基于51单片机的4阶光立方实验报告书

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1.2.5 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丁从点到线的焊接3.1.1.2 将LED丁从线到面的焊接3.1.1.3 将LED丁从面到体的焊接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3.1.2.4 复位电路的焊接3.1.2.5

2、 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片机来说，具一般包括：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LEDT64个，10KM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，A103仇脚排阻1个，排针4个，IC插座1

3、个，10uF电解电容1个， 6*6*5mng触按键开关1个，12MH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，DCfi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DCfi座，后将阳 极接上六角自锁开关的4脚，将5脚接给系统各VCCt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*4mmX极管LELffi色灯做为显示灯，共64颗灯，搭建为4*4*4的立方 体。光立方层共阴，

4、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 XTAL1BXTAL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10msB振荡器起振，在XTAL加脚 产生幅度为3右的正弦波时钟信号。电路中电容器 C1、C2勺作用有两个：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C1、C2的值为30pf。

5、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。STC89C52而复位引脚为RST复位电路由轻触按键开关、10项姆金属月M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 口外接上拉电阻由于STC89C52RC片机P0口内部没有上

6、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VccftVss间应接高频去耦电容和低频滤波电容 T殳大电容旁边并入个小电容的目的 曷降低频内阻，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，小电容可胧供 一个小内阻的高频1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滤波电路1.3 工作原理将4*4*4的LEDt立方分层4层，分别

7、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P1CEUP17, P2®UP27总共16个口来控制光立方的16列, 给高电位有效。单片机VC3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。每一列的二极管阳极接到一起受一路 P1或者P2口控制，每一

8、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是一个正方体。同时也要 注意整个焊接

9、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LEW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LEW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，先用万用表检测是否有损坏的LED灯泡

10、。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前，需要在电路板上大致确定好各个电路元件以

11、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，电路检查无误后，将DC插座的阳极

12、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 复位电路的焊接复位电路被安排在接近单片机机 R

13、ST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、上位排阻以及烧写排针的焊接按照电路图，将上位排

14、阻安插在IC插座的P0端附近，将烧写程序的排针安排在 RXD/TXDR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，就需要进行两遍以上的检测，才可以插上单片机，然

15、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VCCf口 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，本光立方系统使用了授课老师所提供的

16、 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keiluVision4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由 0 加mH由Analog DevicesII I Q AT89C51RC SO4*4 -± ArchorOiipiE口Coipora

17、t（国j/川m回一.-Trildl pileless & uCT / Austria Mero Systems + Clifcrni3 Eastern Laborat， 由 / cast, Inc ± 6 CML MicnocincuitsCORERIVER.4 |m图4-2单片机型号的查找选择好单片机信号之后在界面左侧C程序文件，名字随意，/、需要加后缀； ATS9C51RC2Jr-0 AT89C51RD22 AT89C51RE2 ATS9C51SND1；=- ATS9c515MD2 ES胭i ATaecss! -Q AT39C55WD= - AT39F51 AT33F52

18、 ATS9LP2052-：-Q ATS9LP2134 m ><图4-3单片机型号的查找project栏目中，新建一个新的文件，注思选择为 0具体如下。Projed:E O Target 1QjAdd New item to Group Source Gnjup 1Add Existing Files to Group 'Source Group 1Add Groupr.PBBEHRILLH承 Options for Group Source Group 1.图4-4新建文件选择好文件类型之后来到主页面，点击上方He改U«r P e 1 c (.k)(titj图4-

19、5文件类型选择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勺，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q |Target 1闵Lc1泰 Target Options.Configure target optionsUse Or图4-6修改参数listing | Us«r | bl| A51FWff far ObjectsHa of Ewe律 Create- Ere口LTlaSe '21tfomaticnEX Fml. |HEW口 Brow

20、se hfofmatcir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是win7系统，在烧写程序之前需要安装用口驱动。 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专用口是在串口几需要打开电脑中的设备管理器查看端口是COML ,我的电脑接上去后是COM3。知道串口数后按照图4-10操作。这里要注意单 片机用口的排针顺序，红线是阳极线，黑线是阴极线，绿色线紧贴着

21、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，STC-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。，W ac (COM 和 LPnI »“懵 Prolific USB-to"S«rial Comm lrt (COM3)，屋M 石算用J图4-9 win7系统上US端口的查看最高疲特率2400115200Prolific V

22、SB-to-StriilISP (V6.82)建电话官网:L -_ JZl却救 Auto .打开EEFRt避文件CEji开悭序文00x00004清除代码鳗冲0x2000* 清除EEFBOM宴使能61底赌速理式降低振荡器的放大瑞益只有那电才可停止看门狗国内部扩展KAM可用脚用作F4.5口E下次冷启动时,H-0/F1 . 1为0用才可下载程序下次下载用户程商寸擦除用户EEFEOM区E在代码区的最后摩加他选择Flazh空白区域的填充值加，硬件逸顶脱机下和哂，3t重加密后传粕I面,人 -一一. 十-一+I -Word资料图4-10 STC-ISP (V6.82)软件的操作

23、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

24、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