《单片机技术》课程设计说明书
8*8*8的光立方
学 院： 电气与信息工程学院
学生姓名：
指导教师： 职称 讲 师
专 业： 电气工程及其自动化
班 级：
学 号：
完成时间： 2015年07月 I
摘 要
光立方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。
本设计包括硬件系统的设计和软件系统的设计。其中硬件系统包括核心控制器AT89S52单片机；驱动电路模块：ULN2803作为层驱动，74LS573作为行驱动和列驱动；时钟信号电路模块：采用普通晶体时钟源，其中晶体用12MHZ的石英晶振；显示模块：由512个发光二极管组成；供电模块:使用5V移动电源作为供电电源；键盘模块：由四脚按键组成。软件系统包括系统监控程序模块，光立方显示程序模块，键盘程序模块。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: AT89S52单片机;74HC573锁存器;8×8×8LED显示;ULN2803
II
目 录
1 设计要求与方案 .................................................. 1
1.1 设计目的 ................................................... 1
1.2 设计要求 ................................................... 1
1.3 设计方案 ................................................... 1
2 光立方的工作原理 ................................................ 2
2.1 模块简介 ................................................... 2
2.2 工作原理 ................................................... 3
3 方案选择 ........................................................ 4
3.1 电源的选择 ................................................. 4
3.2 3D显示核心控制器 .......................................... 4
3.3 I/O口扩展芯片的选择 ....................................... 5
3.4 LED发光二级管 ............................................. 5
4 硬件整体设计概述及功能分析 ...................................... 7
4.1 系统概述 ................................................... 7
4.2 单片机简介 ................................................. 8
4.3 时钟电路设计 ............................................... 8
4.4 复位电路设计 ............................................... 9
4.5 74HC573芯片介绍 ........................................... 9
4.6 ULN2803芯片介绍 .......................................... 10
5 硬件电路设计 ................................................... 11
5.1 硬件电路元件分布图 ........................................ 11
5.2 LED灯焊接方法 ............................................ 11
5.2.1 焊接前准备工作 ..................................... 11
5.2.2 焊接 ............................................... 11
5.3 整体实物图 ................................................ 12
6 主程序设计 ..................................................... 14
6.1 程序流程框图 .............................................. 14
6.2 显示程序的设计 ............................................ 15
7 设计结果分析 ................................................... 16 III
结束语 ............................................................ 19
参考文献 .......................................................... 20
致 谢 ............................................................ 21
附 录 ............................................................ 22
附录A 元件清单 ............................................... 22
附录B PCB图 ................................... 错误!未定义书签。
附录C 程序清单 ............................................... 23
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1 设计要求与方案
1.1 设计目的
在当今现代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。为追求舒适、逼真、清晰的3D视频显示，为此制作出一个三维立体显示图案的LED光立方。该设计方案将打破了传统的平面显示视频的方法，该方案设计的LED显示屏显示画面色彩鲜艳，立体感强，静如油画，可以广泛应用于广告公司、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。
1.2 设计要求
该光立方通电或按键复位后能自动显示P.，进入准备工作状态。该光立方可以通过键盘选择显示花样，切换花样，停止显示。要求8×8×8的光立方硬件，并且显示四种及以上花样。
1.3 设计方案
本设计根据二极管点阵的原理由单片机I/O口控制点亮不同的二极管从而组成出不同的画面，根据人眼的视觉暂留现象即当物体移去时视觉神经对物体的印象不会立即消失而是要延续0.1-0.4秒的时间，来设置每幅画面的延迟时间使连续的一系列画面呈现动态。每一个层面的二极管阳极接在一起受一路I/O口控制，实际电路中该路I/O口输出的控制信号通过ULN2803来控制的，再输入发光二极管的阳极使其驱动。每一个二极管的阴极分别受单片机扩展后的I/O控制。每个灯都是由片选端口和控制端口共同决定亮或灭。因此，我们可以随意的来点亮立方体中任意一处的灯，来构建多种多样的图案。
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。
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2 光立方的工作原理
2.1 模块简介
有8个8×8点阵，再用8个引脚来当充当各个8×8点阵的“开关”。只要将64个灯阳极连在一起，在连到这个引脚上。采用了74HC573锁存的方法，来分别把64个灯的亮灭信息存到这个上面，然后再一起输出到灯上，573的64个输出引脚控制前面所述每一个面的64个灯；而每层灯的阳极全连接在一起接入ULN2803，由ULN2803控制的每一个层灯。通过单片机主控芯片AT89S52来控制所有灯的亮灭，从而控制P0、P1、P2实现控制X、Y、Z空间立体控制来显示我们所需要显示的现象。如图1和图2所示。整个设计主要分为三个模块分别是主控模块、驱动模块、显示模块。
图1 光立方显示模块整体示意图 3
图2 64个灯孔
2.2 工作原理
ULN2803的1～8脚接主控芯片的P1口（1～8脚），数据由主控芯片P1口输入经过ULN2803从11～18脚输出，实现通过ULN2803来驱动每一层。每个573的2～9脚（数据输入）都连接在一起连接到主控芯片的P0口（32～39脚），数据从主控芯片P0口输送到573，573的1脚是3态输出使能输入（低电平）一般都与地相接，573的11脚（锁存使能输入）都连接在一起连接到主控芯片的P2口（21～28脚）作为锁存控制。当573的11脚为高电平和2～9脚为高电平时，573的12～19脚（3态锁存输出）为高电平，驱动一横面的灯亮，当11脚为高低平、2～9脚为低电平时，573的12～19脚则就为低电平，从而灯灭，当11脚为低电平时，2～9脚不管高低电平，12～19脚的输出不变。主控芯片通过573+ULN2803来驱动控制哪竖面的哪一层的哪个灯的亮灭。R1～R8是限流电阻。P0口必需设置上拉电阻，我们采用10kΩ的排阻作为上拉电阻。
单片机层驱动器列驱动器LED光立方
图3 LED光立方整体显示框图