基于单片机的光立方设计.doc
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1、基于STC12C5A32S2单片机的光立方设计目录1绪论31.1课题研究的背景及意义31.2本文主要容31.3本文预期到达的效果32.总体设计42.1系统的工作原理42.2各模块方案选择4单片机主控制模块42.2.2 显示模块53系统硬件电路设计与实现63.1硬件电路设计63.2单片机最小系统6时钟电路73.2.2 P0 口外接上拉电阻73.3驱动模块的设计83.4光立方整体设计思路83.4.1 LED灯排序方式设计83.4.2 LED灯接法方式设计103.5光立方搭建方法103.5.1 LED的搭建从初始处理到点再到面10将LED从线到面的搭建11将LED从面到体的搭建113.6 PCB板的
2、焊接123.6.1 PCB板的制作123.6.2 主板的焊接12主芯片的焊接12元器件的焊接134软件设计144.1 主程序的设计144.2 红外按键程序的设计144.3 显示程序的设计15显示模块的原理154.3.2 显示程序的设计154.4 软件调试165外壳定制165.1亚力克板的定制165.2底板的定制166测试及问题分析176.1硬件调试176.2软件系统177结论18致19参考文献19附录201绪论1.1课题研究的背景及意义光立方是一种很有趣味的科学实践,它具有开放性的DIY程序改编以及相对立体的动画表现方式,可以很好的将娱乐和学习完美的融合在一起。如果想要不同的动画效果,通过改编
3、程序即可实现,而这点是随心所欲的。在制作过程中我们需要学会对单片机的控制操作以及掌握64颗全彩LED灯的点阵控制和它所对应的每个模块功能的协调配合,这些都表达出光立方的学习价值。随着近年来电子行业的飞速开展,越来越多的电子爱好者对于光立方产生了很浓厚的兴趣,光立方创造出的浪漫气氛和绚丽画面,使其在很多场合作为一种生日礼物或者是示爱的工具出现。在专业领域,光立方研究成为越来越多的技术人员的一项职业技能。由于技术的逐渐开展,这项技术不仅开场在商业方面表达价值。或许是因为光立方具有超群的立体渲染效果,这为它成为一种广泛使用的广告宣传技术铺就了道路。它的诸多好处也正被越来越多的人所认识。在其原有的根底
4、上进展的创新改进,使其所创造的社会经济价值和社会娱乐价值早已不是单纯的LED点阵显示所能比拟,这样的良性循环也在不断地召唤众多的电子技术工作者对光立方技术开展更深入的创作研究。1区别于传统的LED二维显示,此次光立方研究的课题核心在于点阵的三维立体显示,重点表达了缤纷多彩的效果呈现,给我们的视觉感官带来了全新的刺激。不再采用传统光立方所使用简单的单片机,因此也就不会被其性能的局限性所带来的立体效果和动画效果的迟滞所困扰。而本次的毕业设计采用性能更加卓越,功能更加强大的单片机STC12C5A32S2,因而其整体系统功能将更加强大,驱动能力的表现也会可圈可点,更重要的是动画显示流畅和仿真将提升一个
5、档次。由于传统的光立方的布局和排线的复杂性,造成了DIY程序极其单一,改编的自由度大大受限。硬件与软件的兼容性差强人意,一旦运行则会暴露许多问题,同时存在的静电危害以及焊接时的效率低下都是传统技术的局限所在。在本次的课题研究中,我们正视了这些传统问题,躲避了很多问题的出现,使得其成像效果更加逼真直观。此次的研究设计将促进光立方技术的商业价值和社会经济价值的实现。1.2本文主要容本次设计的主要容是建立一个4*4*4的发光二极管三维立方显示体,为了控制每一个发光二极管的亮灭,必须编写程序来实现,从而也能显示更加多样的图样组合。为了使效果显示更加多样,此次毕业设计设有多种显示模式。其中最简单的显示模
6、式是静态显示。不同的是,它还存在多种的动态显示模式。顾名思义,它们所呈现的图形是可以变化的。按照显示模式的不同,分为平移,旋转,缩放,闪烁。硬件方案设计:由于其根本原理是通过单片机来控制LED点阵显示,所有在设计过程中,必须要先确定系统所要到达的功能。具体表达在系统应该具备哪些模块,各个模块间应该怎样连接,以及电路系统的最优化连接。系统检测:在焊接完电路系统后,应先检测整个系统模块的功能,根据调试结果纠正程序中的错误,直至各个模块的功能都能正常运行,最后检测结果应满足此次毕业设计的要求。1.3本文预期到达的效果2.总体设计2.1系统的工作原理本系统的核心是STC12C5A32S2单片机,由主控
7、模块、驱动模块、显示模块构成,其中显示模块为64个LED灯组成的光立方。系统模块框图见图2-1:图2-1 整个系统构造框图2.2各模块方案选择2.2.1单片机主控制模块单片机开发板采用的是STC12C5A32S2,这款是宏晶科技新推出的1T 增强型51 单片机。该芯片的强大功能表达在它集成了各种高性能工业标准接口并且有着高兼容性,在资源布局上与传统51单片机都能兼容。在速度方面,STC12C5A32S2是1T核,速度大约可到达传统单片机的十多倍。在延时时间上是传统51单片机的十几分之一,因此在对延时有较高要求的地方,STC12C5A32S2的应用更为广泛。 STC12C5A32S2/AD/PW
8、M 系列单片机具有低功耗,高速,超强抗干扰的显著特点,是宏晶科技生产的新一代8051单片机,该系列单片机的指令代码与传统8051完全兼容,并且速度快了8-12倍。2以下图2-2为单片机管脚图:图2-2为单片机管脚图2.2.2 显示模块方案一:采用传统LED灯,但是由于传统的LED灯聚光性差,在点亮时相互之间将产生干扰从而影响视觉效果,使呈现的图像不清晰,因此方案一不可行。方案二:为了提高聚光性,可以尝试采用白发蓝的LED雾灯。该类型的LED灯有较高的聚光性,在发亮时工作的灯的光亮不会影响周围灯的亮度显示。白发蓝LED雾灯的工作电压为2.7-4.2V,电流围为2MA-10MA,其实物图见图2-3
9、:图2-3 雾面乳型LED灯3系统硬件电路设计与实现3.1硬件电路设计系统的控制核心采用的是STC12C5A32S2单片机,所以它自身能与8051指令和管脚兼容。为了满足程序代码的存储要求单片机还应该有较大的存储空间,采用STC12C5A32S2单片机则可以满足该要求。STC12C5A32S2单片机有多种时钟发生源,由于电路需要较高的稳定性因此采用普通晶体时钟源作为时钟发生器,晶体为12MHZ,显示模块则用64个雾灯全彩LED来实现。33.2单片机最小系统概念:是指能使单片机正常工作并且发挥其功能的必要组成局部。以STC12C5A32S2单片机为例,最小系统由单片机、时钟电路、I/ O设备、复
10、位电路等组成。4单片机最小系统如图3-1所示: 图3-1单片机最小系统框图3.2.1时钟电路了解单片机时钟端口的使用和特点是设计时钟电路的前提,因此我们要先理解时钟端口:*TAL1 :单片机部振荡电路输入端口。*TAL2 :单片机部振荡电路输出端口。*TAL1 与*TAL2的本质是一个反向放大器,作为时钟振荡电路时与石英晶振相连接。 具体操作:在*TAL1、*TAL2上接一个石英晶体,在两端应该再接两个电容,由此可以产生一个部激荡电路。值得注意的是该设计中采用的晶振为22MHZ,和晶振相连的两个电容通常采用瓷电容,规格为33PF。外部振荡信号采用方波,它的频率是低于12MHZ。5时钟晶振电路见
11、图3-2。图3-2时钟晶振电路检测晶振的方法:方法1:通过观察示波器的波形来检测,在*TAL2的输出端外接示波器并观察波形,如果为正弦波则晶振正常工作,反之不是正弦波则不能正常工作。方法2:通过电压表的测量,外接电压表来测*TAL2 输出端与地之间的电压,假设为2V则正常工作。3.2.2 P0 口外接上拉电阻STC12C5A32S2单片机需要在PO口外接上拉电阻,这是由于STC12C5A32S2单片机是开漏的,其P0口部没有上拉电阻,因此不管它的驱动能力多大,都相当于是没有电源的,需要通过外部的电路提供。当作为一般的I/O口时,即NPN管示通过P0口用来驱动的时候,则需要外接上拉电阻,通过外接
12、电阻将P0设置为1,后端才能够导通。6图3-3 P0端口的1位构造3.3驱动模块的设计此次设计中系统的驱动采用的是ULN2803达林顿管,ULN2803封装方式采用AP=DIP18,AFW=SOL18。8个NPN达林顿晶体管,1-8引脚:输入端;11-18引脚:输出端;9引脚:地端;10引脚:电源+。为了符合标准TTL,选用ULN2803达林顿管,另一原因是可以制造ULN2804较为适合6-15V的高级别CMOS或PMOS上。当输入低电平电压,则该电路为反向输出型,输出端才可正常工作。7ULN2803的部电路图见以下图3-7。图3-4ULN2803部电路图 1/8单元3.4光立方整体设计思路3
13、.4.1 LED灯排序方式设计光立方的主视图为光立方的四个竖面,见图3-5。1面与2面,3面与4面的R、G、B引脚由单片机I/O口扩展出来的三个74HC595控制,1面与3面,2面与4面阴极相连,由ULN2803口控制。如图3-6每一面同一竖的四颗灯一样引脚相连。如图3-7每一面同一行的四颗LED灯阴极的引脚相连。如图3-8每一面每一行的阴极引脚连接到ULN2803的端口。图3-5光立方的主视图图3-6每一面同一竖行连接图图3-7每一面同一横行连接图图3-8每一面每一行的阴极引脚连接图3.4.2 LED灯接法方式设计为了使光立方的64个LED灯的各自颜色都是能独立控制的,在设计中采用构造相对简
14、单的74hC593,每个LED灯的R,G,B,引脚分别由74hC593控制。1面与2面的R、G、B引脚相连,2面与4面的R、G、B引脚相连。每层LED的阴极都连在一起通过共连阴极的方法控制,每面每层都分布有一个接口,其中一共需要8个I/O口控制,1面与3面的阴极接口相连,2面与4面的阴极接口相连。其原理图如以下图3-9所示。8图3-9 LED构造设计图3.5光立方搭建方法的搭建从初始处理到点再到面按照图3-10先将1剪成2的完整样式。再将R、G、B三引脚分别掰成90度,见图3-11。注意三个引脚方向应该不同。1为R脚,2为阴极,3为G脚,4为B脚。如图3-12红圈的位置是一个缺口,是为了我们区
15、分G脚的位置。R脚,阴极,G脚,B脚从左到右分布。图3-10 LED灯的形状 图3-11 已掰好的LED灯图3-12 LED灯的引脚图3.5.2将LED从线到面的搭建将64颗LED灯掰好后用镀锌20号铁丝连接成一个面。如图3-13所示。图3-13 焊好的一个面焊接时为了防止把LED灯焊坏,假设是焊接时间太长容易把LED灯焊坏,应注意焊接的时间。影响焊接的另一个因素就是焊锡的用量,焊锡要使用均匀,保持适中,太少将使连接不结实,太多则影响美观。焊接完事后要测量每个灯是否能正常工作,采用函数信号发生器,可检测灯在焊接过程中是否存在虚焊、损坏和击穿。3.5.3将LED从面到体的搭建在电路板上分别接上焊
16、好的四个面,74HC573的八个引脚分别对应每个面的R、G、B三个引脚,ULN2803的输出端口与每一面的阴极相接。安装LED灯面是需要主要引脚对应。如图3-14所示从左到右三个红圈依次是音频接口、USB接口、HS0038红外接收头。如图3-15是16组焊盘中的一组对应的引脚分别是G、R、B、阴极四个接口。按照对应原则安装好四个LED灯面并在PCB板的反面焊接好每个接口。这局部即为硬件模块显示局部。9图3-14 图3-153.6 PCB板的焊接3.6.1 PCB板的制作PCB板的制作主要有三个步骤:制作印制电路板,首先在选择主板的大小上要适中,主板是整个光立方的支座,假设选得太大,既浪费资源也
17、影响美观,太小的话则LED灯将无法装下,根据经历一般选择大小与将要焊接的所有LED灯总体尺寸相差不多即可,这样会使焊接完事的成品更加美观实用。9其中制作PCB板又包括印制底图的图样描绘,底图膜层的制作以及蚀刻加工。电路板的打孔与清洗,这个步骤应该仔细慎重,防止电路板损坏。电路板的检修,在这里可以使用D*P来完成电路板的图纸设计以及仿真测试,仿真通过后再进展手动布局和自动布线,生成3DPCB幅员,制作PCB板时就根据生成的图纸文件进展制作。103.6.2 主板的焊接主板的焊接是很重要的一步,在开场前要将准备工作做好,首先必须保证主板的干净整洁,主板上不能允许有任何破损,其次检查每个元器件的对应符
18、号是否清晰。还要注意在焊接前就应该将所要焊接的元器件准备齐全,以及每个元件是否完好,是否能够满足系统需要,在准备工作确认无误后对照原理图上的元件位置进展元器件的焊接。焊接过程中要注意焊锡的用量,不宜太多也不宜太少,焊接用多了不仅影响美观还可能造成与附近元器件相连从而出现短路现象,焊锡太少则可能是元器件与主板连接不牢,形成断路。另一方面,焊接时间也不能太长,焊接时电烙铁会产生高温,焊接时间太长会损坏元器件。3.6.3主芯片的焊接由于使用的贴片单片机的焊脚较小并且它的焊接不同于其他元器件的焊接,因此在主芯片的焊接中要格外注意焊接的方法。在焊接时应该先固定单片机的四个脚,用焊接将其固定,之后在四条边
19、上依次进展焊接,在焊锡上涂上焊锡膏,将较多量的焊锡用在其中一条边上,再将电烙铁从这条边上轻轻滑过,在焊锡膏的作用下焊接将会彼此分开,从而将单片机的引脚焊住,按照同样的方法焊接剩余的边,用此种方法焊接的单片机相比传统方法效率较高,焊接的单片机也更加美观。图3-16 单片机焊接3.6.4元器件的焊接因为晶振比拟脆,因此在焊接过程中要尽量做到焊接迅速。对于贴片USB的焊接要仔细,要防止让引脚短路,焊好后还要对USB进展检测,判断是否虚焊、短路。对于直插音频接口焊好的检测期间是否正常运作就好。图3-17 贴片晶振 图3-18 贴片USB接口 图3-19直插音频接口图3-20 贴片ULN2803 图3-
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