基于单片机的光立方设计方案.docx
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基于单片机的光立方设计方案
基于单片机的光立方设计方案
摘要
本设计制作出一个三维立体显示图案的LED光立方。
本产品不仅可以像发光二极管点阵一样显示平面的静态或动态画面，还可以显示立体的静态或动态画面，打破了传统的平面显示方案。
同锁存器/8*8*8/LED显示时又增加了显示的花样和立体图案显示效果，可以广泛用于传媒信息显示和各种装饰显示，为将来显示技术的进步和发展指导了方向，光立方显示比发光二极管点阵更具有视觉效果，而且画面图案更加非富多彩。
本设计是采用AT89S52单片机为核心控制器，八D边沿触发器（三态）74LS574扩展I/O口，完成硬件电路设计。
通过软件编程控制数据下载到单片机完成设计图案的显示。
软件采用自上而下的模块化设计思想，使系统朝着分布式、小型化方向发展，增强系统的可扩展性和运行的稳定性。
关键词51单片机/74LS574
1绪论
1.1国内外LED显示屏的发展概况
在当今信息化社会的高速发展过程中，大屏幕显示已经从公共信息展示等商业应用向消费类多媒体应用渗透。
随着宽带网络的发展，数字化的多媒体内容将在信息世界中占据主流，新型的大屏幕显示设备将代替传统电视机成为人们享受信息和多媒体内容的中心。
与传统的显示设备相比，这种未来的巨大需求让LED大屏幕显示技术成为众人目光的焦点。
LED显示屏一般分为图文显示屏和视频显示屏，均由LED矩阵块组成。
动态图文显示屏可与计算机同步显示汉字、英文文本和图形；视频显示屏采用微型计算机进行控制，图文、图像并茂，以实时、同步、清晰的信息传播方式播放各种信息，还可显示二维、三维的动画、录像、电视、VCD节目以及现场实况转播。
不仅可以用于室内环境装饰还可以用于室外环境信息传播，具有投影仪、电视墙、液晶显示屏无法比拟的优点。
而且显示画面色彩鲜艳，立体感强，静如油画，动如电影，广泛应用于交通运输、车站、商场、医院、宾馆、证券市场、工业企业管理等公共场所[1]。
随着社会经济的不断进步，人们对LED显示器的认识不断加深，其应用领域越来越广。
目前正朝着更高亮度、更高耐气候性、更高的发光密度、更高的发光均匀性，可靠性、全色化方向发展。
1.2我国LED显示屏研究现状及发展趋势
（1）我国LED产业发展现状
目前国内主要LED广告大屏幕制造厂商主要集中在华东、华北、华南区域，大型制造商的市场范围几乎覆盖整个国内市场。
国产LED广告大屏幕的性价比比较高，市场占有率近100%。
我国的LED显示屏产业经过几年的发展，基本形成了一批具有一定规模的骨干企业。
我国LED显示屏产业在规模发展的同时，产品技术推陈出新，一直保持比较先进的水平。
LED显示屏产业正成为我国电子信息产业的重要组成部分，也是平板显示领域唯一立足国内形成的民族高科技产业[2]。
（2）LED显示屏的发展趋势
二十一世纪的显示技术将是平板显示的时代。
基础材料的产业化，使LED全彩色显示产品成本下降，应用加快发展。
LED产品性能的提高，使全彩色显示屏的亮度、色彩、白平衡均达到比较理想的效果，完全可以满足户外全天候的环境条件要求，同时，由于全彩色显示屏价格性能比的优势，预计在未来几年的发展中，全彩色LED3D显示显示屏在户外广告媒体中会越来越多地代替传统的灯箱、霓红灯、磁翻板等产品，体育场馆的显示方面全彩色LED3D显示屏更会成为主流产品。
全彩色LED3D显示屏的广泛应用会是LED3D显示屏产业发展的一个新的增长点。
未来LED3D显示屏会向着标准化、规范化、产品结构多样化的方向发展。
1.3设计的总体要求及方案选择
本次设计制作一个8*8*8的三维的发光二极管立方显示体，能够通过编写程序来实现对每一个发光二级管的亮灭控制，从而可以显示多种多样的图案。
为了吸引观众增强显示效果，可以有多种显示模式。
最简单的显示模式是静态显示。
与静态显示模式相对应，就有各种动态显示模式，它们所显示的图文都是能够变化的。
按照图文运动的特点又可以分为闪烁、平移、旋转、缩放等多种显示模式。
产生不同显示显示模式的方法，并不意味着一定要重新编写显示数据，可以通过一定的算法从原来的显示数据直接生成。
这样程序书写就不会过于繁琐和重复，而且对核心控制器的内存空间要求不高[3]。
借鉴单片机控制LED点阵显示的原理，通过系统分析，确定该系统该具有哪些功能，有哪些模块，各个模块之间是怎样连接，以及怎样组合电路是最合理最简单的，即硬件方案设计。
编写硬件电路的相对应软件程序部分，利用仿真软件对程序进行测试修改。
电路系统焊接完毕后，测试整个的系统模块的功能，看各个功能是否能正常运行，并依据实验结果找出程序中的错误，改正这些错误至测试成功完成毕业设计要求。
1.4设计说明书的结构安排
针对毕业设计说明书的要求，对论文的内容和结构将做如下安排：
（1）初步整体方案的论证和选择
搜集题目的有关资料，并参照目前通用的设计思想和设计方法拟定几套设计方案进行分析比较。
最终选定了以8位51系列单片机为核心控制器件，外加I/O扩展电路和层驱动电路来设计方案满足设计要求。
（2）方案实现
以设计要求为指导思想选择合适的器件来实现这一思想，选择器件时要从功能和电气特性两方面来选择和论证。
经过对比选择选定AT89S52单片机为核心控制器件，由八D边沿触发器（三态）74LS574扩展I/O口输出，三极管8550和5V继电器为驱动电路器件。
论文列出了详细的器件参数和在系统中的连接使用方法。
（3）软件编写
根据硬件特点和设计要求，软件选用汇编语言编写。
程序按功能分为静态显示、动态显示、通信等几个功能上相对独立的模块。
然后按照所划分的模块逐个编写程序，最后将独立的模块整合起来。
（4）验证与测试
测试分为硬件测试、软件测试和系统联合测试几步来进行。
在硬件测试中发现有单片机端口驱动能力不足、驱动电路工作不稳定、LED显示不正常等问题。
在软件测试中出现程序整合工作不协测等问题。
通过分析，查找出问题的原因并设法解决。
（5）结论
设计作品完成后对设计中所遇到的问题、经验教训、以及自己的想法进行总结分析。
以便于为将来的设计提供宝贵的借鉴经验。
（5）致谢
针对设计中所遇到的问题和难处，解决的方法来自指导老师的讲解和点拨，以及同学的探讨和帮助，对此表示衷心的感谢！
2系统总体方案设计
本节是该设计的方案论证部分，对设计中所采用的芯片从多方面综合的进行比较，最后经过仔细的研究后决定所器件、编程软件和仿真电路绘制软件的选取。
2.1系统总体硬件方案选择
2.1.13D显示屏核心控制器
控制部分是整个系统的核心部分，其功能可以实现与上位机通信接收上位机发送的数据和控制指令经处理过后控制显示屏显示内容。
其常用的电子设计方法有单片机、DSP、及EDA技术。
方案一：
单片机
单片机是集成了CPU，ROM，RAM和I/O口的微型计算机。
它有很强的接口性能，非常适合于工业控制，因此又叫微控制器（MCU）。
单片机品种齐全，型号多样CPU从8，16，32到64位，多采用RISC技术，片上I/O非常丰富，有的单片机集成有A/D，“看门狗”，PWM，显示驱动，函数发生器，键盘控制等。
它们的价格也高低不等，这样极大地满足了开发者的选择自由。
除此之外单片机还具有低电压和低功耗的特点。
随着超大规模集成电路的发展，单片机在便携式产品中大有用武之地[4]。
方案二：
DSP芯片
DSP又叫数字信号处理器。
顾名思义，DSP主要用于数字信号处理领域，非常适合高密度，重复运算及大数据容量的信号处理。
现在已经广泛应用于通信、便携式计算机和便携式仪表、雷达、图像、航空、家用电器、医疗设备等领域。
DSP区别于一般微处理器的另一重要标志是硬件乘法器以及特殊指令，一般微处理器用软件实现乘法，逐条执行指令，速度慢。
DSP依靠硬件乘法器单周期完成乘法运算，而且还具有专门的信号处理指令。
它的强大数据处理能力和高运行速度，是最值得称道的两大特色。
芯片内置544字的高速SRAM。
外部可寻址64K字程序/数据及I/O，令周期在25ns～50ns之间，实时性处理比16位单片机快2倍以上，可取代一般的单片机[5]。
方案三：
EDA
EDA（即ElectronicDesignAutomation）即电子设计自动化，它是以计算机为工具，在EDA软件平台上，对用硬件描述语言HDL完成的设计文件自动地逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合及优化、逻辑布局布线、逻辑仿真，直至对于特定目标芯片进行适配编译、逻辑影射和编程下载等。
而且MCU和DSP都是通过串行执行指令来实现特定功能，不可避免低速，而FPGA/CPLD则可实现硬件上的并行工作，在实时测控和高速应用领域前景广阔；另一方面，FPGA/CPLP器件在功能开发上是软件实现的，但物理机制却和纯硬件电路一样，十分可靠。
基于以上分析，三种设计方式相比较各有优点且都能够实现控制功能，但单片机的技术门槛较低开发成本也较低非常适合初学者进行学习和锻炼使用。
现在市场上常用的单片机主要有MCS-51、AVR、ARM、PIC等。
其中应用最广泛的单片机首推Intel的51系列，由于产品硬件结构合理，指令系统规范，加之生产历史“悠久”，有先入为主的优势常作为单片机学习的教材。
所以决定选取51系列单片机作为控制部分的核心器件。
2.1.2电源电路
方案一：
采用普通干电池作为LED系统的电源，由于点阵系统耗电量较大，点阵系统一般悬挂在高处上，一直不停的工作。
使用干电池需经常换电池，不符合节约型社会的要求。
方案二：
采用一块LM7805三端集成稳压器。
把市电经变压器降压输入电路，而后整流送到LM7805三端稳压器稳压输出作为工作电压。
不仅功率上可以满足系统需要，不需要更换电源，并且比较轻便，使用更加安全可靠。
基于以上分析，决定选取LM7805三端稳压器稳压电路作为系统供电电源。
2.1.3I\O口扩展芯片
方案一：
选取串口输入并口输出芯片74LS164，虽然I/O口使用较少，由于本次设计共需要72路I/O口，列驱动电路就需要8块74LS164。
显示数据是先后顺序给送去的，显示会有延迟，而LED动态显示的刷新的时间控制大约10ms，实时性差，效果不好。
方案二：
采用边沿触发D型触发器74LS574，74LS574是三态总线驱动输出，可以缓冲控制输入，置数并行存取并且有改善抗扰度的滞后作用。
输出控制不影响触发器的内部工作，既老数据可以保持，甚至当输出被关闭，新的数据也可以置入。
时钟上升沿输入有效，8块74LS574共用16个I/O口，数据可以并行写入芯片，延迟时间少，满足设计要求[6]。
综合以上比较，决定选取74LS574作为列线驱动I\O口扩展芯片。
2.1.4层面控制驱动电路
由于当512个LED同时点亮时，层面积聚电流大，需要把电流放大才能驱动。
否则显示会出现不亮、半亮的现象，影响显示效果。
方案一：
采用ULN2803达林顿管来驱动层面，由于层面积聚电流大，虽然2803的驱动电流可以达到500mA，但是测试结果亮度低，甚至有的就不亮。
方案二：
采用5V固体继电器来控制。
把它看做一个电子开关，通过程序来控制动静点吸合来控制层面与电源正极的通断，可以满足电流的需求。
测试结果很好，可以满足设计要求。
基于以上分析，决定选取5V固体继电器作为层面电路控制器。
2.1.5串口通讯芯片的选择
AT89S52串行口采用的是TTL电平，与上位机通信时，必须要有电平转换电路，可以选择1488，1489，MAX232。
方案一：
采用1488或1489芯片实现电平转换，但在使用中发现这两种芯片可靠性不高，且需要正负12V电源，电路搭建麻烦。
方案二：
采用单电源电平转换芯片MAX232，电源与单片机供电相同，外围电路简单、可靠。
采用RS-232接口与上位机通信，方便后来设计的软件调试和程序烧录。
基于以上分析，决定选取MAX232作为串行通信芯片。
2.1.6L
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