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

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 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 .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 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，使其变得美轮美奂、绚丽多彩。 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“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。 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。 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 8051 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 / 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： 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”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 flash 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，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 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 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 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 灯的阳极，从而达到控制每一面上的每个 led 灯。 2.4 显示模块 显示电路模块是由 8 面 88 的雾状蓝光 led 面组成，每一面都 是由一个移位寄存器来控制。 2.4.1 led 的选择 选择雾状蓝光 led 灯的原因是它具有非常高的亮度，发光强度为 8001200mcd，且散光的特性使得从各个方位看起来亮度一致性好， 强有力的保证了 led 立方体的炫目效果与众不同。加之，本光立方系 统在电路上的优良设计，即使把 led 立方体放在太阳下，效果依然清 晰可见，不像其他的，只能在关了灯的黑暗房间才看见。 再者，雾状蓝光 led 灯灯珠脚长约为26mm，这使得折角和焊接变 得更加容易、方便。 更重要的一点是雾状蓝光 led 没有像其他高亮 led 灯那样刺眼, 而且蓝光给人一种梦幻般的视觉冲击。所以现在雾状蓝光 led 灯做为 本光立方显示的元件。 2.4.2 显示电路 毕业设计说明书(论文) 第 16 页 显示电路具体元器件是由 512 个雾状蓝光 led 灯组成，把 512 个 雾状蓝光 led 灯焊接成 8 面 88 的小模块，最后把每一面组装到 pcb 电路板上，这样就构成了一个 888 的 led 光立方体；每一面 由一个移位寄存器来控制，每一层由驱动芯片 uln2803 来控制，就完 成了对整个显示电路上每一个灯的控制。 下面以一面显示电路图来举例。 一面 led 显示电路由 64 个雾状蓝光 led 灯组成，把八列 led 灯 的阴极全部焊接在一起接到驱动芯片 uln2803，而每八行的阳极分别 接到一个移位寄存器 74hc595 上。在电路图上八行阳极 u1-u8 接到同 一个 74hc595 上，和对应的引脚连接；而八列阴极一起由 1c 接到 uln2803 上。具体电路图如下页图 2-9 所示： 图2-9 一面显示电路 2.5 整机工作原理 通过对主控芯片 stc125a60s2 进行编程，采用 74hc595 移位暂存 毕业设计说明书(论文) 第 17 页 的方法，来分别把每一面 64 个 led 灯的亮灭信息存到这个上面，然 后由输出引脚控制每一面的 64 个 led 灯；而每层灯的阴极全连接在 一起接入 uln2803，由 uln2803 来驱动每一层 led 灯。通过这个设计， 512 个 led 灯每一个都有单独的位置编码，每个 led 灯的亮灭就可以 由自由地控制；从而实现我们所需要显示的图象。 毕业设计说明书(论文) 第 18 页 第三章 软件设计 系统功能是由软硬件共同实现的，由于软件的可伸缩性，最终实 现的系统功能可强可弱，差别可能很大。因此，软件是本系统的灵魂， 软件采用模块化设计方法，不仅易于编程和调试，也可减小软件故障 率和提高软件的可靠性。程序的编写需要借助软件编辑器；程序是使 单片机系统按预定的操作方式运行，它是单片机系统程序的框架；在 系统上电后，要对系统进行初始化。 软件设计包括按键程序、主程序、显示程序三大部分，软件功能 结构框图如 3-1 所示。主程序通过调用按键查询程序来判断待显示的 图案及花样，主程序则调用相对应的显示程序送到控制端口。 主程序 显示程序按键程序 图3-1 软件功能结构框图 3.1 主程序的设计 本光立方系统软件采用 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程序进行显 示。 本系统设置有三个独立按键，分别是p3.2，p3.3，p3.4，3个按 键分别控制三种不同的动画显示模式；为了增加炫目的效果，本光立 方在四个底座设得有四个呼吸灯。 毕业设计说明书(论文) 第 19 页 主程序流程图如下页图3-2所示： 图3-2 主程序流程图 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 i/o 口功能的设定等。 3.2 显示程序的设计 显示程序的设计是整个光立方系统显示的核心思想，它包括 led 的数据传送思路和扫描方式的选择。 3.2.1 led 显示的数据传送 动态扫描显示是把整个光立方分成若干部分，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，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 毕业设计说明书(论文) 第 20 页 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，从而 完成数据的传送。 3.2.2 显示程序的设计 显示采用的是扫描显示方式，选通一列后按照列对应的数据表的 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 单片机端口输出到移位寄存器 74hc595，然后输出到 led 灯的阳极。 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如 3-3 所示。把显示的数据送到 p0 口，相 应的移位寄存器接收数据，再把数据送到端口并存储输出显示，接着 把下一组数据送到 p0 口，改变片选移位寄存器的数据，送到相应移 位寄存器输出显示，直到把所有的数据局输出传送完毕后，显示完成 后，退出显示程序，等待指令。输出形式多种多样，可以静态输出图 案，也可以动态、左移、右移、循环等花样显示。 毕业设计说明书(论文) 第 21 页 图3-3 显示程序流程图 3.3 软件调试 单片机是本设计的核心控制器，只有保证单片机的正常工作才能 完成程序的运行及显示的控制。保证单片机最小系统能够正常工作是 前提。判断办法就是用万用表测量单片机时钟引脚（18、19 脚）的 对地电压，以正常工作的单片机用数字万用表测量为例：18 脚对地 约 2.24v，19 脚对地约 2.09v。对于怀疑是复位电路故障而不能正常 工作的单片机也可以采用模拟复位的方法来判断，单片机正常工作时 第 9 脚对地电压为零，可以用导线短时间和5v 连接一下，模拟一 下上电复位，如果单片机能正常工作了，说明这个复位电路没问题。 本设计功能很多，所以对于它的程序也较为复杂，所以在编写程 序和测试时出现了相对较多的问题。如烧入程序后，led 显示屏显示 闪动，而且亮度不均匀。则要首先对测用的延时进行逐渐修改，可以 毕业设计说明书(论文) 第 22 页 解决显示闪动问题。其次，由于本作品使作动态扫描方式显示的数字， 动态扫描很快，人的肉眼是无法看出，但是测用的显示程序时，如果 不在返回时屏蔽掉最后的附值，则会出现很亮或残影的现象，所以在 显示的后面加了屏蔽灭灯指令。 本设计采用 keil 软件用来进行编写程序和程序的调试，它是目 前最流行开发 mcs-51 系列单片机的软件， keil 提供了包括 c 编译 器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的 完整开发方案，通过一个集成开发环境( uvision)将这些部份组合在 一起。运行 keil 软件需要 pentium 或以上的 cpu，16mb 或更多 ram、20m 以上空闲的硬盘空间、win98、nt、win2000、winxp 等操 作系统。掌握这一软件的使用对于使用 51 系列单片机的爱好者来说 是十分必要的。 在使用 keil 软件时需要注意的是：在程序编译的时候一定要记 得输出.hex 文件，因为 stcisp.exe 只有.hex 文件才能下进单片机 里去。 由于本光立方设计程序比较多，为了便于对程序的修改和可移植 性等要求，本光立方软件设计使用 c 语言来进行编程，其特点是 c 语 言简洁、使用方便、灵活，具有强大的图形功能，c 语言生成目标代 码质量高，程序执行效率高等。 毕业设计说明书(论文) 第 23 页 第四章 硬件焊接与调试 硬件的焊接与调试是整个光立方设计必不可少的一个环节，它将 验证整个系统设计是否实现了所要完成的功能。 这一章重点介绍 pcb 主板的焊接、led 灯的焊接与光立方的搭建 方法、isp 软件的使用以及整机的调试。 4.1 主板的焊接 主板是整个光立方硬件中最为重要的主体，它不仅是电子元器件 电气连接的提供者，更是本光立方设计的载体，也关系到整个硬件设 计的合理性和美观；所以对它的制作和焊接尤为重要。 4.1.1 pcb 板的制作 pcb 板的制作和主板的焊接一般包括印制底图图样描绘、底图掩 膜层制作和蚀刻加工等三个环节。 首先根据整机设计，采用电子设计自动化软件中的 protel 99 se 进行印制电路板底图图样的设计。在软件环境下绘制好底图后， 可用喷墨式或激光打印机将 pcb 板的设计图样打印出来，然后进行制 作。 pcb 板的制作一般分制作印制电路板、清洗与打孔和检修三个环 节。 1、制作印制电路板 利用所打印的 pcb 板图样、热转印纸和恒 温电熨斗完成制作。而热转印法制板的不足之处是：由于热转印纸局 部缺陷等原因，会出现墨粉在热转印纸上局部附着不均匀等现象，对 毕业设计说明书(论文) 第 24 页 附着层太薄的地方，使抗腐蚀能力下降，影响 pcb 板的质量。 2、清除防护层 对于腐蚀好的印制电路板，选用细砂纸将防护 层打磨掉，并进行清洗。 3、打孔 对清洗好的印制电路板，需要在焊盘和固定位置钻孔 后，才能进行安装。 4、检修 对制作好的 pcb 板，要进行严格检查，判断印制线间 是否有短路、断裂、脱落和起层问题，及时发现问题后，可采用相应 的修理或补救措施，若有严重质量问题时，需要重新制作。 出于实际需要和美观需要，本光立方设计使用的 pcb 板为军工级 a 级黑漆双面板，它与普通的 pcb 板相比具有耐高温焊盘牢固可靠、 抗压力强不易变形等优点；而且黑漆板更显高贵和效果更炫目。 4.1.2 主板的焊接 在焊接元件前，要做好准备各项工作，清理与检测好元件，再按 电子工艺要求进行元件焊接、剪引脚、清洗和检查等。且安装元件要 遵循先小后大，先轻后重，先内后外的原则采用手工烙铁锡焊。 1、单片机最小系统的焊接 最小系统是单片机得以正常工作的前提，包括时钟电路和复位电 路，在焊接时需注意电解电容的正负极，晶振要尽可能的靠近单片机 的 18、19 引脚，而且对晶振的焊接要迅速，不能长时间加热，以免 烧坏晶振。最小系统焊接实物如下图 4-1 所示： 毕业设计说明书(论文) 第 25 页 图4-1 最小系统 2、电源指示灯及按键的焊接 在焊接之前要用万用表对指示灯和按键进行好坏的测试。其焊接 实物如图 4-1 所示： 图4-2 指示灯及按键 3、插针及芯片插座的焊接 在对插针和芯片插座进行焊接前，先确定元件是卧装还是立装， 并对引脚按照电子装配工艺要求进行成形处理，然后再实施焊接。本 光立方设计的插针焊接在 pcb 板的正面用来承接 led 灯，而芯片插座 则焊接在 pcb 板的反面，不影响整个光立方的美观，也易于插取芯片。 在焊接完后，pcb 板的正反面实物图如下图 4-3 所示： 毕业设计说明书(论文) 第 26 页 图4-3 pcb板的正反面 值得注意的是在焊接完每个小模块的电路时 ，都必须通电检测 一下每个模块是否能正常的工作，必要时记录一些数据，以便后面把 每个模块连接成一个整体时方便检查和找故障。 4.2 led 光立方的搭建 为了保持光立方整体的通透性、立体感，本光立方设计没有设计 额外的 led 支架，所有搭接直接使用 led 自身的管脚来完成。本光立 方的搭建构思是：由点到线、线到面、面到体的搭建方法。在 led 光 立方的搭建之前要把需要用到的相关工具与元件准备好，比如钳子、 烙铁、木板、电钻等。 在搭建前要对 led 灯进行折角和好坏的检测。把 led 的阴极水平 折弯，阳极垂直折弯，可借助尖嘴钳来折角，这样做的目的是便于把 阴极焊接在一个水平上，让阳极摆出发光体一部，使其可以与其上下 的 led 进行搭接。 4.2.1 由点到线 首先制作一块搭建用的木板如下页图4-4所示，木板上孔与孔直 接的距离为22.86mm，必须与 pcb 电路板上的两孔距离一致。将 led 毕业设计说明书(论文) 第 27 页 灯逐个安在板上，并对 led 的脚进行修正使阳极引脚与阴极的夹角为 直角。最后将8个 led 的阴极焊接在一起构成一束，如下页图4-5所示。 这里需要注意的是：弯折阴极脚时弯曲处尽量靠近灯体不要留太长， 这样焊接阳极时才不容易造成短路。 图 4-4 搭建的木板 图 4-5 已焊 接好的 8 个 led 灯 4.2.2 由线到面 进行八次上述焊接后接下来就是将8束的 led 焊接起来。在从点 到线时是将所有 led 的阴极连在一起，而这次则是将所有 led 阳极弯 折并依次焊接在一起构成一面，如图 4-6所 示 。注意：由于焊接过程 中将产生静电容易将 led 烧坏，因此本项工作完成后请认真检查每个 灯的好坏，可以用万用笔等工具检测；同时检测灯与灯之间有无虚焊 的情况。 毕业设计说明书(论文) 第 28 页 图4-6 已焊接好的一面 led 灯 4.2.3 由面到体 最后一个步骤是将已焊好的 8 个面进行焊接，其方法是将之前 8 个面上的阴极对应位置依次焊接，最后每一层留出的一个阴极线与 uln2803 的输出端进行连接，led 灯的 64 阳极则与 8 个 74hc595 的数 据输出端依次连接，从而构成一个完整的光立方体，如下页图 4-7 所 示。 毕业设计说明书(论文) 第 29 页 图 4-7 光立方整体图 4.3 电脑端的 isp 控制软件 stc-isp 是一款单片机下载编程烧录软件，是针对 stc 系列单片 机而设计的，可下载 stc89系列、12c2052 系列和12c5410等系列的 stc 单片机，使用简便，现已被广泛使用。 在使用时的操作步骤如下： step1/步骤1：选择你所使用的单片机型号，如 stc12c5a60s2等 step2/步骤2：打开文件，要烧录用户程序，必须调入用户的程 序代码（*.bin, *.hex） step3/步骤3：选择电脑串行口。 step4/步骤4：选择下次冷启动后，时钟源为“内部 r/c 振荡器” 毕业设计说明书(论文) 第 30 页 还是“外部晶体或时钟” （stc12系列单片机只有内部 r/c 振荡时钟) step5/步骤5：选择“download/下载”按钮下载用户的程序进单 片机内部，可重复执行电脑端操作如下页图4-8所示： 图 4-8 电脑端 stc-isp 烧录 4.4 整机调试及结果分析 整机的元件焊接完成后，要使电路处理最佳工作状态，需要对单 元模块电路和整个电路进行调试。调试与测试方案的选择应根据现有 的仪器仪表条件来确定，比如万用表、稳压电源、示波器、逻辑分析 仪等。调试工作分调试前的准备和调试操作两步完成。 1、调试准备 调试准备指在调试前，对调试过程中所需要的仪 器、设备、工具、元件和材料等进行调配。 毕业设计说明书(论文) 第 31 页 2、调试操作 电路调试的基本原则是：先静态，后动态，先局 部，后整体。对于动态技术指标调试，要从末级开始，逐级向前级反 复进行，直到调准为止。 3、性能检测 该项工作在电路调试完成后进行，通过测量相关 技术指标来主要了解电路是否达到技术要求。 本系统设计由于用到较多的 led 灯，对于焊接和调试造成一定的 难度，512个灯中只要有一个出问题替换工作将是非常的麻烦，必须 把八层的 led 拆开再取出坏的 led 重新焊接。在对电路检查时由于本 设计电路版面较大，检查起来并非易事。在本光立方整机调试中，发 现了一些问题。以下为主要的问题及解决方案： 1、在调试过程中发现插上已烧入程序的单片机后对光立方主体 起不到控制的作用。 解决方法：根据经验猜测是单片机引脚没起作用造成的。后来换 了块单片机发现动画出来了，由此判断是单片机烧坏造成。 2、在调试过程中发现插上已烧入程序的单片机后对光立方主体 起不到控制的作用。 解决方法：根据经验猜测是单片机引脚没起作用造成的。后来换 了块单片机发现动画出来了，由此判断是单片机烧坏造成。 3、由于电烙铁工作时会有较小的静电产生，很容易烧坏 led 灯。 解决方法：问题可能处在电烙铁在工作过程中产生的静电上，以 下为减少静电影响的方法：（1） 、将烙铁头跟接地线相连，以泄放产 生的静电。 （2） 、如果烙铁没有接地线那就光脚才在地上也会降低静 毕业设计说明书(论文) 第 32 页 电的影响。把八个灯归为一组，焊完组个检查，焊完64个整排再进行 检查，把 led 坏的概率降到最低。 毕业设计说明书(论文) 第 33 页 结 论 毕业设计是学生即将完成学业的最后一个重要环节，它既是对学 生在学校所学知识的全面总结和综合应用，又为今后走向社会的实际 操作应用铸就了一个良好的开端。所以在此有必要对这次的毕业设计 作一个系统的总结，说一说自己内心的想法。 这次毕业设计，我选择了实做的题目：基于单片机的光立方控制 系统设计。本次设计达设计的预期要求：led 显示屏各点亮度均匀、 充足，可显示图形和简单的文字，而且显示图形和文字显示稳定、清 晰无串扰。图形或文字显示有静止、移入移出等显示方式。 本次毕业设计不仅是对我的一种锻炼，也是对我大学年所学知识 的综合检查。从开始设计到设计的完成，我感觉收获很多，不仅在理 论上有了很大的升华，并且还在实践中锻炼了自己，使自己成长了许 多。 本文首先对整个系统的工作原理和实现方法进行了简单的介绍， 给出了系统工作的整体框图。在此基础上，介绍了系统设计用到的各 个模块的功能特性，并进性了方案比较，选择出了最优越的方案。 在完成毕业设计的过程中也存在一些问题：没有考虑仿真软件是 一个理想的仿真环境，而实际连接的电路板与仿真现象有差异。 总体来说这次的毕业设计很成功，达到了预期的设计要求。不仅 学到了许多课本上学不到的知识，提高了自己动手动脑的能力，丰富 了创新和创造的思维。由于我在理论和实践方面存在一定的不足，所 毕业设计说明书(论文) 第 34 页 以在设计思路和实现功能上难免有不足之处，请各位老师多多批评指 正。 设计结束了，但学习仍在继续。从这次的毕业论文设计中，我真 正的意识到，在以后的学习中，要理论联系实际，把我们所学的理论 知识用到实际当中，实践是检验真理的唯一标准。我们电子专业的学 习更是如此，不仅要有丰富的理论知识，还要有很强的动手能力，只 有理论与实践并重，专业水平才能提高，这就是在这次毕业设计中的 最大收获。在今后的人生中，不断对自己所学的知识进行更新，进行 补充。 毕业设计说明书(论文) 第 35 页 参考文献 1 李建忠单片机原理及应用西安：西安电子科技大学出版社， 2002 2 朱宇光单片机应用新技术教程北京：电子工业出版社，2000 3 刘守义单片机应用技术西安：西安电子科技大学出版社， 2002 4 房小翠单片机实用系统设计技术北京：国防工业出版社， 1999 5 李华mcs-51 系列单片机实用接口技术北京：电子工业出版 社，2000 6 李全利单片机原理及应用技术北京：高等教育出版社，2006 7 卢弥坚主从分布式 led 大屏幕显示系统j电脑与信息技术， 1997 8 李元生 led 光柱专用驱动器j家庭电子，2005，(04)：1- 7. 9 关积珍，陆家和我国 led 显示屏技术和产业发展及展望现代显 示，2004 10 关积珍led 显示屏发展状况及趋势j世界电子元器件， 2000 11王东峰单片机 c 语言应用 100 例m电子工业出版社，2009 12付晓光单片机原理与使用技术m清华大学出版社，isbn7- 毕业设计说明书(论文) 第 36 页 81082- 169- 5tp 13 张瑞玲单片机原理与应用西北工业大学出版社 2010 年 12 月 毕业设计说明书(论文) 第 37 页 附录 1 整机电路图 毕业设计说明书(论文) 第 38 页 附录 2 源程序 #include #include“key.h“ #include“zimo.h“ #include“hc595.h“ #include #include“flash.h“ #include“fft.h“ #define anum p2 #define limit 100 sbit led=p00; uchar code tablew=0x80,0x40,0x20,0x10,0x08,0x04,0x02,0x01; uchar g; uchar count=15,count1=0,adc_count=0,line=15,g=0,t; void sinter(void) ie=0x82; tcon|=0x01; th0=0xc0; tl0=0; tr0=1; void delay1(uint z) 毕业设计说明书(论文) 第 39 页 uint x,y;