵引。电路板的焊接并不比光立方灯的焊接简单多少，反而觉得更加困难，做好了之后也要进行各种检测，以确保整个电路安全可靠。 到了制作后期，主要是进行电路的调试和程序的烧写工作，老师说过，调试是最花费时间的一个环节，在此次的制作过程中，我深有体会。到程序的烧写工作时，老师还没有教到我们如何做这一工作，因此我是自己上网百度了解，并且下载了烧写程序，自己尝试着去写程序，并没有取得太大的进展。在这过程中我不小心将单片机反接插到IC插座上，十几秒后，我才发现接反了，而此时单片机也出现了发烫的现象。显然，这块单片机已经报废了，因此我被迫中断了整个调试工作，只

22、能买新的单片机。这次意外的发生使我受到了打击，也增添了很多麻烦，所以我当时觉得很不开心。 但是当后来看到自己的光立方亮起的时候，我的心中满满的都是激动、感慨。这个光立方做了也有很多周的时间，到它整个按照程序亮起闪烁的时候，光立方的制作工作已经算是完成了。第一次制作电子产品，先是觉得新奇、激动、兴奋，到中间觉得平淡、乏味，一直到最后的重新激动。感觉整个过程就像心电图般，有跌荡起伏；像看完了一部好莱坞大片，只留我独自慢慢的回想、慢慢的品味这个过程。这种滋味，也许只有经历过的人才能懂得。 如今这门课程已经接近尾声，我想我的光立方也不可能被回收去做教学示范，毕竟它不是那么好看。其实光立方那些灯搭建为立

23、体之后，有不小心在宿舍里被压扁过。所以后来把它再拉回原来的形状，也没有刚开始焊完那么漂亮，这不得不说是我心中永远的痛，每每想起都觉得很可惜。就算现在再焊一个漂亮点的去替换，我也觉得意义没那么大，毕竟这是我第一个焊接的光立方。 总的来看，这门课程对我受益匪浅，在这短短几周的时间里面我学会了很多书本上所没有的知识，在这过程中也不断的受到打击，感受到了自己在专业知识这方面的弱小，包括在后期写本论文，整理电路模块的时候也学到了很多东西，很多知识在课堂上并没有记住或者听懂，但是自己到网上找别人的论文也可以学到很多很多的知识。也成功的做了很多之前没有做过的事情。例如呆在宿舍里，接连焊了几个小时的电路板；例如坐在电脑前，从早到晚的在写着这篇创新实验报告，这也是我第一次写论文，本着希望让它完美的心态，我尽可能的做好这篇报告，也希望老师能感受到这认真完成工作的态度。 在此感谢陈锦儒老师和龙迎春老师这几周来的教学指导，也都陪着我们在有浓重味道的实验室里面焊接，特别是陈老师，每个周一满课实在辛苦，在此表示感谢。作者制作过程中也受到班里同学的热情帮助，在此表示很开心，希望以后实验课也能和大家一起上好。