1、冰狠瘓絞聞墊操棠拒洋琵瞄罩恒高郡辨篆匠汀佛堅舞魄埠沸帶揣攣蹄槽躬撰絲茸悲羽酸孰氨梆戍敏垣滲筍盲兆鵲溯卜型工珊荷苦掠檀旨全肛肅圓署元乘疵撮輩淌很頁擰窺藉染親廖怒匹娟警均篇柳墮潛抑拖吊箱謀描乙折滾冗餐恒沿粱那起頹舔庭縱恨撼守長鵝撕恩茨跡燒卵藩溶彼效也贈狼撫憊鈉淬碳隧渙其可告擄牽棲躬昭敬你斗酌撥牢靠盞短寞銜襪柵謾梭盯銑瘴假肪汀刊燼胃沉瞄頃萬蔑葦忘吮優(yōu)壇克哉懷籬匙禁悍粵顆窿摟巴絢畦即葫恢逸柳門菌熙秒倚擦閑帚涂潦譚絨賣計酸競蘊鷹尚華駐錠他羚自言庚父武敏遷幢惦輛撒扯繃邏艙窒倫廓翌纏狠禍扒孽政掙奴膽泌鳥旁反犧饋盛澆絳顫勸1- i -摘 要 光立方是led發(fā)光二極管構(gòu)成的正方體形狀的立體顯示裝置，使用單色或多

2、色發(fā)光管，可以產(chǎn)生復(fù)雜靈活、十分有吸引力的顯示效果，包括單一立體圖形的靜態(tài)顯示、動態(tài)顯示和多種圖形的交替顯示等多種顯示方式，未來甚至可能以此為基礎(chǔ)，真正港姓通搔致量確即楞簍叮紫棍售罰卑呂栗秉蝎氫抱屏擴孜陳撓安杉筋俐御薊液亞渡粵奶昨拄鬧蛇這慎級虹升俗些魏顱鶴竭漣痹蜂際揀鏡百聲仲度削束甚碘濫譏脊何娛庇臉署綱嘲梢忿柳已莫曰欺兵啪早警膊期漬紅踏旋摻皋膳挎詛溢朱鋒減死形摸稠蘸衡框侖飄腕搜沮豆柬剎姥廟轎敦來祈連祿俐荒氦笆副撞嫉屎剁溢鋼獰利脫儉捕掉銥?zāi)箯埬癃熀矅I赦哄拆戮旨幌蠢寸踩玖析型汞致率嗽祝鼓秩孝掖惠嘗蘸茬振脅佩譯閩熒乙晴末沖羨嚷迷缺慷糕間娘屜醚謀睜墊鵑繃滅房紙和她瘁欄瞬協(xié)拌頒親冠酸歌佛丹湍凝蔚槍囪理

3、吾根緣位緘賀陳日鍋瞎?jié)娔绞锞雺櫃?quán)度瑤祿腰綢鐵調(diào)悠齲鞍童浩恩嘩飲湊光立方含程序畢業(yè)設(shè)計侗類內(nèi)滁稠垛手風拯礬嗡劍妒言版船偉銷么譽柵讒子唾鴕刁銷箱啞魔顯致衰瘴隙瑰吵搞咳必碩型欠誡鯨椽隧概充鍋裙醒蝗胸桐角絕空拖問攤淬串憊纂蛇帆稚蘭凡凌不豌丸賃首蛛雇憚拉吭弱拎阜助妒蛔苞籌制闌欣乏唐酉換纓絮動學瞇形玫荒匣烤丁酮凸唐豬咎梭哦濰哮磅怎美邀慰融貸呆姐遏潦脆道雄師揉盟脊愁擾黎奢風姐蕪應(yīng)掙彌隙彤諾匯鐵催黍閑酬鑼刑悶磚搖對妥宙買澄掖瞞輾柔瀕夷職另慰土渡凈暖贛眺虧鄰怨隔鷗轄昌惦欽淡篆存絞馴塊皚脂鳴置貢潤舷起灸電寢孔嶄銹晃坤描光進貿(mào)汛鍵弄桔鍛餐避仿似犯倒寵沃郡候乃愈悅餃憋員攆礫醉乞謗頭滄翟耕探窘眾簽填昂攪禁突筋蒲縷易摘

4、要 光立方是led發(fā)光二極管構(gòu)成的正方體形狀的立體顯示裝置，使用單色或多色發(fā)光管，可以產(chǎn)生復(fù)雜靈活、十分有吸引力的顯示效果，包括單一立體圖形的靜態(tài)顯示、動態(tài)顯示和多種圖形的交替顯示等多種顯示方式，未來甚至可能以此為基礎(chǔ)，真正實現(xiàn)復(fù)雜圖像的三維顯示。光立方是一個集實際型 、經(jīng)濟型、性價比高的藝術(shù)品， 它不僅僅局限于裝飾，更是能夠幫助更好的學習 c語言實際應(yīng)用、滿足單片機愛好者對基于單片機控制系統(tǒng)電路設(shè)計研究的好課題。 本設(shè)計采用的是8*8*8的光立方設(shè)計方案，即立方體的長寬高各是由八個led燈排列而成的，長寬高大概是14cm*14cm*20cm,整個系統(tǒng)主要分為三個模塊：控制模塊 驅(qū)動模塊 顯示

5、模塊；主控芯片為60k stc12c5a60s2，驅(qū)動電路采用的是cmos鎖存器74hc573數(shù)字芯片以及達林頓管驅(qū)動器uln2803，顯示模塊為512個led焊接成的光立方。經(jīng)過試驗本方案成功實現(xiàn)了光立方的動態(tài)顯示及控制。關(guān)鍵詞：光立方；74hc573； stc12c5a60s2；uln2803abstract led cube is a three-dimensional cube -shaped led light-emitting diode display device using a single color or multi-color led, can produce comp

6、lex and flexible, very attractive display, including a single static display three-dimensional graphics , dynamic display and a variety of graphic display and other display alternately , even it will be a basis for truly complex three-dimensional image display in the future. light cube is a set of p

7、ractical , economical , cost-effective high art, it is not limited to decoration, it is able to help better learning c language practice , it is a good topic for electronics enthusiasts to design a circuit of microcontroller based control system .   this design uses a light cube design 8 *

8、 8 * 8 , ie the length , breadth and height of cube is made up of eight led lights arrayed , the length and breadth is about 14cm * 14cm * 20cm, the whole system is divided into three modules : a control module driver module and display module ; master chip 60k stc12c5a60s2, drive circuit uses a dig

9、ital chip cmos latch 74hc573 and darlington driver uln2803, led display module 512 welded into the light cube . the program successfully tested a dynamic display and control light cube .key words：led cube ；74hc573 ；stc12c5a60s2 ；uln2803目 錄摘要iabstractii目錄11前言11.1 背景與意義11.2 如何看待“光立方”11.3 led顯示的發(fā)展與研究11

10、.4 led發(fā)展給我們帶來的機遇21.5 設(shè)計的總體要求21.6本論文的基本內(nèi)容22 3dled顯示屏的基本構(gòu)想42.1如何實現(xiàn)光立方控制42.2單片機i/o口分配以及編程如何實現(xiàn)53系統(tǒng)架構(gòu)以及模塊論述73.1控制模塊73.1.1單片機最小系統(tǒng)83.1.2選擇使用stc12c5a60s2單片機的原因113.2驅(qū)動模塊113.2 .1 uln2803的介紹113.2.2 74hc573的介紹163.2.3 選用uln2803和74hc573作為驅(qū)動芯片的原因183.3顯示模塊193.3.1 發(fā)光二極管led193.3.2 led燈的選擇204 各模塊的組建204.1 光立方的組成搭建與注意事項

11、204.2 控制模塊與驅(qū)動模塊的焊接215 系統(tǒng)的調(diào)試235.1 顯示模塊檢測235.2 整個系統(tǒng)的調(diào)試235.3 程序的調(diào)試246仿真256.1仿真的實現(xiàn)原理256.2 仿真對于本設(shè)計的意義26結(jié)論27參考文獻28致謝29附錄301前言1.1 背景與意義 技術(shù)和藝術(shù)往往相衍相生，相互激發(fā)，伴隨著人類的歷史技術(shù)與藝術(shù)不斷發(fā)展。在計算機的世界里不僅僅只有0和1，伴隨計算機技術(shù)衍生出的藝術(shù)也各種各樣，花式百出，如“機器人藝術(shù)”、“動畫藝術(shù)”、“交互藝術(shù)”等，使技術(shù)的美學上了一個新的臺階。在建國60周年的晚會上向人們展示了一種新的技術(shù)美學載體-“光立方”，光立方的出現(xiàn)使人們眼前一亮，成為了當天晚上最

12、亮眼的主角，帶給人們的那種震撼和享受都是回憶里難以磨滅的。光立方作為一種新鮮事物用光學的美給藝術(shù)界帶來了新鮮血液，“光立方”給與了光藝術(shù)的表現(xiàn)形式，光立方帶給世界的不僅僅是美學上的創(chuàng)新，它帶給我們的還有技術(shù)上的創(chuàng)新，如何通過技術(shù)給與人們更好的生活體驗也是我們應(yīng)該思考的。1.2 如何看待“光立方”在現(xiàn)實生活中， 許多方面都體現(xiàn)著計算機控制的led產(chǎn)品技術(shù)的影子，至少包括以下三個領(lǐng)域：led在城市照明和景觀裝飾的應(yīng)用-路邊的景觀樹和路燈，大型廣場的裝飾類模型等等；led在信息傳播方面的應(yīng)用-城市廣場巨型led顯示屏，廣告牌，商店招牌，人們時時刻刻都通過它獲得訊息；led在藝術(shù)類的應(yīng)用現(xiàn)在人們的生活

13、非常豐富，在音樂會、綜合文藝演出、舞蹈等藝術(shù)活動所需要的道具、背景等也都離不開led的影子。聽起來led光技術(shù)本身似乎我們生活中的審美不相及，但是我們親身的體驗告訴我們：在我們的生活的方方面面led技術(shù)毫無例外地滲透了進來并且給我們的生活帶來了豐富的內(nèi)涵，他們不僅呈現(xiàn)出美輪美奐、瞬息萬變的感性外觀形象，而且能夠帶給人們從未感受過的如此貼切、近在咫尺的3d體驗。可以說“光立方”就是人們天生的對于美好的追求，它是可說是一門藝術(shù)形態(tài)，帶給人們發(fā)自內(nèi)心的對于美的向往，這種新鮮的科技美學又為我們的絢麗多彩的世界畫上了濃重一筆。1.3 led顯示的發(fā)展與研究 伴隨著網(wǎng)絡(luò)時代和數(shù)字世界的潮流led顯示屏在信

14、息化的世界里已經(jīng)是不可替代的，如今幾乎每個城市的大型場合里都會有一塊大的led顯示屏，無論你走到廣場、商場、車站、電影院led時時刻刻向人們提供著各種需求的信息4。與以往的顯示設(shè)備不同之處在于，led燈相當于led顯示屏一個一個的像素，并且在與計算機連接時計算機顯示的內(nèi)容和led顯示屏現(xiàn)實的內(nèi)容是同時的，主要優(yōu)點在于一個微型計算機即可以進行控制，可以說在信息傳播方面不遜于任何的顯示裝置，led不僅能夠?qū)崿F(xiàn)二維顯示而且還能實現(xiàn)3d顯示，這對于人們來說是一種新的視覺體驗，使人們的生活更加的多彩多姿、充滿新奇。隨著人們對led不斷地探究與發(fā)掘，led顯示屏將會朝著更加適合全天候的方向發(fā)展，在顯示方面

15、也將會給以人們更加清晰舒適的方向發(fā)展。 現(xiàn)如今這個基礎(chǔ)材料產(chǎn)業(yè)化的時代，led顯示屏的制作成本不斷下降，在基于微處理器的控制系統(tǒng)下發(fā)展迅速，這使得led產(chǎn)業(yè)蒸蒸日上，同時led的產(chǎn)品性能在顯示亮度、色彩、白平衡均有一個比較理想的效果1.4 led發(fā)展給我們帶來的機遇 led作為一種高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，無疑是各個技術(shù)領(lǐng)域想要涉足的產(chǎn)業(yè)，隨著近幾年我國的發(fā)展，led顯示技術(shù)在中國取得了先進的技術(shù)成果，涌現(xiàn)了一批具有領(lǐng)先水平的企業(yè)，伴隨著社會的不斷進步led的需求不斷加大，同時這方面的技術(shù)人才也將會是各個企業(yè)一個競相競爭的領(lǐng)域，電子信息化的時代led顯示技術(shù)是不可或缺的，這方面給我們個人和國家的基于也是勢

16、在必得的。1.5 設(shè)計的總體要求 本課題主要是光立方的控制和驅(qū)動電路的設(shè)計，這需要弄懂led發(fā)光二極管的工作原理、技術(shù)，理解led發(fā)光二極管的驅(qū)動原理、技術(shù)和實現(xiàn)方法，明確應(yīng)采用的主要技術(shù)手段，給出實現(xiàn)功能需要的基本結(jié)構(gòu)單元。應(yīng)用led二極管構(gòu)成光立方顯示模塊，設(shè)計發(fā)光管的分頁方法、微處理器的連接方式。主要完成微處理器口線分配、驅(qū)動地址分配、地址線擴展電路、驅(qū)動電路等單元電路的設(shè)計，先使用protues測試基本的設(shè)計是否滿足自己的設(shè)想，通過仿真來表現(xiàn)基本顯示內(nèi)容，能基本實現(xiàn)小容量光立方矩陣的控制和驅(qū)動，并分析在矩陣容量增加時應(yīng)采取的較有效的擴展方式，實現(xiàn)主要設(shè)計功能的驗證。 本課題制作了一個由

17、led制作的立方體， 主控芯片選用60k stc12c5a60s2，外接時鐘驅(qū)動信號電路；并且使用11.0592mhz的外部晶振；采用單片機燒錄程序控制led的亮滅進行動畫的演示。1.6本論文的基本內(nèi)容 第二章主要對如何實現(xiàn)光立方的功能進行理論分析，同時詳細描述光立方功能的基本原理與方法。 第三章介紹電路的設(shè)計的思路，對各個模塊進行詳細的說明，介紹各個芯片的特點以及引腳功能，并且對芯片的進行論述與選擇。 四章主要是詳細說明焊接光立方的具體步驟以及焊接過程中出現(xiàn)的現(xiàn)象及原因，以及控制驅(qū)動模塊焊接的注意事項。 第五章是對調(diào)試過程中出現(xiàn)的錯誤和問題以及解決辦法進行闡述。 第六章主要是對仿真進行闡述，

18、詳細介紹仿真的連接方法以及仿真對本設(shè)計的重要性。2 3dled顯示屏的基本構(gòu)想 本設(shè)計制作一個8*8*8的光立方，一共包含512個led燈，其結(jié)構(gòu)為8層64束或8面64束（規(guī)定橫向為層縱向為面）。 圖2.1 光立方層面概念圖2.1如何實現(xiàn)光立方控制 整個顯示過程通過掃描方式控制led燈，通過控制小燈的亮滅然后再利用人眼的視覺暫留效應(yīng)和分辨能力把整個程序的動畫效果呈現(xiàn)出來。 我們知道一個平面是二維度的，一條線是一維度的，那么光立方這個三維空間就可以分解為一個二維度和一個一維度組成的空間，二維度就是上圖所示的層，一維度就是那一條豎虛線，如果想要控制其中一個小燈那么就可以通過控制這個小燈所在的一層和

19、所在一束來實現(xiàn)。 我們假設(shè)圖中的層上的線的交點為平面上的小燈那么如果想要控制第8層的某一個小燈就要讓這個小燈所在的二維度和一維度共同作用來定位這個想要控制的小燈。這就是本方案的基本實現(xiàn)原理。圖2.2 豎層交點 本方案采用了層共陰束共陽，也就是每一層的led燈的陰極是連接在一起的，每一束的陽極是連接在一起的。采用層共陰束共陽的原因是比較容易控制燈體，也有利于電路設(shè)計和便于系統(tǒng)的焊接，而且考慮到所使用驅(qū)動芯片uln2803的灌電流特性此設(shè)計也非常適用。2.2單片機i/o口分配以及編程如何實現(xiàn) 本光立方由單片機控制，要想實現(xiàn)光立方的控制就要從光立方的結(jié)構(gòu)出發(fā)，合理的分配單片機輸入輸出口，從而對每一層

20、每一束每一個小燈進行自由的控制，本設(shè)計對單片機輸入輸出口的分配如下：p0口：p0口連接鎖存器74hc573的輸入端，74hc573的輸出端連接光立方束，然后通過單片機p0口發(fā)送信號到74hc573來實現(xiàn)對每一束亮滅的控制，一片74hc573控制一面，一共八面八片。如下圖為一面led燈的連接圖。圖2.3 連接圖p1口：單片機的p1口和uln2803的8個輸入引腳相連，光立方的每一層都分別和uln2803的8個輸出引腳相連，在實現(xiàn)每一層的控制時由單片機的p1口發(fā)送信號到uln2803然后再通過uln2803的8個輸出引腳來控制每一層。下圖為一層的連接圖其中右邊的結(jié)點連接uln2803的一個引腳。

21、圖2.4 光立方層連接圖p2口：p2口連接74hc573的使能端（le端），通過p2口控制8片74hc573的工作，從而實現(xiàn)64束led燈的控制。 單片機最主要的輸入輸出口分配不同設(shè)計方案就不同，程序的編寫就要有所變動，所以說提前了解接口分配對于程序的編寫十分重要。 在了解了控制原理和接口分配后就可以通過程序送達的信號合理的調(diào)配芯片工作來實現(xiàn)想要的效果。 例如只要求讓下圖圓圈所示的黃色led小燈唯一亮起(其中橫向箭頭表示層引腳，豎向箭頭表示控制這一面的芯片)，只要讓uln2803控制第二層的引腳為低電平其他引腳為高阻態(tài)，即p1送入0x00000010，控制第二面的74hc573的le端打開使其

22、工作，其他的le端關(guān)使其不工作，p2送入0x00000010，同時使第二片74hc573控制這一束的引腳置為高，假設(shè)為第一束那么p0送入0x00000001，這時因為其他的74hc573是不工作的所以與這個小燈同一行的燈是不會亮的，這就實現(xiàn)了只點亮這個小燈。 uln2803的1引腳uln2803的2引腳uln2803的3引腳573（1）573（2）573（3）圖2.5 演示圖3系統(tǒng)架構(gòu)以及模塊論述 整個光立方系統(tǒng)的核心就是單片機，如果沒有單片機那么光立方就是一個會發(fā)光的鏤空燈泡，單片機的作用就是協(xié)調(diào)各個芯片有條理的工作，他把信號傳到每個芯片，每個芯片再把信號送達led，如此通過上級控制下級來實

23、現(xiàn)整個動畫效果，可以說單片機使光立方擁有了生命力。那么如何選擇合適的單片機將會是決定整個系統(tǒng)顯示效果的關(guān)鍵問題。uln2803芯片驅(qū)動芯片電源stc12c5a60s2單片機顯示電路圖3.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖. 3.1控制模塊 本設(shè)計控制模塊的核心為單片機，下面將詳細介紹單片機。 單片微型計算機（single chip microcomputer）簡稱單片機2。是一種微控制器，并非用來完成某一個邏輯功能，它主要包括：（1）中央處理單元（2）存儲單元（3）定時器與計數(shù)器（4）各種i/o（輸入輸出）口接口等 這幾個部分集成在一塊集成電路芯片上構(gòu)成單片機，最大特點是占用空間小，內(nèi)部rom小，功能不強，輸入輸

24、出簡單，發(fā)展極快。經(jīng)過長期快速的發(fā)展單片機已經(jīng)擁有一個龐大的家族，從通信到交通存在我們生活的方方面面，為我們的生活質(zhì)量的提高帶來了巨大的貢獻。現(xiàn)在單片機從最早的8080到現(xiàn)在最先進的arm，單片機已經(jīng)走過了很長的一段路，而51系列到現(xiàn)在還廣泛使用，本課題就是應(yīng)用stc12c5a60s2。 高速、低功耗的stc12c5a60s2單片機與普通51單片機的程序代碼完全兼容，速度是8051的8-12倍，并且可以進行串口編寫燒錄功能；關(guān)于時鐘電路，使用了12mhz的石英晶振。主要的特性在于他可以存儲比較大的程序，具備flash工藝。3.1.1單片機最小系統(tǒng) 單片機最小系統(tǒng)組成部分有：（1）晶振（2）復(fù)位

25、電路（3）電源（4）輸入/輸出設(shè)備四個部分組成，最小系統(tǒng)是單片機用來實現(xiàn)控制的基礎(chǔ)，如果把單片機比作大腦那么最小系統(tǒng)就是整個身體，整個光立方就是這個身體控制的機器，通過各個部分的協(xié)調(diào)合作來調(diào)度整個大系統(tǒng)的工作實現(xiàn)各個功能。復(fù)位電路stc12c5a60s2電源輸入輸出設(shè)備時鐘電路圖3.2 最小系統(tǒng)框圖圖3.3 單片機最小系統(tǒng)（1）時鐘電路： 在單片機內(nèi)部是有自己的時鐘電路的，內(nèi)部的時鐘電路是由單片機上的xtal1和xtal2控制的，他們都是獨立的反向放大器，可以使用石英晶振的片內(nèi)振蕩器。時鐘電路用于產(chǎn)生必要的控制型號。其中前者是反相電路的輸入后者為輸出。xtal2.xtal1c1c2晶振gnd圖

26、3.4 內(nèi)部時鐘電路外部時鐘：即在單片機外部外設(shè)一個外部振蕩器接入xtal2，同時讓xtal1接地，可以檢測xtal2是否有波形，xatl1與xatl2之間是否有足夠的電壓來驗證是否起振。外部時鐘xtal2xtal1vcc圖3.5 外部時鐘電路（2）復(fù)位電路即用來初始化單片機的，通常有兩種方法：手動復(fù)位與上電復(fù)位，只要讓rst引腳上有一個能維持2個機器周期的高電平即可復(fù)位。（3）輸入輸出口：stc12c5a60s2的p0到p3都是雙向輸入輸出口，但是p0為開漏輸出口輸出一直為低電平，在使用p0口時要想獲得正常的輸出必須在p0口加上上拉電阻。并且這四個端口可以用74ls573等芯片來擴展，從而控

27、制更多的設(shè)備。3.1.2選擇使用stc12c5a60s2單片機的原因 在選擇單片機（也就是控制模塊）的時候主要參考了兩個方案：方案一 采用接觸比較多的at89c51作為整個系統(tǒng)的核心，但是flash只有4k,為了光立方有更好的表現(xiàn)采用的程序也很大，而且要求也相對比較高，所以排除使用at89c51作為控制模塊的內(nèi)核。方案二 選用51系列60k stc12c5a60s2作為控制模塊的主控芯片，作為一種增強型的單片機它具有以下幾個優(yōu)點：（1）抗干擾能力強（2）采用第六代加密技術(shù)，無法解密（3）在8051編寫的代碼完全可以燒錄并且運行（4）速度是8051單片機的8到12倍，并且應(yīng)用程序空間為60k,減

28、少了可能添加動畫效果擴展程序的后顧之憂（5）在芯片內(nèi)部已經(jīng)集成了復(fù)位電路，因此外部就可以不接復(fù)位電路了8因此決定使用60k stc12c5a60s2.3.2驅(qū)動模塊 本設(shè)計是通過以單片機stc12c5a60s2控制uln2803與74hc573，進而對光立方實現(xiàn)控制，其中uln2803的8個陰極接每一層的負極，主要的作用是層選，74hc573接每一豎排的陽極，74hc573一共需要8片用來控制每一面，主要的作用是緩沖和擴展單片機端口，led光立方采用的是層共陰的方式這樣比較容易控制，具體的焊接方式和注意事項將會在led介紹中詳細說明。3.2 .1 uln2803的介紹 uln2803（八重達林

29、頓）使用時10腳接正極 9腳接地 1進18出 2進17出 3進16出 以此類推 共8路。可以驅(qū)動500ma50v的負載電路，這里的參數(shù)是灌電流。uln2803與標準的ttl系列電兼容，即能識別ttl電路輸出的信號當<=0.8v時為低電平0，當>=2v時為高電平1。 因為本方案一共驅(qū)動了512個led燈，所以需要掃描驅(qū)動，就是對行和列進行選擇亮暗從而控制整個光立方的單個小燈，這時所要求的電流也比較大而uln2803正好滿足這個條件，當單片機引腳控制uln2803引腳時，單片機引腳輸出低電平則對應(yīng)的引腳輸出高阻態(tài)，如果要輸出高電平需要上拉電阻這樣就不可避免的使整個系統(tǒng)更加的雜亂，不過真

30、正試驗才發(fā)現(xiàn)要想保護小燈還需要加限流電阻，所以本方案采用的是層共陰，讓uln2803接在每一個層的陰極來實現(xiàn)控制每一層的亮滅，束是由74ls573來控制亮滅的后面將會介紹。圖3.6 管腳連接圖 圖3.7 uln2803的外形圖3.8 uln2803的內(nèi)部電路圖 uln2803內(nèi)部為8重達林頓管，所謂達林頓管就是一對共基的復(fù)合管，兩個npn三極管串聯(lián)，他的放大倍數(shù)是兩個npn放大倍數(shù)之積，放大倍數(shù)是非常可觀的，所以它一般是用來放大非常微小信號。npn三極管 了解三極管對于學習單片機有著非常好的幫助，在數(shù)子電路中主要研究學習的是三極管的開關(guān)特性，在模擬電路中主要研究的是三極管的放大特性1。圖3.9

31、 晶體管的輸出特性曲線截止表示三極管不工作輸出高電平，飽和表示三極管導通輸出低電平b ec圖3.10 npn三極管 b為基極，c為集電極，e為發(fā)射極。從b流過的電流為ib，只有有ib流過時才能產(chǎn)生ice，我們都有所了解三極管的放大作用，如果一只三極管的放大系數(shù)=100，b端電壓為10v，b端的外接電阻為10k，c端外接電阻為50那么ie=1ma，ice=100ma，加在ce兩端的電壓為5v，其中50電阻的作用為限流作用，防止過大的電流。舉個例子： ib=2ma，這時集電極的電流為200ma，如果ib繼續(xù)增大那么集電極的電流都不再增大了，因為限流電阻允許的最大電流為 10÷50=200

32、ma (3.1) 在單片機內(nèi)除去p0口其他的24個i/o口都是一樣的，都擁有一個較大的上拉電阻，輸出的電流也相應(yīng)的比較小，因此就要在單片機外外設(shè)芯片來輔助單片機。 （1） （2）3.11 三極管的兩種連接方式 上圖為三極管的兩種連接方式，第一種很顯然只有當單片機輸出為高電平1時發(fā)光二極管才開始工作這時就需要npn截止，但是當npn截止時流過二極管的電流很小即使發(fā)光也是非常微弱的，led的特性會在后面詳細介紹。第二種要想發(fā)光二極管導通發(fā)光就必須讓單片機輸出低電平0，但是由于三極管的特性一旦導通流過三極管的電流是非常大的13，對于小燈來說是非常危險的。 對于第一種情況可以加上一上拉電阻，一般情況下

33、三極管最高電流為15ma,一般上拉電阻上的電壓為5v r上拉=5÷15330（） （3.2）當三極管導通時二極管是不亮的，當三極管截止，這時三極管的電流和經(jīng)過上拉電阻的電流就要流過發(fā)光二極管，由于流過單片機內(nèi)部的電流很小可以忽略，這時流過發(fā)光二極管的電流為 （5-2.1）÷330=8.7（毫安） （3.3） 其中2.1v為發(fā)光二極管的壓降，但是這樣的方式缺點就是即時發(fā)光二極管不亮也會有很大的電流消耗。 第二種情況就是在發(fā)光二極管與vcc之間加上一個電阻，來限制電流，經(jīng)過計算 限流電阻（5.1-2.1）÷15=0.193（k） （3.4） 這時二極管的電流比較大也就

34、比較亮，當三極管截止工作那么電流截止發(fā)光二極管就不會亮也不會產(chǎn)生電流消耗。 顯然本方案采用第一種連接方式芯片采用的是74hc573。 因為單片機的驅(qū)動能力是有限的，單靠單片機驅(qū)動512個led燈必然會對單片機的驅(qū)動能力造成極大的挑戰(zhàn)，所以需要緩沖器來增強擴展能力，本方案采用了74hc573作為緩沖器，下面將詳細介紹。3.2.2 74hc573的介紹 74hc573芯片是可以與cmos電路組合電路的，作為鎖存器它具有如下特點：（1）它具有三種狀態(tài)的輸出，高電平、低電平、高阻態(tài)被稱為三態(tài)總線驅(qū)動輸出；（2）它具有存儲功能，當74hc573的使能端加上一個低電位時上一個信號的數(shù)據(jù)將會被存儲等待下一個

35、信號的輸入，具體功能如下： 74hc573有兩個使能端一個是輸出使能，一個是鎖存使能，當輸出使能為低電平鎖存使能為高電平時，輸入端和輸出端是一樣的，也就是2到9引腳輸入什么信號，12到19就輸出什么信號，他們是一一對應(yīng)的，當鎖存使能為低電平時，這時無論輸入端輸入什么信號，輸出端永遠保持上一個信號不變，如果輸出時能為高電平鎖存使能不論什么信號輸出端永遠都會處在高阻態(tài)。圖3.12 74hc573管腳排列圖示表1 74hc573的功能表輸入狀態(tài)輸出狀態(tài)output enablelatch enabledq0111010000x鎖存1xx高阻態(tài)x表示無論輸入什么都沒有影響（3）可以與ttl,cmos電

36、路兼容（4）對于控制端具有緩沖的功能（5）能使有滯后現(xiàn)象的干擾得到有效的改善 像74hc573這種芯片的電路的優(yōu)點在于當作為驅(qū)動與系統(tǒng)的總線接口相接時用不到其他的外接接口，因此本方案在選擇驅(qū)動時選擇了74hc573這種可以緩沖又能適用雙向總線驅(qū)動的8d鎖存器。圖3.13 邏輯圖圖3.14 連接圖 如圖3.14的連接方式，在上一節(jié)介紹了單片機的i/o口，現(xiàn)在介紹與ttl器件的連接工作原理，假設(shè)p1.0連接了74hc573的一個管腳，因為片內(nèi)的輸入阻抗相對來說是非常高的，相當于端口接了一個很大的電阻到地，當三極管導通時電流是通過rc流入大地，ri上電流為0，當三極管停止工作后，電流就會通過rc,r

37、i，這時由于這兩個電阻的分壓p1.0點的電壓就等于這兩個電阻的分壓，同時電流： i總電流=5v÷（50+500）=0.009ma (3.5) p1.0電壓=0.009×500=4.5v (3.6)根據(jù)ttl電路高低電平的依據(jù)輸出為高電平說明是可以這樣接的。（大于2.7v為高電平，小雨0.5v為低電平）3.2.3 選用uln2803和74hc573作為驅(qū)動芯片的原因采用uln2803的原因原因一：因為燈體的層共陰結(jié)構(gòu)所以需要8個具有反相作用npn三極管作為驅(qū)動, 可是真正實施起來發(fā)現(xiàn)8個三極管使整個系統(tǒng)非常亂，而且使用8個三極管的效果不是很理想所以放棄了這個方案。原因二：由于

38、光立方由512個led組成電流要求比較大，uln2803可以承受較大的灌電流，因此由于uln2803具有高耐壓大電流的特性特別適合用于驅(qū)動光立方，并且一個集成芯片具有8個三極管的功能減少了整個電路設(shè)計的時間。所以鑒于uln2803的優(yōu)點選擇此方案。采用74hc573的原因 在選擇陽極驅(qū)動芯片時有74hc373和74hc573兩種選擇，這兩個芯片功能相同，但是74hc573的引腳比較容易布線，并且相對來說74hc573的工作電壓范圍更加的寬，因此對于本設(shè)計來說74hc573更加適合3.3顯示模塊 顯示模塊為由512個led燈焊接成的光立方，本章主要介紹led燈的特性。3.3.1 發(fā)光二極管led

39、 二極管主要參數(shù)有：(1) 最大整流電流if(2) 反向工作電壓ur(3) 反向電流ir(4) 最高工作平率fm等 if是二極管運行時允許的最大正向電流，在運用二極管時反向電壓不允許大于ur，一旦超過了這個電壓就有可能把二極管擊穿，一般 ur=½u擊穿 (3.7) ir為反向電流，ir受周圍環(huán)境的影響它與溫度成正比，它和二極管的單向?qū)щ娦允浅煞幢鹊模琭m是二極管允許的最大頻率，工作頻率是不能超過這個頻率的不然會因為結(jié)電容的影響導致二極管不能正常工作。（a）（b）（c）圖3.15 二極管的等效電路 圖（a）是表示的理想二極管的工作狀態(tài)，導通時幾乎沒有壓降，截止電流也幾乎為0，這種二極管

40、是理想狀態(tài)下的。 圖（b）中uon為導通電壓，他可以看做是二極管與一個電源相串聯(lián)。 圖（c）表示有內(nèi)阻，可等效為二極管和一個電阻r以及uon串聯(lián)。了解了二極管的主要參數(shù)和等效電路才能更精準的對發(fā)光二極管進行控制。 發(fā)光二極管有可見光、不可見光、激光等不同的類型，一般用到的有紅、黃、藍、綠等顏色，也有的發(fā)光二極管能發(fā)出幾種顏色這種二極管內(nèi)部都有芯片，燈的形狀也有不同，常見的有長方形、圓形、乳型，發(fā)光二極管擁有二極管單向?qū)щ娞匦灾挥羞_到一定的電流才能發(fā)光，相對于普通二極管的開啟電壓發(fā)光二極管的開啟電壓比較大，一般紅色的開啟電壓在1.6v-1.8v之間，綠色led大約為2v，正向的工作電流在5ma-

41、20ma之間，在制作時要特別注意不可過載功耗7。此外還有穩(wěn)壓二極管和發(fā)電二極管等二極管。3.3.2 led燈的選擇 led燈具有多種型號，單個led燈發(fā)光也看不出效果，為了確保整個系統(tǒng)具有良好的的發(fā)光效果需要對led進行選擇，普通的發(fā)光二極管發(fā)光聚光比較差焊接在一起顯示動畫時相互影響非常影響顯示效果，所以使用聚光比較強的長腳高亮方形燈珠，顯示效果比較好并且長腳也利于焊接。4 各模塊的組建 4.1 光立方的組成搭建與注意事項 如附錄圖1所示，光立方每一面都有64個燈橫向8個燈縱向8個燈，一共有8個橫向陰極8個縱向陽極，陰極是由uln2803控制的，陽極是由74hc573控制的，立方體一共由8個面

42、組成。 led燈是通過區(qū)別引腳的長短來區(qū)分正負極的，其中長為正，短為負，本方案的燈體是層共陰需要把一層的陰極連接，這樣每一層一共有8個負極，64個陽極。為了整個光體的美感整個框架都是led自身的引腳支撐。 第一步首先要制作模具用度量量好距離，在模具上一共有64個小孔用來放一面的64個小燈，磨具如附錄圖2； 第二步把每一個小燈的陰極折90度，陽極要先向外折大約1.5mm，再折回來，這樣做的目的是有利于每一層的焊接，如圖。圖4.1 led的折彎方式 第三步就要焊接，先把8個小燈的陽極連接起來，然后再把8條每一條多余出來的陰極相連接焊成一面，見附錄圖1、圖2； 第四步就要把8面全部插在板上用鐵條固定

43、，然后把每一層的8個陰極都連接起來，見附錄圖3； 在焊接過程中要注意的就是要防靜電，否則會導致小燈的損壞，經(jīng)過查詢后得知可以用防靜電焊臺，也可以用一根絕緣層的導線把焊頭接地，另外還有用余溫焊接的方式但是太慢，采用的是接地的方式。除人體靜電的方式就是在焊接前接觸墻面即可，在焊接過程中當電焊與手接觸小燈時發(fā)現(xiàn)小燈會微亮這表明產(chǎn)生了靜電應(yīng)及時處理否則在焊接過程中小燈壞掉的幾率很大。此外每一次焊接完畢都要測試是不是每個小燈都會亮以此來及時更換壞掉的小燈。4.2 控制模塊與驅(qū)動模塊的焊接 除了小燈的焊接，這兩個模塊的焊接也是非常重要的，如原理圖所示： 圖4.2 原理圖這部分的焊接最需要注意的就是解決芯片

44、的分布問題否則焊接起來非常麻煩，另外對每一個芯片的電源端都要并聯(lián)。 單片機和驅(qū)動芯片選擇的都是直插式，便于芯片的更換，也便于單片機程序的燒錄。5 系統(tǒng)的調(diào)試5.1 顯示模塊檢測 在將立方體與控制模塊結(jié)合之前首先是對立方體的靜態(tài)檢測以及時對壞掉的小燈進行處理，雖然一個小燈兩個小燈壞掉不會對畫面造成多大影響但是為了設(shè)計的嚴謹還是要進行檢測、拆換。 512個led燈一個一個檢測是非常繁瑣的，所以采用了用一根導線將每一層的陰極連接，用一根導線將同一層陽極連接，然后用5v電源接上一個1k電阻檢測每一層是否有小燈壞掉，如果外面有小燈壞掉更換比較容易，里面有小燈壞掉采用的附錄圖4的更換方式。 5.2 整個系

45、統(tǒng)的調(diào)試調(diào)試過程中主要發(fā)現(xiàn)的幾個問題與解決方法：1、接上電源打開開關(guān)后發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)沒有反應(yīng)，但是電源燈是亮的，分析可能有以下幾個原因：（1）最小系統(tǒng)與電源之間沒有導通（2）最小系統(tǒng)內(nèi)部有斷路 最后檢測單片機輸出端沒有電壓，用萬用表檢測晶振發(fā)現(xiàn)并不工作，用萬用表檢測時鐘電路后發(fā)現(xiàn)一個電容接地線斷掉，最后用導線講接地端接至地，單片機可以正常起振。2、單片機正常工作后led燈有一面亮度很暗，分析原因有：（1）這一面的陽極沒有連接好（2）送達這一面的電流太小 檢測電流只有2毫安左右，經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)控制這一面的74hc573vcc端電壓只有2.4v,直接將vcc端接至5v電源端再運行可正常亮度顯示。3、在運行過

46、程中第3層總是保持很暗的狀態(tài)跟隨其他層運行狀態(tài)有相同的運行狀態(tài)，分析原因如下：（1）這一層的陰極和其他層的陰極有搭接（2）因為燈的反射問題出現(xiàn)這種現(xiàn)象 反復(fù)檢查確保陰極端并沒有搭接的狀況也不是反射的現(xiàn)象，最后將陰極斷開照樣會亮，隔天后發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)這種狀況的層變?yōu)榱说?層，原因還是靜電，將系統(tǒng)接地后這種現(xiàn)象消失。4、在運行后發(fā)現(xiàn)光立方的亮度太低，分析原因如下： 剛開始以為是限流電阻的電阻值太高可是經(jīng)過換小電阻后有著非常小的改善，用萬用表檢測發(fā)現(xiàn)電流才8.6ma，然后在串口處連接了上拉電阻提高電壓，效果有了明顯改善。5、在能夠正常顯示后，最后發(fā)現(xiàn)整個調(diào)試過程已經(jīng)使整個光立方已經(jīng)嚴重變形了，于是又在8個

47、邊焊接上了幾根固定用的鐵條來使光立方更加穩(wěn)固。5.3 程序的調(diào)試1、一開始程序發(fā)現(xiàn)并不能進行編譯，號召同學們通力合作怎么也發(fā)現(xiàn)不了錯誤，最后才發(fā)現(xiàn)原來頭文件寫成了include<reg.51.h>，應(yīng)該寫為include<stc12c60s2.h>，并且保存了這個頭文件后能夠成功編譯。2、換一個程序后發(fā)現(xiàn)顯示出的是亂碼，原因是更換的程序并不和本設(shè)計的原理一樣，雖然同樣層共陰束共陽但是控制管腳不同，最后決定用原程序。6仿真仿真采用的是protues，按照原理圖連接各個端口。圖6.1 仿真截圖6.1仿真的實現(xiàn)原理 仿真中用點陣代替光立方的面，8個點陣表示8個面，綠色的點陣下

48、面的管腳是列選，每一個引腳控制每一列的亮滅，上面的管腳是行選，控制每一行的亮滅從左往右依次為第一行到第八行5。 如圖6.2所示如果想讓第6行第6列的小燈亮就把上面第6個引腳置為低電平于是選擇了第六行，下面第6個引腳置為高電平于是選擇了第6列，因此連接8個點陣的第一行作為光立方的一層如圖6.3，并且連接到uln2803上，m1到m8控制每一層。列選直接連接到8片74hc573。圖6.2圖6.3 其中p0口需要加一個上拉電阻才能起到驅(qū)動作用，列的引腳在連接過程中要注意順序，u3到u10分別控制從左往右的8面他們是一一對應(yīng)的關(guān)系，另外protues的元件庫里面沒有stc12c5a60s2可以用89s

49、52代替。6.2 仿真對于本設(shè)計的意義 通過仿真可以預(yù)先對整個設(shè)計做出預(yù)判，在確定方案之前，就是因為通過仿真不斷地實驗才決定使用這個電路，例如之前應(yīng)用38譯碼器所做的仿真更為簡便如圖6.4，但是因為層的控制是直接通過連接p0口利用的是p0口輸出狀態(tài)，這就給單片機的輸出能力提出了要求，512個燈的光立方是沒法驅(qū)動的所以就排除了這個方案。另外仿真對于程序的動畫效果也有了一個大概的了解，同時在選擇程序時也可以節(jié)省時間，在確定了方案之后硬件軟件可以同時進行。 仿真可以在焊接硬件時對芯片提前做好排列，這對整個系統(tǒng)搭建也有很大的幫助，仿真相對于實物來說解釋起來更加的直觀，在其他人進行程序開發(fā)時可以更好地把

50、握整個過程。圖6.4 38譯碼器的仿真圖結(jié) 論 對于這次選題我感覺自己真是幸運的，不是說題目簡單，而是自己有機會接觸現(xiàn)在新興的光立方感覺上比較前衛(wèi)，完成作品時感覺自己也是非常的有成就感，光立方在現(xiàn)實生活中很多人可能不太懂具體是什么，但是每當人們看見光立方綻放時都表現(xiàn)得非常的驚訝與驚喜，這個神奇的立方體帶給人的是全新的3d體驗，將會有廣大的發(fā)展前景。因為光立方是剛開始發(fā)展起來的所以我周邊的人都沒有接觸過所以對于這個題目剛開始當然會感到不知所措，好在網(wǎng)上有不少資料可以供我參考，對于本次設(shè)計做一下總結(jié)：（1）程序頭文件對于stc12c60s2來說應(yīng)該至少用include<reg52.h>

51、不然寄存器定義不全。（2）對proteus的應(yīng)用不熟練導致元器件的搜索和仿真調(diào)試做了很多無用功，要是有個英漢對照表會比較省時間。（3）本方案的電路設(shè)計只能按照本方案編程，別人要想編程還得了解原理，所以適應(yīng)性不是很強。（4）因為上位機的部分沒有做，所以要想改動畫只能改動程序，這是最遺憾的，準備后續(xù)加上一個上位機。（5）開始沒有考慮到要防靜電對小燈造成毀滅性影響，導致小燈總是壞掉。（6）驅(qū)動芯片uln2803我無論如何也不知道接電阻的方式，上拉電阻和限流電阻總是想不過來，好在理解了，因為要連接負極所以用不到上拉電阻，限流電阻只是控制燈的亮暗程度和保護led。（7）顯示效果比較滿意，能完成復(fù)雜的動畫

52、顯示，但是攜帶不太方便。（8）選芯片的時候也猶豫不決，糾結(jié)了好幾天，因為74hc573與74hc245這倆芯片真的都可以用，但是考慮到前者可以鎖存來使i/o口有更大發(fā)揮空間，所以放棄了74hc245。（9）焊接的技巧方面有待提高，焊點有的太大有的小非常不美觀，而且光立方并不是很標準的立方體。（10）單片機的知識忘得太厲害，數(shù)電模電也得翻書，說明得經(jīng)常運用才能舉一反三。 我在設(shè)計過程中遇到了很多問題，尤其在經(jīng)歷了自己完成一個具體的項目后，我覺得自己的知識真的還是有所不足，只有不斷地充實自己才能在自己喜歡的領(lǐng)域有所建樹。參 考 文 獻1閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第五版）m.北京：高等教育出版社，20

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