3D4光立方课程设计总结(完成版)

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

一、摘要

二、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

一、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，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、设计目的与要求

2.1设计目的

⑴．进一步掌握了模电和数电的知识。

⑵．熟悉LED点亮条件及其工作原理。

⑶．熟悉光立方显示的原理及其相关的线路连接。

⑷．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

⑴.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。

⑵.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 STC89C52单片机

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、高速、低功耗的单片机，基于Intel 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0 ~80 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)，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，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。

STC89C51RC/RD正常工作模式：典型功耗4mA~7mA

3.1.3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

【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，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；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16×64的点阵屏控制方式是一样的。拿16×64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

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.2009

4.欧阳斌林.《单片机原理及应用》.中国水利水电出版社 2006

5.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

#include

#define uint unsigned int

#define uchar unsigned char

void delay1(uint a)

{

uint i,j;

for(i=a;i>0;i--)

for(j=110;j>0;j--);

}

void delay2(int x)

{ int i;

for(i=x;i>0;i--);

}

void light1()

{

unsigned char code yinP1[2]= {0x0f,0xf0};

unsigned char code yangP2[2][8]={

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=yinP1[i];

P2=yangP2[i][j];

delay1(275);

}

}

}

void light2()

{

unsigned char code yinP1[8]={0xFE,0x7F,0xFD,0xBF,0xFB,0xDF,0xF7,0xEF};

unsigned char code yangP2[8][8]= {

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,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=yinP1[i];

P2=yangP2[i][j];

delay1(275);

}

}

}

void light3()

{

uint i,led,cycle=400;

i=4;

P1=0x00;

while(i)

{

i--;

for(led=0;led

{

P2=0x00;

delay2(led);

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 yinP1[5]={0x7E,0x3C,0x5A,0x66,0xE7};

unsigned char code yangP2[2][4]= {

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=yangP2[i][j];

for(k=0;k<5;k++)

{

P1=yinP1[k];

delay1(275);

}

}

}

}

void light5()

{

unsigned char code yangP2[7]=

{0XEE,0XDD,0XBB,0X77,0XBB,0XDD,0XEE};

uint i;

for(i=0;i<7;i++)

{

P1=0x00;

P2=yangP2[i];

delay1(275);

}

}

void light6()

{

unsigned char code yinP1[4]={0xF0,0x0F,0xF0,0x0F};

unsigned char code yangP2[4]= { 0XB7,0XDE,0XDE,0XB7};

uint i;