3D4光立方课程设计总结(完成版)

1、河北联合大学课程设计报告书项目名称：3D4光立方班级：2014/12/13目录、摘要、设计目的与要求2.1 设计目的2.2 设计要求三、方案设计3.1 硬件方案设计3.1.1 系统流程图3.1.2 STC89C52RC 单片机3.1.3 单片机资源及配置3.1.4 复位电路3.1.5 时钟电路3.2 软件方案设计3.3 电源模块的实现四、电路原理图4.1 最小系统原理图4.2 各层 LED 引脚图五、测试及分析5.1 测试方法及结果5.2 分析与结论六、实物图展示七、心得体会八、参考文献 附件、摘要：当今社会， 随着电子行业的不断发展， 单片机凭借着其极高 的性能价格比，受到人们的重视和关注，

2、应用广泛，发展迅猛。 单片机体积小，质量小，抗干扰能力强，对环境要就不高，价格 低廉，灵活性好， 已广泛的应用在工业自动化、 通信、自动检测、 信息家电、 电力电子航空航天等各个方面。 成为现代生产和生活 中不可缺少的一部分。此次数电课程设计，我们采用的是 STC89C52RC 系列的单 片机，利用此单片机来控制一个“光立方” 。光立方顾名思义就 是一个立方体，我们采用的是 4*4*4 的模式，将 LED 灯分成四 层，利用程序来编写各种不同的效果来控制 LED 的亮灭，最终 使得整个立方体展现不同的造型和图案， 使其变得美轮美奂， 绚 丽多彩。【关键词】立体点阵 STC89C52 单片机二、

3、设计目的与要求2.1 设计目的进一步掌握了模电和数电的知识。熟悉 LED 点亮条件及其工作原理。熟悉光立方显示的原理及其相关的线路连接。 通过此次的电路焊接和调试提高自己的动手及其分析问题的能力。2.2设计要求.利用单片机控制4*4*4的LED光立方显示一些3D的图 形，通过编程编写一些程序控制单片机输出一些高低电平从而控 制某个和某些LED等亮和暗，由此来通过灯光显示一些 3D图形。 设计内容包括了时钟电路、复位电路、三极管驱动电路、LED光立方电路等几部分的设计。编写完程序后，进行实物的焊接，将程序烧写到单片机 上，最后进行调试。三、硬件方案设计3.1.1系统结构图3.1.2 STC89C

4、52 单片机STC89C52RC| 脚團;T2/P1.0 EZT2EX/P1. 1Pl. 2 匚Pl, 3 EZPL 4 匸;PL 5匸Pl. 6 二PL 7 EZRST匚 RXD/P3.0 I TXD/F3. 1 匚二 INT0/P3. 2 INT1/P3.3 匸T0/P3.4 |T1/P3.5 _WR/P3.6 二RD/P3.7 匸XTAL2 匚XTAL1 匚vss 匚二12 3 4 IX lx 1±- 1-20PDIF400 9 8 7 6 5 4-3433 3 3 3 332 10 9 8 73 3 3 2 2 2一 VCCPO. O/ADOPO. 1/AD1PO. 2/AD

5、2PO, 3/AD3PO. 4/AD4:PO, 5/AD5PO.6/AD6Z PO.7/AD7 EA J ALEV 咖 GPSENP2. 7/A15P2. 6/Al 4J P2, 5/A131 P2. 4/A12 P2, 3/AU P2.2/A10P2,1/A9P2. 0/A8STC89C52RC| 脚图1.STC89C51RC/RD+系列单片机（包括 STC89C52RC）是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰、咼速、低功耗的单片机，基于In tel 标准的8052,指令代码完全兼容传统的 8051系列单片机，12时 钟/机器周期和6时钟/机器周期可任意选择，最新的 D版本内 集成MAX810专用

6、复位电路。2主要特性STC89C51RC/RD增强型6时钟/机器周期，12时钟/机器 周期 8051CPU。STC89C51RC/RD 工作电压：5.5V - 3.4V（5V 单片机）/ 3.8V -2.0V（3V单片机）STC89C51RC/RD工作频率范围：0 - 40 MHz,相当于普通 的8051的080 MHz，实际工作频率可达到 48MHz。STC89C51RC/RD 用户应用程序空间 4K、8K、13K、16K、 20K 、 32K、64K 字节。STC89C51RC/RD 片上集成 1280 字节、512 字节 RAM。STC89C51RC/RD 通用 I/O（32/36 个）

7、，复位后为： P1、P2、 P3、 P4（PDIP-40 封装是没有引出 P4 口的 ）是准双向口、弱上拉 （普通 8051 传统 I/O 口 ）， P0 口是开漏输出， 作为总线拓展用时， 不用加上拉电阻，作为 I/O 口用时，需要加上拉电阻。STC89C51RC/RD ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程）， 无需专用编程器、仿真器可通过串口直接下载用户程序， 8K 程 序 3 秒即可完成。STC89C51RC/RD 内部集成 MAX810 专用复位电路 （D 版 本才有 ），外部晶体 20M 以下时，可省外部复位电路。STC89C51RC/RD 共 3 个 16 位定时器、计数器

8、，其中定时 器 0 还可以当成 2 个 8 位定时器使用。STC89C51RC/RD 外部中断 4 路，下降沿中断或低电平触 发中断， Power Down 模式可由外部中断低电平触发中断方式唤 醒。STC89C51RC/RD 通用异步串行口 （UART） ，还可以用定时 器实现多个 UART。STC89C51RC/RD 工作温度范围：0 - 75摄氏度/ -40 -+85摄氏度。STC89C51RC/RD掉电模式：典型功耗0.1uA，可以由外部 中断唤醒，中断返回后，继续执行源程序。STC89C51RC/RD空闲模式：典型功耗 2mA，可有由任何 中断唤醒，中断返回后，继续执行源程序。STC

9、89C51RC/RD正常工作模式：典型功耗 4mA7mA3.1.3单片机资源分配情况将4*4*4的LED光立方分4层又分为左右两部分，由单片 机的P2端口来控制阴极，每四个P2的I/O 口控制一个部分，给 低电平有效。再由P1 口经PNP三极管控制阳极，给低电平有效。 PNP三极管的集电极接 LED灯的正极，基极接 P1的I/O 口，发 射极接VCC。这样就可以通过控制每个口的输出信号来控制每 个的亮灭。3.1.4复位电路1S一20uFC3R1IL9297ARST10kPSEN【复位电路图】通过某种方式，是单片机内部各类寄存器的值变为初始状态的操作称为复位。单片机的复位是通过外部电路来实现的，

10、复位 引脚 RET 通过一个施密特触发器与复位电路相连接，施密特触 发器用作噪声抑制， CPU 在 RET/VPD 引脚上连续采集到两个机 器周期的高电平后就可以完成复位操作了， 但实际应用时， 复位 电平的脉冲宽度一般大于 1ms。复位电路通常采用上电复位、手 动按键复位和看门狗复位三种方式，本次采用的是上电复位方 式。3.1.5 时钟电路 单片机的各个功能部件的运行都是是时钟控制信号为基准， 一拍一拍的工作。 因此时钟频率直接影响单片机的速度， 时钟电 路的质量也直接影响单片机系统的可靠性和稳定性。 常用的时钟 电路设计为内部时钟方式， 单片机内部有一个由反向放大器构成 的震荡电路，芯片上

11、的 XTAL1 和 XTAL2 分别为震荡电的输入和 输出端。只要在这两个引脚上接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，其振荡频率主要由石英晶振 的频率确定。电路中两个电容 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。本系统的C1、 C2的值为 33pf 。3.2 软件设计LED 立体点阵驱动显示方案LED立体点阵是一种新萌发的具有 3D效果

12、的。LED立体点阵系统可以显示文字，数字，图形等生动逼真，立体感强。用单 片机驱动 LED 灯有很多方法，按显示方式分，有静态显示和动 态（扫描）显示，按译码方式可分硬件译码和软件译码之分。 静态显示就是显示驱动电路具有输出锁存功能， 单片机将所要显 示的数据送出后就不再起作用， 直到下一次显示数据需要更新时 再传送一次新数据，显示数据稳定，占用很少的 CPU 时间。动 态显示需要 CPU 时刻对显示器件进行数据刷新，显示数据有闪 烁感，占用的 CPU 时间多。这两种显示方式各有利弊；静态显 示虽然数据稳定，占用很少的 CPU 时间，但每个显示单元都需 要单独的显示驱动电路， 使用的硬件较多；

13、 动态显示虽然有闪烁 感，占用的 CPU 时间多，但使用的硬件少， 能节省线路板空间。 如果用静态显示的方法 ，LED 立体点阵共有 64 个发光二极管， 单片机没有那么多的端口， 如果用锁存器来扩展端口， 按 8位锁 存器来计算， 也需要 8 个锁存器。 因此在实际应用都不采用静态 显示，而是采用动态扫描的显示方法。此次设计的要求是立体点阵的花样变化， 采用动态显示， 扫 描电路就可以实现多行的同名列共用一套列驱动器。 LED 立体点 阵的控制方式和16X 64的点阵屏控制方式是一样的。拿 16X 64 的点阵屏来说， 把所有同一行的发光二极管的阳极连在一起， 把 同一列的发光二极管的阴极连

14、在一起（共阳接法） ，先送出对应 的第一行发光二极管亮灭的数据并锁存， 然后选通第 1 行使其亮 灭的时间，然后熄灭；再送对应的第二行的数据，依次下去，直 到第 16 行。整个来回的时间的时间很短，由于人眼的视觉暂留 现象，就可以看到显示在屏幕上的稳定的图像了。 采用扫描方式进行显示时， 每行一个行驱动器， 各行的同名列共 用一个列驱动器。显示数据通常存储在单片机的存储器中，按 8 位一个字节的形式顺序排放。显示时要把一行中各列的数据都传送到相应的列驱动器上， 这就存在着一个显示数据传输的问题。 从控制电路到列驱动器的 数据传输可以采用并行方式或串行方式。 显然，采用并行方式时， 从控制电路到

15、列驱动器的线路数量大， 相应的硬件数目多。 当列 数很多时，并行传输的方案不可取。采用串行传输的方法， 控制电路可以只用一根信号线， 将列数据 一位一位传往列驱动器，在硬件方面比较经济。但是，串行传输 过程较长， 数据按顺序一位一位地输出给列驱动器， 只有当一行 的各列数据都已传输到位后，这一行的各列才能并行地进行显 示。这样，对于一行的显示过程就可以分解为列数据传输和列数 据显示两个部分。解决串行传输中列数据传输和列数据显示的时间矛盾问题， 可以采用重叠处理的方法。 即在显示本行各列数据的同时， 传送 下一行的列数据。 为了达到重叠处理的目的， 列数据的显示就需 要具有锁存的功能。 经过上述

16、分析， 归纳出列驱动器电路应具备 的主要功能， 对于列数据段传输来说， 应能实现串入并出的移位功能；对于列数据显示来说，应具有并行锁存的功能。综上所述，此次设计采用动态扫描方式驱动 LED立体点阵显示， 采用串入并出的方法实现数据传输和采用并行锁存的方法实现 数据显示。3.3电源模块的实现该设计中电源实现借助 USB接口，将作品接入电源 USB 输出口，可直接实现5V电压的输入。四、电路原理图111.0?iSW-PI!R2I0KI'l'-pl.2ti I 4pl.6n.?'TT卫卫¥¥1P1 0vccPl"1P0 7PI 2#Pfl 6PI

17、 3 gR) 5Pl 4Pfl 4Pl 5P0 3ri 6 uP0 2Pl 7P0 1RSTK) 0P3 0/PXD卜 Vpp門 1 TXDAI.F.P3 ?1NTOPSENP3 3umP2 7門 4/TOP2 6ps 5/nP2_5P3俪kP2 4卩3 7/RDP2 3> XTAL2P2 2a XTALIP2 1GNDP2,0392383374365356弭33X329H30is心7曲Q1,25i23 必2nil21' n?O73Ik6712VI士单片机鼠小条班GXDvccvccQi PNP0DllI>12IXLEDl "JaLED!D161 "|&g

18、t;LEDni7 pi>LED 1 1D20【)21IEl)T【F【>I)O1 Ir>i2VXLFO!013SL-FO!r 1)14>kLED)D18*LED】;DID26VLEDl1)14EDI节1msIXLED016】 | "skLED017L>1K|>KLED1节1L>19FOL>2O1 | FQ021| 【.ElL>22 J -FtJ 1午*TXLFOl>241|LFDp2<z»025J LEO丹0D2isIkLFDIvccvrccvccQ2 PNPQ3I7Q4 PNPQIPNPOQ2 PNPQ3&q

19、uot;7vccQ4PNPvccQ2QI3 PXIP03v< caLED!1)14LEDl3 PNP25EDDISSLEDlD22XI FIJID26S>KLED1五、测试及分析5.1测试方法及结果首先给单片机供电，然后输入程序，运行后发现光立方有的部分 没亮，于是查看电路，发现 74HC154的一个管脚的排针没焊好，于 是重新把这个排针焊了上去，再重新运行，然而光立方仍不能按照程 序以不同模式发光，经过分析电路及原理我们 给电路加上了八个三 极管进行 电流放大，最后光立方可以按照程序以不同模式发光 。5.2分析与结论经过调试后，光立方能够按照总体设计，以正确的顺序和图案发 光，达

20、到了设计的要求。六. 实物图展示七.心得体会此次为期半个多月的课程设计，让我感受颇深。最终看到了绚丽多姿，变化多端的 LED光立方的图案。在这半个多月的学 习中，在很大程度上培养了自己的独立思考及其动手能力。学会了自己独立的发现问题、 分析问题。尽管此次设计过程中遇到很 多，但还是一步一个脚印的解决了。此次设计让我们认识到，自 己还有好多的知识需要去学习。在大学的期间，要好好的提升自己的相关技能。八.参考文献1张毅刚新编MCS-51单片机应用设计.哈尔滨工业大学出版社 2003 2.朱兆优、陈坚等.单片机原理及应用.电子工业出版社2010.18 3秦曾煌电工学高等教育出版社.20094. 欧阳

21、斌林 .单片机原理及应用 .中国水利水电出版社 20065. 潭浩强 . C 程序设计 .北京航空航天出版社6. 付晓光 .单片机原理与实用技术 .清华大学出版社7. 邹寿彬 .电子技术基础 .清华大学出版社8. 许熙文 .电路基础 .高等教育出版社附件#include<reg52.h>#include<intrins.h>#define uint unsigned int#define uchar unsigned charvoid delay1(uint a)uint i,j;for(i=a;i>0;i-)for(j=110;j>0;j-);void d

22、elay2(int x) int i;for(i=x;i>0;i-);void light1()unsigned char code yinP12= 0x0f,0xf0;unsigned char code yangP228=0xFE,0xFD,0xFB,0xF7,0x7F,0xBF,0xDF,0xEF, 0xEF,0xDF,0xBF,0x7F,0xF7,0xFB,0xFD,0xFE;uint i,j;for(i=0;i<2;i+)for(j=0;j<8;j+)P1=yinP1i;P2=yangP2ij;delay1(275);void light2()unsigned ch

23、ar code yinP18=0xFE,0x7F,0xFD,0xBF,0xFB,0xDF,0xF7,0xEF; unsigned char code yangP288= 0xfe,0xFD,0xFB,0xF7,0xEF,0xDF,0xBF,0x7F, 0xEF,0xDF,0xBF,0x7F,0xfe,0xFD,0xFB,0xF7, 0xfe,0xFD,0xFB,0xF7,0xEF,0xDF,0xBF,0x7F, 0xEF,0xDF,0xBF,0x7F,0xfe,0xFD,0xFB,0xF7, 0xfe,0xFD,0xFB,0xF7,0xEF,0xDF,0xBF,0x7F, 0xEF,0xDF,

24、0xBF,0x7F,0xfe,0xFD,0xFB,0xF7, 0xfe,0xFD,0xFB,0xF7,0xEF,0xDF,0xBF,0x7F, 0xEF,0xDF,0xBF,0x7F,0xfe,0xFD,0xFB,0xF7;uint i,j;for(i=0;i<8;i+) for(j=0;j<8;j+) P1=yinP1i; P2=yangP2ij; delay1(275);void light3()uint i,led,cycle=400;i=4;P1=0x00;while(i)i-;for(led=0;led<cycle;led+)P2=0x00; delay2(led)

25、;P2=0xff; delay2(cycle-led); for(led=cycle;led>0;led-)P2=0x00;delay2(led);P2=0xff;delay2(cycle-led);void light4()unsigned char code yinP15=0x7E,0x3C,0x5A,0x66,0xE7;unsigned char code yangP224= 0X00,0XF0,0X0F,0XAA, 0X55,0XCC,0X33,0X66;uint i,j,k;for(i=0;i<2;i+)for(j=0;j<4;j+)P2=yangP2ij;for(

26、k=0;k<5;k+)P1=yinP1k;delay1(275);void light5()unsigned char code yangP27= 0XEE,0XDD,0XBB,0X77,0XBB,0XDD,0XEE;uint i;for(i=0;i<7;i+)P1=0x00;P2=yangP2i;delay1(275);void light6()unsigned char code yinP14=0xF0,0x0F,0xF0,0x0F;unsigned char code yangP24= 0XB7,0XDE,0XDE,0XB7; uint i;for(i=0;i<4;i+

27、)P2=yangP2i; P1=yinP1i; delay1(275);void light7()unsigned char code yinP18=0xFE,0x7F,0xFD,0xBF,0xFB,0xDF,0xF7,0xEF; unsigned char code yangP288= 0xfe,0xFD,0xFB,0xF7,0x7F,0xBF,0xDF,0xEF, 0xEF,0xDF,0xBF,0x7F,0xF7,0xFB,0xFD,0xfe, 0xfe,0xFD,0xFB,0xF7,0x7F,0xBF,0xDF,0xEF, 0xEF,0xDF,0xBF,0x7F,0xF7,0xFB,0xFD,0xfe, 0xfe,0xFD,0xFB,0xF7,0x7F,0xBF,0xDF,0xEF, 0xEF,0xDF,0xBF,0x7F,0xF7,0xFB,0xFD,0xfe, 0xfe,0xFD,0xFB,0xF7,0x7F,0xBF,0xDF,0xEF, 0xEF,0xDF,0xBF,0x7F,0xF7,0x