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基于单片机的光立方设计摘要本篇论文是以51单片机为基础的光立方设计，可以显示静态画面和动态画面，实现 了从平面到立体的跨越。给人们带来视觉上的体验，而且画面更加丰富。本篇论文在设计方面，主要对单片机电路、主控模块、驱动模块、显示模块等进行 了充分的介绍，主要有单片机STC12c5A60s2、74 HC595、LTH4 953等一些元件。通过软件 编写最终实现显示ZB6216127这9个字符。论文的结尾还对本篇论文设计技术的应用做 了总结和展望，而且还对在硬件电路设计与焊接以及程序编写过程中遇到的问题和困难 做了说明。关键词：单片机光立方74 HC595 LTH4 953IDesign of light cube based on sin gle chip microcomputerAbstractThis thesis is a light cube design based on 51 sin gle-chip microcomputers.It can display static images an d dyn amic images an d achieve a span from plan e to three-dimen sion al.Gives people a visual experien ce an d a richer picture.This article in the design,the main sin gle-chip circuit,the main con trol module,driver module,display module,etc.are fully described,main ly microcon trollers STC12C5A60S2,74 HC595,LTH4 953 an d some other compon en ts.The 9 characters of ZB6216127 are displayed by software.At the en d of this thesis,the application of the design techn ique of this paper is also summarized an d prospected.The problems an d difficulties en coun tered in the design an d weldin g of hardware circuits an d the programmin g process are also explain ed.Key words:Sin gle-Chip Microcomputer;Light cube;74 HC595;LTH4 953目录1.绪论.11.1 课题的背景与意义.11.2 发展现状与趋势.11.3 主要研究内容.12.系统的总体设计方案.32.1系统设计方案.32.2系统设计硬件方案选择.43.系统的硬件设计.63.1 主控制模块.63.2 驱动模块.73.3显不块:.84.系统的软件程序设计.104.1软件设计.104.2显示程序设计.114.3按键消抖程序.125.系统的调试与问题解决.135.1软件测试.135.2 硬件测试.145.3 问题解决方案.156.总结与展望.17参考文献.18附录.19附录一系统硬件原理图与实物图.19附录二程序.21致谢.24ill常熟理工学院毕业设计（论文）1.绪论1.1 课题的背景与意义随着现代社会的快速发展，信息化已经成为当今社会发展的主流线路，并且伴随着 人们物质生活水平的提高，人们对精神世界的需求也不断的在提升，对信息的汲取已经 成为非常重要的方式，色彩鲜艳，简洁明了的信息传递的方式肯定会给人们带来一次视 觉的冲击。所以光立方显示设备的出现，必定会给传统的信息传递带来一种新的视觉文 化盛宴。在关于单片机的设计系统应用当中，结合发光二极管（LED）的设计更能够 直观的表现出单片机的各种控制功能。为此，制作出8*8*8的光立方，在这次的光立方 设计中能够使我们进一步了解并掌握单片机的硬件功能，也能够把学校学习的知识更好 的进行巩固，提高我们的专业技能知识水平。1.2 发展现状与趋势二十一世纪以来，在我们的生活中充满着各式各样的LED显示，科学技术发展的脚 步一直向前，三维立体图像显示给人们带来了更加震撼的视觉体验。经过这几年的发展，中国的LED产业已经是基本形成一大批骨干型企业。中国的LED产业发展的同时，其产 品技术和创新能力一直保持在世界上比较先进的水平。LED的产业已经成为中国的一个重 要的电子信息产业。随着LED相关产业的快速发展，生活中越来越多的运用到LED相关的东西，已经朝 着三维立体的方向发展。未来LED的立体显示会向着标准化、规范化、小型化、结构多 样化等方向发展。1.3 主要研究内容本设计选用了 STC12c5A60s2单片机的一些控制处理的功能，并且对在本设计中运 用到的元器件进行了论证和选择，并结合理论完成了单片机控制模块，时钟信号电路，显示模块等设计。然后根据系统设计的要求编写软件程序。本设计具体要求如下：（1）主要讲述了系统的方案的选择和论证，而且将光立方硬件设计系统划分为主 控制模块，驱动模块与显示模块。并且对这些模块分别进行细致说明。（2）主要说明了对硬件电路设计的方案，并且对各个模块所实现的功能以及用到 常熟理工学院毕业设计(论文)的引脚进行了一些说明。(3)主要说明主程序的编写和软件设计的架构。(4)介绍整个光立方的硬件系统主要的调试过程。并且对在调试过程中所出现的 硬件和软件的一些问题和困难进行了详细的说明。(5)对整个毕业论文在设计过程中一些想法进行了总结，并且讲述了在这个过程 中的收获和感想。2常熟理工学院毕业设计（论文）2.系统的总体设计方案2.1 系统设计方案本设计的硬件系统方案主要是以STC12c5A60s2单片机为主控制核心部分，并且采 用512个蓝色雾状LED灯作为显示模块，以LTH4 953芯片作为驱动模块，组成的光立方 硬件系统。光立方是由512个发光二极管构成，每一层都有8行8列共64个发光二极管,一共有8层，选用8个74 HC595芯片的输出端口与64个发光二极管按照软件所配置好的 地址顺序进行连接，然后把每一层的64个发光二极管的阳极连接在一起，并且和8个 LTH4 953芯片相连接。光立方的显示原理是通过单片机下载的程序来控制LTH4 953芯片的G1引脚输出高 电平，来控制光立方的一层，同此原理，通过8个LTH4 953芯片，来控制8层光立方，然后再通过单片机控制74 HC595锁存器芯片控制每一层的64个LED发光二极管，然后 通过程序控制给一定时间的延时，再把另外一个LTH4 953芯片的G1引脚输出高电平，然后再来控制74 HC595锁存器芯片。主要是运用了人眼的视觉暂留的原理，通过LED发 光二极管的快速切换，形成一个立体的图像。单片机是硬件系统的主要控制部分，各个模块通过I/O端口相连，硬件系统的整体结 构如下图2.1所示，硬件的实物制作通过各个模块来设计、选型和布局并且合理的结构可 以减少飞线太多、杂乱的场面；软件设计主要是主函数设计（对动作流程的把握）和各 子模块的初始化、功能编写、程序调用等。这样有利于排查错误。LTH4953电源驱动模块STC12C5A60S2单片机显示模块图2.1系统模块结构图3常熟理工学院毕业设计(论文)系统的总体结构如上图所示，实物焊接更需要依靠各个模块进行设计、选型和布局 而且合理的布局可以避免飞线过多、混乱的局面；软件的编写是由主函数编写和各子程 序的初始化、功能编写以及在主程序中的调用等。这样的设计有助于故障的查找。2.2 系统设计硬件方案选择(1)单片机是全部硬件系统的核心组成部分，其作用是控制1/0 口输出高电平和低 电平，来控制LED灯的亮灭，按照所编写的程序，实现各类不同的动画的效果。本篇论 文的硬件系统设计主控制芯片选择单片机。单片机是一种集成电路芯片，内部集成为了 ROM、RAM、定时器等多种功能，在日 常的生活中，人们经常使用的电子产品、家用电器在内的产品都离不开单片机的控制。现在单片机种类多种多言，型号有8位单片机，16位单片机，32位单片机和64位单片 机。有些单片机上集合了 A/D,D/A,LCD驱动，USB驱动、SD卡的驱动、函数发生器,PWM波等等一些功能，从经济角度考虑，单片机的价格方便具有很大的优势，成本低，降低了硬件产品开发的经济支出。单片机开发的技术门槛比较低，只需掌握关于一些C语言的知识就能进行一些简单 的开发，而且单片机开发成本低，一般来说单片机芯片只需要几块钱就能购买到，现在 市场上经常使用的单片机主要有8位单片机MCS-51、STM 8与STC。而且单片机的硬 件结构简单，单片机的入口教学基本都是采用51系列的单片机作为教学工具来教授知识 的。因此本论文的硬件设计系统采用STC12c5A60s单片机作为整个系统的主控制模块。(2)电源电路方案一：LED光立方的硬件系统的供电电路是通过LM7805稳定电压电路实现的，首先，使用电压适配器将220V的生活用电降压输入到电路，然后将降压后的电源输入到 整个供电系统的LM7805线性稳压电路中，当做电源供电。采用LM7805芯片的优点是 电路简洁，工作的电压稳定，可是降压的效率很低，只有50%上下，发热量大，考虑到 硬件系统功耗会比较大，导致浪费电的现象发生，所以不选用这类方案。方案二：采用在日常生活中经常使用到的USB 5V充电宝进行供电，电压稳定，便于 携带。综上所述，因此选择USB 5V的充电宝供电方式为光立方系统供电。4常熟理工学院毕业设计(论文)(3)层驱动电路方案一：采取八个NPN三极管(型号：S8050),利用三极管来放大电路电流，固 然这类方式可以达到驱动LED灯层的目标，但是这种方式增加了焊板的面积，在一定程 度上使得成本增加，并且布线繁琐，焊接时候也比较容易出现差错，稳定性能差，所以 不采用这类方案。方案二：利用芯片LTH4 953,该芯片可以驱动大电流装备，可以满足512个LED灯 的功耗。节约了成本，还提高了系统的稳定性，但是由于考虑到焊接方便，这里用了 8 个LTH4 953芯片。综上所述，选择LTH4 953芯片来作为行驱动电路。(4)行驱动电路本设计要求在较低的电压和小电流的条件下，驱动LED发光。在考虑到LED发光响 应要求时间短，使用寿命长等特点，本设计采用了 74 HC595驱动芯片。(5)LED灯选型方案一：采用圆形雾状(草帽状)LED灯，由于这类灯光源整体亮度偏低，便于观察,观看效果好。方案二：利用方形高亮LED灯，这类LED灯工作电流为2mA至10mA。方形LED 灯聚光效果强，但是亮度高，长时间观看容易伤眼睛，影响后期的调试工作。综上所述，采用圆形雾状LED灯来显示。5常熟理工学院毕业设计（论文）3.系统的硬件设计系统的硬件设计非常重要，所以在实际焊接实物的时候，必须要对整个系统的总体 结构的框架，和所用到的一些元器件要有充分的认识，而且要列出元器件的列表。绘画 完毕硬件原理图，根据其模块开始焊接实物，编写设计程序，才能达到预期设计的目标。主要对单片机电路、主控制模块、驱动模块、显示模块等进行了充分的介绍。3.1 主控制模块光立方硬件系统设计采用的是STC12c5A60s2单片机,其优点是速度快抗干扰能力强,而且其程序指令兼容传统的51系统的单片机。VCCt.M)STC12C5A6OS2RXD/P3.0 TXD/P3.I INTO/P3.2 1NTI/P33 TO/P3.4 T2/P3.5 WR/P3.6RD/P3.7 XI.M2 XTALI vssVCC PO.O PO.I POJ P03 P0.4 P03 P0.6 P0.7I AALE/PROG PSEN40 亘 三 I7 16 三 IT 亘 J2 IT 亘2MP2.60迎 亚 57图3.1主控制模块电路图单片机作为整个系统的核心元件，控制着其他模块协调运行。P0接LTH4 953芯片 的8个输出口；单片机的 Pl,P2端口连接74 HC595芯片的DS（串行数据输入）和SH-CP（数据输入时钟线）端口；P3.4,P3.5,P3.6,P3.7与ST-CP（输出存储器锁存 时钟线）相连接；P3.3连接按钮；RST引脚接单片机的复位电路，XTAL1与 XTAL2的 引脚与晶振电路连接。具体的程序的端口配置如表3.1所示:6常熟理工学院毕业设计（论文）表3.1主要端口设置表序号网络标号端口号输入/输出功能1S1P33输出按钮2DSpi、prs pr5、pr7 P2、P2c3P25、P2输出74 HC595串行数据输入3SH-CPPro.Pr2 pin、pre P2P、P22 P2M、P2飞输出74 HC595数据输入时钟线4ST-CPP3-4、P3一P3飞、P3c7输出74 HC595输出存储器锁存时钟线5G1P(TO、POP(T2、P(T3P(T4、P(f5P(f6、P(f7输出LTH4 953控制端口3.2 驱动模块本设计所采用74 HC595芯片作为光立方的行驱动，LTH4 953作为光立方的层驱动。行 驱动的主要原理是把单片机的I/O端口进行扩展。如下图321所示：74 HC595的DS端 口接单片机的 PL1、PL3、P1.5、PL7、P2.1、P2.3、P2.5、P2.7,SH-CP 接单片机的 Pl.O、PL2、PL4、Pl.6、P2.0、P2.2、P2.4、P2.6,ST-CH 接单片机的P3.4、P3.5、P3.6、P3.7o GND 端口接地（电源负极），VCC端口 5V直流电压（电源 正极）。7常熟理工学院毕业设计（论文）74HC595 74HC595 74HC595 74HC595图3.2.1光立方行驱动电路图行驱动的原理是每一层用64个LED灯，其通过的电流较大，用LTH4 953芯片来控制它的点亮与熄灭。如下图3-2-2所示：LTH4 953的G1端口接单片机的PO.O、PO.K P0.2、P0.3、P0.4、P0.5、P0.6、P0.7。S1 端口接 5V 直流电压（电源正极）。VCC VCCP0.0 U10U141SI DI G1 DIS2 D2G2 D28 Cl1SI DI Gl DIS2 D2G2 D28 C52_7J 叫2_7JPO.I 3_63_64_5_4_5_LIH4953UllLTH4953UIS1SI DI G1 DIS2 D2G2 D28 C?1SI DI Gl DI$2 D2G2 D28 C6,2_7J P0.52_7JP0.2 3_664_5_4_5LTH4953U12LIH4953UI61SI DI G1 DIS2 D2G2 D28 C31SI DI Gl DIS2 D2 G2 D28 C7k 2_7j PO_62_7J3_63_64545LIH4953 UBLTH4953 UI71SI DI G1 DIS2 D2G2 D28C41SI DI Gl DIS2 D2G2 D28 C8P0.32_7j P07 2_7J3_6 3_646 4_LTH4953 LTH4953图3.2.2光立方行驱动电路图8常熟理工学院毕业设计（论文）3.3 显示模块本硬件系统的设计中显示模块主要是采用LED发光二极管组成，长管脚是正极，短管脚是负极。额定驱动电压3.3V（2.7V-3.3V）o其结构图如图3.3.1所示：0 8 。停第 1 个 74HC595LTH4953的八个口（层）图3.3.1显示模块结构图在本硬件系统设计中总共用到512个发光二极管，采取的是共阳极接法，每一层有64个LED发光二极管。每一行的8个LED灯分别与74 HC595的QO、QI、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7 端口相连,如图 3-3-2 所示:U61 LED2 LED3 LED4 LED5 LED6 LED7LED8 LEDU200|CH|02|03|041CONICONICONICONICONI CONI CONICONI910111213141516LEDLEDLEDjLEDLEDLEDLEDLEDU3-o5|J2L.Q6|J27_CONICONICONICONlCONI CONI CONICONI1718192021222324U4LEDQO F|QIII Q2LEDQ3|Q4Q5|06|I Q7JI；CONICONICONI252832LEDLEDLEDUS00|QICONI_TI Q2Q3|Q4 CONI05 rI 06|I Q7口CONI3336383940LEDLEDLEDLED)7)5QU7 QO 1CON 41 LED CON 49 LEDCON 57 LED CON1 1I J21_I58 LED OON1 CONI CONI43 44LED LEDQ2 1 1 Q3|I Q4|45LED61LED CON1 CONI CONI CONI46 47 48LED LED LEDI Q5 I_I Q6 I_I Q7 II11U8 00 1 11(I J21_I1 l_l l_l 11 CONI CONI51 52LED LED02 I I 03 I I Q4|1 l_l l_l l_l1 CONI CONI CONI54 55 56LED LED LEDI Q5|I 06|I 07|I1(U9 00 j1 11 1J1 LD LH)ul HZ CXJNl CONI CXJNl CXJNl CONI CONI CXJNl CONI57sts9 60 61gz 64LM LfcD LED UD UJO LED UD UDmT 1N4IMCXJNl CONI CUNI CXJNl CONI CCJNI CXJNl CJNITIN4实物图:21常熟理工学院毕业设计（论文）附录二程序void main()(in t t;doudon gl;doudon g2;if(Sl=O)while(l)P0=0Xfe;字符 Z z()；DelayMS(lOOO);P0=0Xfd;z()；DelayMS(lOOO);PO=OXfb;z()；DelayMS(lOOO);PO=OXf7;z()；DelayMS(lOOO);PO=OXef;z()；DelayMS(lOOO);PO=OXdf;z()；DelayMS(lOOO);PO=OXbf;z()；DelayMS(lOOO);P0=0X7f;z()；22常熟理工学院毕业设计（论文）DelayMS(lOOO);PO=OXdf;six();PO=OXfe;字符 B 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到了很多新的知识，也回顾了许多学过的知识。伴随着大学生活的最后一门课程的结束,我的大学学习生活也即将画上一个圆满的句号。在这几年里，曾经奋斗过，颓废过，有 苦也有甜，也让我收获了很多以前从未有过的东西，正因为这样也让我更加的留恋。本 次毕业论文设计的最终完成也得到了朱培逸老师的大力支持和同学们帮助。在此，首先我要非常感谢我的指导老师朱培逸在我做设计过程中的悉心指导。从一 开始的毕业选题，再到毕业设计的硬件系统的调试以及软件系统的编写，再到最后的论 文的编写，倾注了朱老师的大量时间和心血。并且朱老师对待学术问题都很认真严谨，对待工作也是兢兢业业，勤勤恳恳的，就连一些很细微的问题都认真仔细的研究。这种 严谨的工作作风和认真的工作态度，为我在日后的工作和学习中树立了一面旗帜。我还要再次感谢身边的朋友和同学。在这次毕业论文设计中，我周边的朋友和同学 们也为我提供了很大的支持和帮助，使得我的毕业论文很多问题得到解决。在平时的在 25常熟理工学院毕业设计（论文）校学习中也能够相互促进，使得我们能够得到很大的提升。最后在这大学生活结束之际，我希望朱老师在以后的工作中会更加的顺利，生活幸福美满。再次表达对常熟理工学院的所有老师，同学表示最诚挚的感谢！26