電子系3D光顯示器畢業(yè)論文

1、PAGE II韶 關 學 院畢 業(yè) 設 計題 目：3D光立方顯示器的設計學生姓名：張三學 號：XXXXXXXXXXX院 （系）：物理與機電工程學院 電子系專 業(yè)：電子信息科學與技術班 級：2012級1班指導老師姓名及職稱：李四 講師起止時間： 2015 年 9 月 2016 年 1 月（教務處制表）3D光立方顯示器的設計摘要：本文介紹了三維立體顯示圖案的LED光立方顯示器設計。本系統(tǒng)采用STC12C5A不僅可以像發(fā)光二極管點陣一樣顯示平面的靜態(tài)或動態(tài)畫面，還可以顯示立體的靜態(tài)或動態(tài)畫面，打破了傳統(tǒng)的平面顯示方案。光立方顯示比發(fā)光二極管點陣更具有視覺效果，而且畫面圖案更加非富多彩。關鍵詞：光立方

2、；音頻顯示；發(fā)光二極管The design of the 3D cubic light displayAbstract: This paper introduces the design of 3 d stereo display LED light cube display design.This system uses STC12C5ANot only can be like led dot matrix display flat static or dynamic images, can also display the three-dimensional static or dynam

3、ic images, broke the traditional graphic display solutions.Light cube shows led lattice is more than the visual effects, and design more rich and colorful picture.Key word: light-cube; audio-display;light emitting diodePAGE 28目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc435710623 1 背景與意義 PAGEREF _Toc43571062

4、3 h 1 HYPERLINK l _Toc435710624 1.1 LED顯示屏的發(fā)展概況 PAGEREF _Toc435710624 h 1 HYPERLINK l _Toc435710625 1.2 LED顯示屏研究現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc435710625 h 1 HYPERLINK l _Toc435710626 1.3 設計的總體要求 PAGEREF _Toc435710626 h 2 HYPERLINK l _Toc435710627 2 系統(tǒng)設計方案論證 PAGEREF _Toc435710627 h 2 HYPERLINK l _Toc435710628 2.1 系統(tǒng)

5、硬件方案論證 PAGEREF _Toc435710628 h 3 HYPERLINK l _Toc435710629 2.1.1 3D光立方顯示器核心系統(tǒng) PAGEREF _Toc435710629 h 3 HYPERLINK l _Toc435710630 2.1.2 電源電路 PAGEREF _Toc435710630 h 3 HYPERLINK l _Toc435710631 2.1.3 列驅(qū)動電路 PAGEREF _Toc435710631 h 4 HYPERLINK l _Toc435710632 2.1.4 層面驅(qū)動電路 PAGEREF _Toc435710632 h 5 HYPE

6、RLINK l _Toc435710633 2.1.5 串口通訊芯片的選擇 PAGEREF _Toc435710633 h 5 HYPERLINK l _Toc435710634 2.1.6 LED發(fā)光二極管 PAGEREF _Toc435710634 h 6 HYPERLINK l _Toc435710635 2.1.7 硬件電路繪圖軟件 PAGEREF _Toc435710635 h 6 HYPERLINK l _Toc435710636 2.2 系統(tǒng)總體軟件方案選擇 PAGEREF _Toc435710636 h 6 HYPERLINK l _Toc435710637 2.2.1 程序編

7、寫語言的選擇 PAGEREF _Toc435710637 h 7 HYPERLINK l _Toc435710638 2.2.2 程序編譯環(huán)境KEIL的簡介 PAGEREF _Toc435710638 h 7 HYPERLINK l _Toc435710639 3 系統(tǒng)硬件電路設計 PAGEREF _Toc435710639 h 7 HYPERLINK l _Toc435710640 3.1 硬件整體設計概述及功能分析 PAGEREF _Toc435710640 h 7 HYPERLINK l _Toc435710641 3.2 電源供電系統(tǒng)設計 PAGEREF _Toc435710641 h

8、 8 HYPERLINK l _Toc435710642 3.3 單片機最小系統(tǒng)設計與分析 PAGEREF _Toc435710642 h 8 HYPERLINK l _Toc435710643 3.3.1 時鐘電路設計 PAGEREF _Toc435710643 h 9 HYPERLINK l _Toc435710644 3.3.2 復位電路設計 PAGEREF _Toc435710644 h 10 HYPERLINK l _Toc435710645 3.4 驅(qū)動電路設計 PAGEREF _Toc435710645 h 11 HYPERLINK l _Toc435710646 3.4.1 層

9、驅(qū)動電路設計 PAGEREF _Toc435710646 h 11 HYPERLINK l _Toc435710647 3.4.2 列驅(qū)動電路設計 PAGEREF _Toc435710647 h 12 HYPERLINK l _Toc435710648 3.5 通信系統(tǒng)硬件設計 PAGEREF _Toc435710648 h 13 HYPERLINK l _Toc435710649 3.6 3D光立方顯示器工作原理介紹 PAGEREF _Toc435710649 h 14 HYPERLINK l _Toc435710650 4 系統(tǒng)軟件設計 PAGEREF _Toc435710650 h 15

10、 HYPERLINK l _Toc435710651 4.1 概述 PAGEREF _Toc435710651 h 15 HYPERLINK l _Toc435710652 4.2 主程序設計 PAGEREF _Toc435710652 h 15 HYPERLINK l _Toc435710653 4.3 顯示程序的設計 PAGEREF _Toc435710653 h 16 HYPERLINK l _Toc435710654 4.3.1 顯示程序的設計 PAGEREF _Toc435710654 h 16 HYPERLINK l _Toc435710655 4.4 軟件程序下載方式 PAGER

11、EF _Toc435710655 h 17 HYPERLINK l _Toc435710656 5 光立方PCB版制作 PAGEREF _Toc435710656 h 18 HYPERLINK l _Toc435710657 6 系統(tǒng)測試 PAGEREF _Toc435710657 h 18 HYPERLINK l _Toc435710658 6.1 硬件系統(tǒng)測試 PAGEREF _Toc435710658 h 18 HYPERLINK l _Toc435710659 6.2 軟件系統(tǒng)測試 PAGEREF _Toc435710659 h 19 HYPERLINK l _Toc435710660

12、 6.3 系統(tǒng)總體測試 PAGEREF _Toc435710660 h 19 HYPERLINK l _Toc435710661 6.4 系統(tǒng)測試結果與結論 PAGEREF _Toc435710661 h 20 HYPERLINK l _Toc435710662 6.4.1 測試結果分析 PAGEREF _Toc435710662 h 20 HYPERLINK l _Toc435710663 6.4.2 測試結論 PAGEREF _Toc435710663 h 20 HYPERLINK l _Toc435710664 7 結束語 PAGEREF _Toc435710664 h 21 HYPER

13、LINK l _Toc435710665 致謝 PAGEREF _Toc435710665 h 22 HYPERLINK l _Toc435710666 參考文獻 PAGEREF _Toc435710666 h 23 HYPERLINK l _Toc435710667 附錄1 總體電路原理圖 PAGEREF _Toc435710667 h 24 HYPERLINK l _Toc435710668 附錄2 電路PCB版圖 PAGEREF _Toc435710668 h 25 HYPERLINK l _Toc435710669 附錄3 電路實物圖 PAGEREF _Toc435710669 h 2

14、6PAGE 273D光立方顯示器 作者姓名：電子信息科學與技術2012級1班 張三指導教師：李四 講師 1 背景與意義1.1 LED顯示屏的發(fā)展概況隨著現(xiàn)代社會的高速信息化發(fā)展，人機視覺信息傳播的顯示產(chǎn)品和視覺顯示傳播技術的迅猛發(fā)展，LED顯示屏已經(jīng)在各大領域中起著舉足輕重的作用。隨著網(wǎng)絡的不斷發(fā)展，大屏幕顯示設備將代替?zhèn)鹘y(tǒng)顯示設備進入每家每戶，成為現(xiàn)代社會信息傳播必不可少的設備。相對于傳統(tǒng)的顯示設備來講，這種LED信息顯示技術將帶領社會更好地發(fā)展，在社會的信息傳播上占有一席之地，打破了傳統(tǒng)顯示屏信息傳播的瓶頸。LED顯示屏能夠顯示圖文還有視頻，能夠靜態(tài)顯示也能夠動態(tài)顯示，有LED矩陣塊組成，

15、擁有很好的分辨率，讓人們可以看到更好的畫質(zhì)，提高了信息傳播的準確率。LED顯示屏動態(tài)顯示時候，能夠與計算機顯示信息數(shù)據(jù)同步，能夠?qū)崿F(xiàn)同步顯示漢字、圖形等信息；而且還能夠進行動態(tài)控制，使用這種LED顯示屏使得在信息傳播上擁有更好的實時性、同步性和清晰度，促進了社會的經(jīng)濟文化發(fā)展。在室內(nèi)、室外的各方各面都能夠起到各種作用，比如能夠用于室內(nèi)裝飾，室內(nèi)室外的環(huán)境信息傳播，顯示色彩鮮艷飽滿，強大的立體感，能夠廣泛應用在車站、工地、超市、醫(yī)院、證劵市場、企業(yè)單位、工業(yè)基地等場所。隨著社會經(jīng)濟和文化的不斷發(fā)展，LED顯示屏也在不斷完善與發(fā)展，不僅顯示技術的提高，傳輸數(shù)據(jù)與圖像處理技術也不斷提高，使得LED顯

16、示器在社會的影響力更大，往更好地方向發(fā)展1。1.2 LED顯示屏研究現(xiàn)狀隨著我國社會經(jīng)濟文化發(fā)展，顯示屏技術也在不斷更新。LED顯示已經(jīng)在我們生活中無處不在了。因為平面的彩色LED顯示產(chǎn)品已經(jīng)在市場上占據(jù)了很長一段時間，在未來的發(fā)展，三維技術也會不斷應用到LED顯示產(chǎn)品上，三維的立體效果更加能夠帶給我們信息的視覺沖擊，技術上突破了二維的平面顯示。LED產(chǎn)品從二維提升到三維，技術上的提高，還有難度的加大，也促進了三維技術發(fā)展。而且三維的LED顯示屏性價比會比二維的更好，在未來，全彩色的三維LED顯示屏會越來越多的出現(xiàn)在我們視野上，戶外的廣告?zhèn)髅綍倪x擇三維的LED顯示產(chǎn)品作為信息傳播媒介，體育館

17、等公共場所用三維LED顯示產(chǎn)品更加醒目，三維的LED顯示屏在未來一定能夠在中國市場占據(jù)一席之地 2-3 。 1.3 設計的總體要求本次設計制作一個8x8x8LED陣列的3D光立方顯示器，采用高亮度藍色霧狀發(fā)光二極管，通過編寫程序與PC上位機同時控制高亮度發(fā)光二級管的亮滅，從而能夠在顯示器上顯示各種信息。3D光立方顯示器能夠進行各種模式的轉換，能夠?qū)崿F(xiàn)靜態(tài)顯示模式，在顯示屏上靜態(tài)顯示所需要的信息；還有能夠轉換為動態(tài)顯示模式，動態(tài)顯示模式下，顯示器上的信息運動中顯示出來。根據(jù)PC上位機的實時控制對顯示圖文進行控制與操作，各種模式的轉換，按照運動特點，動態(tài)顯示圖文。圖形能夠流暢地顯示，給用戶帶來視覺

18、沖擊的震撼效果。3D光立方顯示器具有音頻顯示模式，可以隨著音樂節(jié)奏同步顯示，而且能夠讓用戶在PC上位機根據(jù)自己的喜好，編寫自己的信息與動態(tài)顯示方式，即是自定義模式。對點陣LED電子顯示屏的原理分析，確定3D光立方顯示器的功能，模塊分工，模塊連接，以及合理的電路選擇。3D光立方顯示器硬件焊接完成后，通過測試程序測試整個的系統(tǒng)各個模塊的功能能否正常運作，并根據(jù)顯示結果來對程序不斷地完善與修改，把顯示不流暢，壞點等問題解決，直到完成畢業(yè)設計要求。2 系統(tǒng)設計方案論證 系統(tǒng)總體方案的設計論證主要包含硬件電路設計方案論證和軟件設計論證分析兩部分。2.1 系統(tǒng)硬件方案論證2.1.1 3D光立方顯示器核心系

19、統(tǒng)3D光立方顯示器的核心部分在于控制數(shù)據(jù)顯示，其功能可以實現(xiàn)與上位機通信，并接收上位機發(fā)送的數(shù)據(jù)，接著數(shù)據(jù)通過芯片處理后在顯示器上顯示出來。以下有3種核心控制芯片的選擇：方案一：單片機單片機又是微型控制器，單片機擁有很強大的接口性能，集成了CPU、RAM和I/O口等電路，低成本、低電壓和低功耗是單片機的特點，使得單片機的市場非常之大，教學上使用的單片機更是非常多，為了適應各種應用，各種各樣的單片機出現(xiàn)，它們的性能可靠性，編程方便，開發(fā)成本低等各種優(yōu)點都使得在教學，生產(chǎn)、民用、商業(yè)化等擁有非常多的市場。方案二：可編程邏輯器件可編程邏輯器件，如FPGA、CPLD芯片，利用硬件語言設計邏輯電路，實現(xiàn)

20、數(shù)字控制。處理速度快，而且可靠穩(wěn)定，數(shù)字電路的設計用EDA比MCU或DSP更加穩(wěn)定可靠。方案三：DSP 芯片DSP 是數(shù)字信號處理器。它主要用于數(shù)字信號處理，在擁有非常多數(shù)據(jù)需要處理的系統(tǒng)下，DSP的能力會被無窮顯現(xiàn)出來，當遇見高密度，運算量非常之大等情況下，DSP非常好處理。相對于一般的單片機，DSP的處理速度會快上2倍以上，在信號處理領域上DSP能夠非常好的勝任工作，在光立方的大顯示數(shù)據(jù)量，DSP更是顯示它強大的功能4。基于以上分析，以上三種核心控制處理芯片都能夠勝任3D光立方顯示器的數(shù)據(jù)處理與控制，但是基于單片機的成本與技術難度較低，因此在權衡利弊之后決定選用的控制部分核心器件為單片機，

21、單片機型號為STC12C5A2.1.2 電源電路單片機工作時，需要提供穩(wěn)定的直流5V電壓。電源電路的設計方案如下。方案一：采用5號電池作為3D光立方顯示系統(tǒng)的電源，該系統(tǒng)耗電量較大，需要長時間不間斷的工作。雖然采用電池供電能夠?qū)崿F(xiàn)，但是這種方法不斷更換電池，造成了各種使用不便與環(huán)保問題。方案二：采用三端集成穩(wěn)壓器LM7805作為電源供電穩(wěn)壓核心。電路如圖2.1所示，選用LM7805穩(wěn)壓器在功率問題上不僅滿足了系統(tǒng)需求，而且安全、方便和可靠。 圖2.1 7805穩(wěn)壓電路方案三：采用可調(diào)式三端穩(wěn)壓芯片LM317穩(wěn)壓。 圖2.2 LM317穩(wěn)壓電路 輸入電壓VI的數(shù)值比較大是，用三端可調(diào)穩(wěn)壓電源芯片

22、LM317來實現(xiàn)穩(wěn)壓要求。lm317是可調(diào)節(jié)3端正電壓穩(wěn)壓器，在輸出電壓范圍1.2伏到37伏時能夠提供超過1.5安的電流。LM317參考電路如圖2.2所示。輸出電壓的計算公式如式子2-1所示。 （式2-1）調(diào)整電阻R2的阻值，就可以調(diào)整穩(wěn)壓輸出值。基于以上分析，決定選取LM7805三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓電路作為系統(tǒng)供電電源。2.1.3 列驅(qū)動電路方案一：選取串口輸入并口輸出芯片74HC595，74HC595中擁有8位移位寄存器和一個存儲器，具有三態(tài)輸出功能、數(shù)據(jù)鎖存功能和數(shù)據(jù)輸出功能，最重要是它具有串行輸入并行輸出的特點，但是在3D光立方顯示器，它依舊有不少的延遲時間。方案二：采用鎖存器74HC573

23、，74HC573是一種硅門CMOS器件并且?guī)в墟i存數(shù)據(jù)和能夠同步輸出數(shù)據(jù)；通過控制使能端口，來控制鎖存器鎖存數(shù)據(jù)并且控制數(shù)據(jù)鎖存保持的時間；當時鐘處于上升沿狀態(tài)下，8個74HC573同時正常工作，并且通過16個I/O口并行輸入數(shù)據(jù)到芯片里，并行傳輸數(shù)據(jù)時間比串行傳輸數(shù)據(jù)的延遲時間更加少，滿足設計要求。綜合以上各方面的分析和比較，決定選取74HC573作為每一列的驅(qū)動芯片。 2.1.4 層面驅(qū)動電路3D光立方顯示器擁有512個LED，當它們有同時工作時，層面積聚電流隨之增大，所以需要把電流放大，提高驅(qū)動能力，驅(qū)動整個顯示正常工作。電流不夠而導致的部分LED不亮或出現(xiàn)亮度不夠的問題，會導致顯示信息

24、出錯等問題。整個層面驅(qū)動電路的設計在整個系統(tǒng)起到舉足輕重的地位，以下有兩種方案：方案一：采用5V繼電器來進行控制。雖然使用5V繼電器來充當開關實現(xiàn)控制，但是會加大成本還有電路設計的復雜程度，顯示器的重量也隨之增大。方案二：采用達林頓管ULN2803作為層面驅(qū)動電路芯片，因為ULN2803的驅(qū)動電流可以達到500mA，能夠驅(qū)動層面的LED正常工作。測試結果穩(wěn)定可靠，可以滿足設計要求?；谝陨戏治?，決定選取ULN2803達林頓管作為層面電路控制器。2.1.5 串口通訊芯片的選擇STC12C5A方案一：采用PL2303芯片來實現(xiàn)串口通信，這種芯片是通訊方式的轉換，因為很多PC機沒有串口了，沒法與單片

25、機直接進行串口通訊，所以通過必備的USB模擬串口，單片機就能夠進行串口通訊，但是連接到單片機處為USB接口，只連接了單片機的RXD和TXD，是將數(shù)字信號進行打包，轉換為USB協(xié)議包，在將數(shù)據(jù)包發(fā)給PC，PC解包后處理數(shù)據(jù)，能夠進行串口通訊，但是傳輸效率、傳輸速率上不及MAX232電平轉化芯片來進行通訊。方案二：采用電平轉換芯片MAX232作為串口通訊芯片，MAX232是將數(shù)字信號轉換為RS232電平信號，時序一樣，外圍電路雖然比PL2303來說復雜一點，但是更加穩(wěn)定可靠。通過上述分析，決定選取MAX232作為單片機與PC進行串行通信的芯片。2.1.6 LED發(fā)光二極管LED發(fā)光二極管選用高亮度

26、的藍色霧狀方形LED二極管，當它兩端加上正向電壓使能夠發(fā)出高亮度的藍色光。選用這種LED二極管更加的美觀，而且能夠擁有很好的顯示效果，降低焊接難度并且霧狀的LED并不會相當刺眼，也體現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保，還有就是能夠降低成本和制作難度。通過上述的考慮，決定選用高亮度的藍光霧狀方形LED作為本次設計顯示發(fā)光二極管。2.1.7 硬件電路繪圖軟件方案一：Protel 99SE是ProklTechnology公司基于Windows環(huán)境下開發(fā)的電路板設計軟件，相對于DXP 2004界面比較呆板。方案二：Protel DXP 2004是在原來Protel 99SE的基礎上，應用最先進的HYPERLINK /vie

27、w/575391.htm軟件設計方法，人機界面友好，易學易用。通過上述分析與考慮，本設計決定采用Protel DXP 2004作為電路原理圖和PCB繪圖軟件。2.2 系統(tǒng)總體軟件方案選擇軟件的設計采用的是模塊化編程的方法，方便理解與修改。整個系統(tǒng)的軟件部分可以分為主程序，顯示程序，串口通訊程序，按鍵掃描程序。此次的軟件編程選用在keil C51編譯軟件的編譯環(huán)境下進行，程序下載選用的方式為串口ISP下載方式，操作方便簡單，而且穩(wěn)定可靠。2.2.1 程序編寫語言的選擇現(xiàn)在的程序編寫主要分為幾種，一種更是采用匯編語言，一種是采用C語言，還有一種就是采用匯編與C語言共同編寫程序的方法。匯編語言的程序

28、設計語言是面向機器的，更多的是操作碼，地址符號，還有各種的符號結合而成的邏輯語言，對于我們來講，顯得更加難懂，對于小程序的編寫還能夠很好的勝任，能夠在出現(xiàn)問題時找到問題所在，但是當程序的編寫量非常之大時，匯編語言的難懂晦澀就成了最大的問題，問題很難被發(fā)現(xiàn)，而且移植性不好，使得項目的程序開發(fā)周期增加。C語言是一種高級語言，可進行結構化編程。與匯編相比，C語言具有很好的移植性，而且結構清晰，更容易維護和修改，最主要是可讀性強。C語言相對匯編語言優(yōu)點有： 1) 屬于高級語言，具有較好可移植性，能夠進行結構化編程。 2) 使用標準C語言的程序，幾乎都可以不作改變移植到不同的微機平臺上。3) 相對于匯編

29、語言，C語言更容易讀懂。 4) 編寫程序結構清晰，移植性好，容易維護和修改。 5) 適用范圍廣，可移植性強，開發(fā)周期短。通過上述的分析考慮后，決定采用C語言作為該系統(tǒng)軟件開發(fā)的編程語言。2.2.2 程序編譯環(huán)境KEIL的簡介Keil C51是HYPERLINK /view/2398.htm美國Keil Software公司出品的51系列兼容HYPERLINK /view/1012.htm單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學易用。3 系統(tǒng)硬件電路設計3.1 硬件整體設計概述及功能分析3D 光立方顯示器的系統(tǒng)設計總框圖如圖3.1所示

30、。整個設計電路可以分為主控電路、層驅(qū)動電路、列驅(qū)動電路、光立方顯示器電路、串口通信電路和電源供電電路。主控電路包括MCU、復位電路和晶振電路，主控電路主要負責整個光立方系統(tǒng)的顯示控制，程序運行的控制，能夠與PC進行串口通訊并控制光立方顯示器顯示，作為核心部分，還需要傳輸接收數(shù)據(jù)和進行大量數(shù)據(jù)的運算，并顯示出來。通過串口通信，PC機作為上位機控制單片機的數(shù)據(jù)控制，并能夠控制整個LED顯示器的各種轉換顯示、音頻節(jié)奏顯示、圖案的動態(tài)顯示和靜態(tài)顯示5-8。這個系統(tǒng)設計將以這個方案進行相應的硬件電路設計。顯示電路采用動態(tài)掃描方式進行顯示時，每列有一個列驅(qū)動器，各列的同名行共用一個行驅(qū)動器。由單片機給出的

31、行選通信號，從第一列開始，按順序依次對各列進行掃描選通，根據(jù)鎖存器的特性可以把數(shù)據(jù)鎖存輸出。這樣就可以把八列的數(shù)據(jù)輸出顯示，完成列線數(shù)據(jù)的傳送。另一方而，根據(jù)各列層面要顯示的數(shù)據(jù)，通過ULN2803來控制相應層面的電平，列與層面的數(shù)據(jù)結合共同來顯示圖案。 STC12C5A列驅(qū)動器層驅(qū)動器8x8x8LED3D光立方顯示器電源復位電路時鐘電路圖 3. SEQ 圖 * ARABIC s 3 1 系統(tǒng)結構設計總圖3.2 電源供電系統(tǒng)設計電路能夠正常工作，電源是必不可少的。單片機屬于數(shù)字電路中的器件，所以這里需要選擇+5V的直流電源供電。驅(qū)動芯片74HC573和ULN2803都能夠在+5V工作電壓下正常

32、工作。3.3 單片機最小系統(tǒng)設計與分析單片機又稱微處理器，它是在一塊硅片上集成了CPU、ROM、定時器和多種I/O接口電路等電路的集成塊。單片機最小系統(tǒng)包括了單片機芯片、時鐘電路和復位電路。時鐘電路是用于產(chǎn)生STC12C5A60S2單片機正常工作的時鐘頻率，單片機的正常工作是在這種時鐘電路產(chǎn)生的是時鐘頻率信號的控制下，嚴格地按照時序運作。單片機的初始化是由單片機的復位電路控制的。硬件電路滿足復位時序要求，單片機進入從初始化工作狀態(tài)。單片機最小系統(tǒng)電路圖如圖3.2所示3.3.1 時鐘電路設計單片機正常工作時，需要時鐘信號驅(qū)動內(nèi)核電路，進行數(shù)字運算。內(nèi)核運算的工作速度，取決于外部時鐘的頻率。外部時

33、鐘周期也稱為振蕩周期，51系列單片機中，12個振蕩周期構成一個機器周期。執(zhí)行一條指令所需要的時間成為指令周期。指令周期大小根據(jù)指令的負責程度有所變化，通常為14個機器周期。時鐘電路的設計直接影響到了單片機的處理速度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。常見的時鐘電路有內(nèi)部時鐘提供時鐘頻率的方式，還有外部時鐘提供時鐘頻率的方式，內(nèi)部時鐘頻率因為是集成在單片機芯片內(nèi)部的，而外部時鐘提供時鐘頻率方式是在芯片外部連接晶振起振來獲得時鐘頻率，所以后者更顯得穩(wěn)定可靠，而且只要在單片機承受范圍之內(nèi)，最高頻率可以更改。3D光立方顯示器的設計采用外部時鐘提供時鐘頻率的方式，為了顯示器能夠穩(wěn)定的顯示圖案與正常工作。STC12C5A60

34、S2單片機芯片的內(nèi)部時鐘提供時鐘頻率方式是因內(nèi)部設有一個振蕩器，這個振蕩器是由反向放大器構成的，而這個振蕩電路的輸入端與輸出端為別為XTAL1和XTAL2，如果在引腳XTAL1和XTAL2上外接晶振，使用32MHZ晶振率，需要兩個30pF電容值的電容連接，它們可以起到頻率微側的作用。時鐘電路如圖3.3所示圖3.2 單片機最小系統(tǒng)電路圖圖3.3時鐘電路圖3.3.2 復位電路設計單片機最小系統(tǒng)的復位電路也是必不可少的，當STC12C5A60S2單片機在正常運行時，需要復位，也就是重新開始運行程序時，使單片機從初始狀態(tài)下重新工作，這個時候就需要復位電路了，所以復位電路也非常重要，單片機從初始值開始運

35、行程序需要復位電路，當程序運行錯誤，或者進入死循環(huán)，這個時候也需要復位電路，只需要按下復位按鍵，使得RST引腳為高電平，這個時候STC12C5A60S2單片機就會從死循環(huán)跳出從程序初始值開始運行程序，上電復位與手動按鍵控制電平復位方式是最為常用的單片機復位方式，而這個顯示系統(tǒng)選用手動按鍵控制電平復位的方式。手動按鍵電平復位電路圖如圖3. 圖3.4 手動按鍵電平復位電路圖3.4 驅(qū)動電路設計3.4.1 層驅(qū)動電路設計ULN2803是本設計中的層面片選控制器電路的核心控制芯片。ULN2803是八重的達林頓管，1到8腳是8路輸入，18到11腳是8路輸出，驅(qū)動能力為500MA50V，使用時，引腳9接地

36、，用來驅(qū)動感性負載，引腳10接負載電源，輸入電平為0V或5V,當輸入5V的電平時候，輸出達林頓飽和；輸入0V時候，輸出達林頓截止。輸出負載加在電源V+和輸出口上，當輸入高電平時候，輸出負載工作。ULN2803的引腳圖如圖3.5所示。圖3.5 ULN2803層驅(qū)動電路圖3.4.2 列驅(qū)動電路設計74HC573是一個八進制3態(tài)非反轉透明鎖存器(三態(tài))，是一種高性能硅門CMOS器件，引腳排布圖見3.6所示。 圖3.6 74HC573引腳排布圖74HC573的八個鎖存器都是透明的D 型鎖存器，其邏輯真值表如表3-1所示。表3-1 74HC573真值表OELEDQLHHHLHLLLLX不變HXXZ當使能

37、（OE）為高時，Q 輸出。當鎖存使能端LE為高電平時，這些器件的鎖存對于數(shù)據(jù)是同步輸出。當鎖存使能變低時，符合建立時間和保持時間的數(shù)據(jù)會被鎖存。將隨數(shù)據(jù)（D）輸入而變。當使能為低時，輸出將鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平上。輸出控制不影響鎖存器的內(nèi)部工作，即老數(shù)據(jù)可以保持，甚至當輸出被關閉時。當輸入的數(shù)據(jù)消失時，在芯片的輸出端，數(shù)據(jù)仍然保持。3.5 通信系統(tǒng)硬件設計3D光立方顯示系統(tǒng)的通信系統(tǒng)采用的是串口通信的方式，之所以采用這種方式主要原因是串口通信的方式使用的線路更少，傳輸數(shù)據(jù)更加的穩(wěn)定可靠，更加重要的是這種方式相對于并行通訊方式成本更加低。PC機與單片機之間的數(shù)據(jù)傳送可以通過兩種方式，分別是串口通

38、信和并行通信。串口通信的傳輸數(shù)據(jù)方式線路少，但是卻能夠很穩(wěn)定的傳輸，雖然速率并沒有并行通信的快，但是兩者相比之下，串口通信的可行性更加高，綜合了成本與通信穩(wěn)定性的考慮，最后選擇了串口通信的范式。STC12C5A60S2單片機串口通信下載電路圖如圖3.7所示。 圖3.7 串口通信系統(tǒng)下載電路圖3.6 3D光立方顯示器工作原理介紹3D 光立方顯示器顯示器的工作原理：此設計采用STC12C5A60S2單片機作為核心控制芯片，74HC573鎖存器的數(shù)據(jù)鎖存端由單片機的P2口來進行控制，控制這8個鎖存器的數(shù)據(jù)是進行輸入和鎖存，8個鎖存器分別控制8個層面的每一個層面的LED，而鎖存器的8路數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)端口

39、則是連接到單片機的P0口，通過這樣的方式，單片機可以很簡單的控制64個陽極，而8個層面的LED負極則由單片機P3口控制，通過這種方法，512個LED都能夠被單片機隨意控制，進行單獨的編程控制，自由控制燈的亮滅。單片機通過P0傳輸數(shù)據(jù)到鎖存器74HC573，在通過P2口控制鎖存器鎖存數(shù)據(jù)與輸入，最后把對應的內(nèi)容在光立方顯示器上顯示出來9。整體顯示框圖如圖3.8所示設計原理則是利用人眼的視覺暫留效應，通過編程控制單片機控制LED的亮滅顯示，形成各種各樣動態(tài)、靜態(tài)畫面的顯示。此外，單片機引腳P1.0與P1.1分別連接了音頻插頭的左右聲道，音頻信號進入單片機的這兩個引腳，通過單片機內(nèi)部的A/D轉換后，

40、在程序中進行FFT運算后在光立方上顯示出來，形成了音頻信號節(jié)奏的跳變，這樣光立方成了一個音樂節(jié)奏顯示器。而且通過串口通信，PC機能夠控制光立方的顯示模式與每個LED的顯示，速度可以進行隨意地調(diào)節(jié)。單片機單片機層驅(qū)動器LED光立方列驅(qū)動器圖3.8 3D光立方顯示器整體顯示框圖4 系統(tǒng)軟件設計4.1 概述光立方顯示器的軟件部分設計包括主程序、顯示程序、串口通信程序還有按鍵控制程序四大部分，軟件的設計結構框圖如4.1所示。主程序通過循環(huán)查詢按鍵程序來調(diào)用按鍵控制程序來控制模式的選擇，通過選擇判斷后，主程序在進行對應圖案數(shù)據(jù)的傳送，通過對應的端口與鎖存器，最后在LED顯示器上顯示出來10。主程序主程序

41、顯示程序按鍵程序圖4.1 軟件功能結構框圖4.2 主程序設計3D光立方顯示器的軟件系統(tǒng)設計是通過模塊化的設計思路來進行程序的設計與開發(fā)的，整個程序設計采用的是C語言編程的方法。第一先進行顯示系統(tǒng)的實現(xiàn)功能的分析考慮，整個系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能是能夠進行靜態(tài)顯示、動態(tài)顯示、模式轉換和上位機控制。通過按鍵控制程序，可以選擇不同的模式來進行顯示。通過打開上位機串口，能夠?qū)崿F(xiàn)PC機控制光立方顯示。主程序的工作流程如圖4.2所示。圖4.2 主程序流程圖4.3 顯示程序的設計4.3.1 顯示程序的設計光立方顯示器的顯示部分采用顯示機制是掃描的顯示方法，通過這一種方法，需要足夠的速度才能夠達大，所以我選用了32M

42、的晶振來提高掃描的頻率，已達到更加穩(wěn)定的顯示效果。因為采用的是掃描機制，所以選擇單片機的數(shù)據(jù)從由低位到高位依次從數(shù)據(jù)輸入端口輸入，接著從鎖存器輸出端口輸出數(shù)據(jù)與鎖存器數(shù)據(jù)控制端口控制輸出顯示。光立方顯示程序流程圖如圖4.3所示。首先單片機把想顯示的圖案轉換為在相應在光立方上顯示的點的數(shù)據(jù)，在把顯示圖案的數(shù)據(jù)從單片機P0口輸出到相應的鎖存器，鎖存器接收這些數(shù)據(jù)，并通過控制端口，選擇輸出數(shù)據(jù)還是鎖存數(shù)據(jù)，接著又把下一組的數(shù)據(jù)依次送到片選的鎖存器進行輸出顯示，當所以的數(shù)據(jù)被正常輸出并顯示后，顯示程序退出，等待下一次的顯示數(shù)據(jù)到來。因為有8個鎖存器，有64引腳控制列的數(shù)據(jù)顯示，通過對應的控制端口的控制

43、片選，有一個ULN2803控制每一層的數(shù)據(jù)顯示，形成了各種各樣的顯示效果。YYN顯示數(shù)據(jù)送P0選通列，送鎖存器輸出 送下一列數(shù)據(jù)，選通信號左移左移次數(shù)8顯示完成后程序初始化開 始子程序返回圖4.3 顯示程序流程圖4.4 軟件程序下載方式STC單片機與AT89S系列單片機程序下載是不一樣的。AT89S系列單片機采用的是USB_ISP或者并口ISP下載線下載程序的方法，但是STC單片機采用的是串口ISP進行下載程序。通過串口ISP把程序下載到單片機芯片。在完成編寫程序的編譯通過之后，把可以燒寫STC12C5A60S2的串口并與電腦主機硬件連接后，打開相應下載軟件按步驟即可對STC12C串口下載口接

44、線圖如圖4.4所示。圖4.4 串口下載器接口接線圖5 光立方PCB版制作本設計采用PROTEL DXP 2004制作PCB版圖，用PROTEL DXP 2004制作PCB包括以下主要步驟：（1）繪制光立方的顯示電路原理圖；（2）元件封裝的加載；（3）電路的相關參數(shù)的設置；（4）各個元器件布局及相應地調(diào)整；（5）元器件的合理布線；（6）PCB制作的完善并輸出相應圖紙。6 系統(tǒng)測試6.1 硬件系統(tǒng)測試首先為了光立方以為元器件的本身就有損壞而導致找不到問題所在，所以一開始就需要進行多方面的檢測工作。需要用到的檢測儀器是：數(shù)字式萬用電表，示波器，穩(wěn)壓電源等。（1）不通電檢測電路對焊接的每一個發(fā)光二極管

45、進行必要的檢測，一個發(fā)光二極管的顯示故障導致的問題可能是程序或者是硬件，所以一開始就需要進行必要的發(fā)光二極管的檢測。方法：使用數(shù)字式萬用電表的紅表筆接二極管的正極，黑表筆姐二極管的負極，觀察二極管的發(fā)光情況。接下來對照電路圖與實際的電路板上的線路連線正常情況。比如說，各個點的焊接情況，線路的連通情況，電容的正負極，電源的供電極性等，在所有檢查完畢后在進行下一步通電檢測11。（2）通電檢測電路通電檢測電路，通電后，把數(shù)字式萬用電表調(diào)到電壓檔，測量接入電源的電壓是否正常，如果不正常則立刻斷開電源，如果有元器件發(fā)燙等情況應立刻斷開電源并檢測各個點，看哪里出現(xiàn)短路情況，排除各種故障。直到所有故障排除后

46、，燒寫入測試程序進行測試。（3）光立方顯示器測試注意事項1）注意正確使用測量儀器；2）注意觀察測量結果；3）出現(xiàn)問題故障時候，需要認真查找原因，在把相應故障解決；4）注意電源的正負極不要接反。6.2 軟件系統(tǒng)測試方案：先對各模塊進行檢測，顯示模塊的程序調(diào)試、串口通訊模塊的程序調(diào)試，然后再對整機進行調(diào)試，以提高調(diào)試效率。這個設計系統(tǒng)功能比較多，所以程序也較為復雜，在程序調(diào)試與測試中出現(xiàn)了比較多的難題，但是經(jīng)過一次又一次的調(diào)試修改，最后能夠很好的解決相應的問題。6.3 系統(tǒng)總體測試顯示模塊的調(diào)試：搭接顯示LED電路前先進行仿真電路測試，根據(jù)所搭LED顯示電路進行程序測試。檢測每一個LED的亮滅控制

47、是否正常。串口數(shù)據(jù)發(fā)送是否正常：利用串口軟件，測試上位機PC機發(fā)送數(shù)據(jù)到單片機，觀察顯示模塊顯示位置是否與串口控制發(fā)送數(shù)據(jù)位置一致。各模塊電路檢測達標后，將各模塊電路連接到一起進行調(diào)試。檢查電路連線是否正確。然后下載各模塊的程序?qū)Ω鱾€模塊進行軟件調(diào)試，直到各個模塊都能實現(xiàn)自己的功能。然后將整個程序下載，將軟件和硬件一起調(diào)試，軟硬件都調(diào)試完成后將程序燒錄到芯片中，進行實際功能的演示，觀察工作過程，對系統(tǒng)軟硬件反復調(diào)試。6.4 系統(tǒng)測試結果與結論6.4.1 測試結果分析（1）在測試中常見故障：發(fā)光二極管亮度有問題，發(fā)光二極管不亮等元器件本身已經(jīng)損壞問題，所以要先利用數(shù)字式萬用電表進行元器件測試，觀

48、察元器件好壞，避免后面沒必要的麻煩。（2）顯示屏顯示不正常，顯示屏胡亂顯示，控制出現(xiàn)問題，首先先進行硬件的檢測，用萬用電表對電路進行細心嚴謹?shù)匾幌盗袡z測，觀察時候出現(xiàn)了電路短路，開路等故障，如果有先進行故障維修，修改后再讓系統(tǒng)重新工作，觀察系統(tǒng)是否能夠正常工作，如果不行，在進行軟件的調(diào)整修改，直到顯示器正常工作。（3）串口通信檢測，上位機發(fā)送數(shù)據(jù)控制顯示器，在上位機控制顯示器顯示，如果出現(xiàn)故障，則修改單片機程序，直到能夠正?？刂撇@示為止。6.4.2 測試結論通過這一段時間的反復調(diào)試與分析，對于光立方顯示系統(tǒng)的經(jīng)過多次的反復測試與分析，熟悉了光立方電路的原理以及功能，同一刻也讓我的自主設計電路

49、的能力和電路分析能力得到了一定的提高。程序設計上得到一定提高，能夠真正做到把理論與實踐結合在一起。在做設計時候遇到了很多難題，但是就是因為這些問題的出現(xiàn)，并驅(qū)使我去解決這些問題，從書本上與網(wǎng)絡上搜集各種相關資料，理解并分析這些資料，并思考各種方法來解決問題，最終讓我把這些問題給解決了，同時自己的認識面和思考能力也得到了提升，基礎知識更加穩(wěn)固。在做設計時候，讓我真正認識到軟件與硬件的關系，兩者并不是脫離的，他們有著一定的聯(lián)系，要一個系統(tǒng)能夠正常的工作，兩者需要協(xié)調(diào)一致。焊接512個LED的確很考驗我的毅力與耐心，焊接的功夫也提高了很多，明白了基礎知識與技能的重要性。電路的原理圖設計、PCB的線路布局設計、程