1、 单片机技术课程设计说明书光立方学 院： 电气与信息工程学院 学生姓名： 周剑波 指导教师： 贾雅琼 职称 副教授 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 1202 学 号： 1230140245 完成时间： 2015 年 7 月 湖南工学院单片机技术课程设计课题任务书学院：电气与信息工程学院 专业：电气工程及其自动化指导教师 贾雅琼 学生姓名 周剑波课题名称 光立方内设计内容及任务一、设计任务设计一个具有特定功能的光立方。二、设计内容1、光立方的硬件系统（1)单片机最小系统模块（2）供电模块（3）光立方显示模块（4）键盘模块（5）驱动模块2、光立方的软件系统（1）系统监控程序模块（2）光立方
2、显示程序模块（3）键盘程序模块三、设计要求该光立方上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 44 的光立方硬件，并且显示四种及以上花样。主主要参考资料1李广弟.单片机基础M.第 3 版.北京：北京航空航天大学出版社，2003.6.2李全利.单片机原理及应用（C51 编程）M.北京：高等教育出版社，2012.12.3马忠梅.单片机的 C 语言应用程序设计M.第 4 版.北京：北京航空航天大学出版社，2003.6. 4李光飞.单片机 C 程序设计指导M.北京:北京航空航天大学出版社，2003.01.5李光飞.单片机课程设计实例指
3、导M.北京:北京航空航天大学出版社，2004.9.教研室意见教研室主任：（签字）年 月 日摘 要当今社会，随着电子行业的不断发展，单片机的应用从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法，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。设计采用 4*4*4 的光立方模式，硬件主要分为七个模块：主控模块、驱动模块、显示模块、键盘模块、电源模块、复位模块、下载模块。采用的主控芯片为 AT89S52 芯片，驱动电路是采用了常用 74HC573 数字芯片,设计采用 C 语言编程，通过单片机 I/O 口控制 LED 的亮灭，采用延时
4、控制 LED 亮灭时间，最终使得整个立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：光立方；AT89S52；74LS573 锁存器目 录1 绪论 .11.1 光立方的背景 11.2 研究的意义 12 设计要求和方案介绍 .22.1 设计要求 22.2 方案介绍 22.2.1 系统整体框图 .22.2.2 光立方发光原理 .33 系统硬件电路设计 .43.1 主要元器件的介绍 43.1.1 AT89S52 芯片介绍 .43.1.2 74HC573 芯片介绍 .53.1.3 四位一体数码管介绍 .53.2 硬件电路模块介绍 73.2.1 最小系统模块介绍 .73.2.2 驱动模块介绍
5、 .93.2.3 键盘模块介绍 103.2.4 显示模块介绍 104 软件系统说明 124.1 软件系统模块 .124.2 软件系统模块的程序流程框图 .125 光立方系统测试 155.1 操作说明 .155.2 测试结果 .155.3 结果分析 .175.4 设计结论 .175.5 设计体会 .17结束语 .18参考文献 .19致谢 .20附录 .21附录 A 原理图 21附录 B 实物图 23附录 C 元件清单 24附录 D 程序清单 2501 绪论1.1 光立方的背景光立方是由四千多棵光艺高科技“发光树”组成的,在2009年10月1日天安门广场举行的国庆联欢晚会上面世,这是新中国成立六十
6、周年国庆晚会最具创意的三大法宝之首,自从国庆60周年联欢晚会开始演练后,一个全新的名词“光立方”,吸引了全国人民的关注，并得到了全球的高度肯定。所谓“光立方”：就是在平面LED基础上发展起来的新的显示技术，通过复杂的程序控制，在三维空间能够显示具有立体感的图形、动画等。由此，也掀起了光立方的设计与学习热潮，在原有的基础上不断增加难度，增加变换花样，吸引电子爱好者对其研究、创新。1.2 研究的意义光立方作为一种特殊的显示资源，已用于一些广告行业、家庭、娱乐厅、会议室、大型演唱会、城市地标广场等场所的布置和装饰，还可以用于更广泛方面，具有广阔的应用前景。随着社会经济的不断进步，人们对 LED 显示
7、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。而且,光立方的研究对未来的 3D 技术有很大的借鉴和启发作用。12 设计要求和方案介绍2.1 设计要求光立方上电或按键复位后能自动显示 P.，进入准备工作状态。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 44 的光立方硬件，并且显示四种及以上花样。2.2 方案介绍2.2.1 系统整体框图系统主要由主控电路、时钟电路、复位电路、驱动电路、电源电路、独立键盘电路、数码管显示电路、LED 光立方电路组成；时钟电路、复位电路和独立键盘电路作为单片机输入，LED
8、 光立方电路和数码管显示电路作为单片机输出，系统框图如图 1 所示。A T 8 9 S 5 2电源电路复位电路时钟电路下载电路键盘电路数码管显示电路驱动电路光立方电路图 1 系统框图22.2.2 光立方发光原理光立方设计采用的是 4*4*4 的模块，采取层共阴，竖共阳的接法，即每一层的 LED 灯引出一个阴极。共阴极直接接到 AT89S52 单片机的 P3 口线的 P3.7-P3.4，竖共阳引出 16 根导线通过 74HC573 锁存器接到单片的 P0 口和 P2 口。独立式键盘接到 P1 口线。数码管显示电路接到 P0 口和 P2 口。通过编写 C 语言程序使光立方按不同的花式变化。33 系
9、统硬件电路设计3.1 主要元器件的介绍3.1.1 AT89S52 芯片介绍AT89S52 是一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 系统可编程Flash 存储器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80C51产品指令和引脚完全兼容。片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵活的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash，使得AT89S52 在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。AT89S52 单片机引脚图如图 2 所示。图 2 AT89S52 引脚图VCC 和 GND：分别为外接电源和接地。P0-P3：为输入/
10、输出口线。其中 P3 口每一位有第二功能RST/VPD：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持 RST 脚两个机器周期的高电平时间。ALE：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地址字节。在 Flash 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取址期间，每_PSEN个机器周期两次 有效。_：当 保持低电平时，在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），VpA/_4不管是否有内部程序存储器。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。3.1.2 74HC573 芯片介绍74HC573 是
11、八进制 3 态非反转透明锁存器。器件的输入是和标准 CMOS 输出兼容的；加上拉电阻，他们能和 LS/ALSTTL 输出兼容。当锁存使能端为高时，这些器件的锁存对于数据是透明的（也就是说输出同步）。当锁存使能变低时，符合建立时间和保持时间的数据会被锁存。输出既不是高电平,也不是低电平,而是高阻抗的状态；在这种状态下,可以多个芯片并联输出，当输入的数据消失时,在芯片的输出端,数据仍然保持。74HC573 引脚图如图 3 所示图 3 74HC573 引脚图3.1.3 四位一体数码管介绍设计采用的是四位一体共阳极的数码管，其内部电路已经连接好，引出的管脚如图 4 所示。上面八根引脚是段控引脚，下面的
12、是位控引脚。通过输入位控和段控信号使数码管按自己想要的方式点亮。5图 4 四位一体数码管引脚图63.2 硬件电路模块介绍3.2.1 最小系统模块介绍单片机最小系统由单片机、电源电路、复位电路、时钟电路以及下载电路等部分组成。最小系统的原理图如图 5 所示图 5 最小系统电路图（1）电源电路。单片机的输入电压为直流+5V，必须接通+5V 的直流电源才能正常工作。为了获得+5V 电源电压，采用 12V 变压器将 220V 电压降压成所需要的 12V 交流电压，通过整流、滤波、稳压、给系统提供稳定的直流电压+5V。整流桥选择 2W10 型号，承受电流的能力为 2A，最大耐压能力为 1000V。通过计
13、算，滤波电容 C5、C6 取标称值 470F,减少纹波系数电容 C2 取 0.1F，稳压芯片选取 LM7805，为了保护发光二极管不被烧坏，加上 1K 的保护电阻 R12，才能输出稳定的+5V 电压。电源电路如图 6 所示。7图 6 电源电路（2）复位电路。复位是单片机的初始化操作，其主要功能是把 PC 初始化为0000H,使单片机从 0000H 单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需要按复位键以重新启动。硬件系统中采用的是 AT89S52 单片机，需要在复位管脚RST 上产生两个周期的高电平才能使单片机复位。因此，在
14、复位键没有按下时，由计算可得，电容 C1 选取 22F，电阻 R9 取 1K；当复位键按下，复位端经电阻 R10 与 VCC 接通，由于电阻 R9 与 R10 分压，为保证复位信号有效，电阻 R10取 200。复位电路如图 7 所示。图 7 复位电路图（3）时钟电路。对于 AT89S52 来说，片内设有一个由反向放大器所构成的振荡电路，XTAL1 和 XTAL2 分别为振荡电路的输入和输出端，电容器 C3、C4 起稳定振荡频率、快速起振的作用，电容值一般为 533pF。但在时钟电路的实际应用中一定要注意正确选择其大小，并保证电路的对称性，尽可能匹配。设计中采用大小为 33pF 的电容和 12M
15、Hz 的晶振，其时钟电路如图 8 所示。8图 8 时钟电路图（4）下载电路。下载电路用于连接下载线，将程序下载到单片机内部。主体部分就是一个下载口，接到电路中。下载电路如图 9 所示图 9 下载电路图3.2.2 驱动模块介绍设计采用的是两块 74HC573 芯片并联驱动。驱动模块电路如图 10 所示，光立方是竖共阳、层共阴的，共阳引出的十六根导线用 74HC573 芯片驱动，通过芯片接到 P0 口和 P2 口。共阴引出的四根导线直接接到 P3.7-P3.4 口线。9图 10 驱动模块电路图3.2.3 键盘模块介绍设计采用的是独立式键盘，一共用到四个按键。各个按键之间互不干扰，每个按键控制光立方
16、的一种显示状态。按键部分电路如图 11 所示，按键 S1-S4分别接到单片机 P10-P13 口线上。单片机芯片额四个口线都加了上拉排阻，按键按下时，对应口线的电平将被拉低。图 11 键盘模块电路图3.2.4 显示模块介绍数码管显示模块主要由一个四位一体数码管、74HC573 驱动芯片和 8 个470 的电阻构成。数码管显示模块电路如图 12 所示。数码管实际上是由二极管构成,发光二极管正常工作时，其两端正向压降约为 1.6V，正向电流约为1010mA。为了使数码管达到一定的亮度，就使用芯片 74HC573 放大电流，来作为数码管的驱动控制数码管的段控。同时又不使电流过大而损坏数码管，因此在P
17、0 串上 470 的电阻，来达到限流的作用。图 12 显示模块电路图光立方显示模块是由 64 个 LED 组成的，采取层共阴、竖共阳的方法焊接成一个立方体。层共阴引出四根导线，竖共阳引出十六根导线。如图 13 所示。图 13 光立方显示模块电路图114 软件系统说明4.1 软件系统模块软件系统包括监控模块，键盘模块和显示模块，各模块行驶各自的功能，然而又紧密联系，共同组成了光立方的软件系统。软件系统系统总的 C 语言程序见附录 D。 监控模块是软件系统的主体，反映到 C 语言程序中就是主程序，是编程时的整体思路。程序的成功与否和它的关系密不可分。可以说监控模块出现错误的话，整个软件系统将进行不
18、下去，不能实现应有的功能。设计中先初始化光立方，然后调用键扫描，有键按下则执行按键对应的显示花样程序，在显示过程中一直进行扫描，若有其他功能键按下，待到花样显示的最后一个周期执行另一个按键对应的显示花样程序。键盘模块的软件系统设计属于函数，只需在主程序中调用，判断有无按键按下，有则执行相应的键功能程序，没有的话就顺序执行主程序。显示模块分为两部分，第一部分是数码管上电复位显示 P.，另一部分是光立方显示花样模块。数码管显示模块先通过位控选中数码管，再由段控选中哪几段数码管亮。光立方显示模块是通过键扫描控制，事先编好显示花样的函数，有按键按下后直接调用。4.2 软件系统模块的程序流程框图监控模块
19、程序流程图如图 14 所示12图14 监控模块程序流程图键盘模块程序流程图如图 15 所示13开始按键释放 ？恢复键值判断是哪个键按下键确实按下 ？计算并保存键值返回延时去抖延时去抖有键按下 ？NYNYNY图15 键盘模块程序框图显示模块程序流程图如图 16 所示开始按键 1花样 1开始按键 2花样 2开始按键 3花样 3开始按键 4花样 4返回 返回 返回 返回图 16 显示模块程序框图145 光立方系统测试5.1 操作说明电路连接完毕无误后，接通电源。上电显示 P.，按下复位键也显示 P.。按下键 1，光立方显示模块全亮并闪烁。按下键 2，光立方显示模块从第一层全亮闪烁向下移动循环。按下键
20、 3，一竖 LED 灯左对角循环点亮。按下键 4，单片的第一竖和第四竖点亮左右循环。5.2 测试结果上电复位显示 P.如图 17 所示图 17 上电复位显示 P.按下键 1 显示花样 1 如图 18 所示图 18 花样 1按下键 2 显示花样 2 如图 19 所示15图 19 花样 2按下键 3 显示花样 3 如图 20 所示图 20 花样 3按下键 4 显示花样 4 如图 21 所示图 21 花样 4165.3 结果分析光立方显示模块电路焊接时没怎么对齐，而且在弯 LED 灯引脚时存在一些差距。导致整体看上去不太整齐。分别按下各功能按键能实现相应的显示花样，满足课程设计的要求。不足之处在于花
21、样比较单一，有点简单。还有灯的亮度太强，导致拍摄的图片不清楚。5.4 设计结论在焊接过程引脚一定要弯的整齐，焊接需做好焊接模板这样焊接出来的光立方硬件才更加完美。光立方显示的花样由程序控制，要想显示更为复杂的花样，程序也对应更为困难。还有 LED 灯的选择不应该用高亮的，应选取雾灯，这样 LED 灯的亮度就不会很刺眼，视觉效果会更好。5.5 设计体会经过两个多星期的努力，光立方课程设计终于完成了。在光立方显示花样的那刻，心里既兴奋又激动。感觉这些天的努力没有白费，付出还是有回报的。一分耕耘一分收获，在制作光立方课程设计的过程遇到了很多困难，通过查找资料和老师、同学们的帮助都一一克服了。在焊接硬
22、件时 LED 灯不好固定，很难焊接。然后用插针制作了一个固定 LED 灯模板，焊接速度马上提升上去，而且焊接出来的实物更加美观。在编写程序的时候同样遇到很多困难，在按键扫描程序这块顿了很长一段时间，最后是参照老师的键扫描程序才弄出来的。遇到困难并不可怕，可怕的是没有面对困难的勇气及战胜困得决心。没有什么是不可能的，只要你用心，并且付出努力，一切困难都会迎刃而解，从而达成你想要的。17结束语经过两个多星期的努力光立方课程设计现在总算顺利完成，硬件和软件的运行都没什么问题，能满足课程设计的要求。光立方设计利用硬件的立体性，利用软件的变化多样性，这两者结合起来就可以产生非常绚丽的画面效果，光立方设计
23、功能强大，可以通过改变程序产生很多意料不到的画面效果。课程设计的圆满结束。最终看到了绚丽多姿，变化多端的 LED 光立方的图案。在很大程度上培养了独立思考及其动手能力。学会了独立的发现问题、分析问题、解决问题。设计途中，遇到的很多困难都一一解决了。同时，通过课程设计发现了很多不足之处，还有很大的学习空间。感受到了单片机学科的魅力，坚定了学好单片机的决心。18参考文献1 李广第.朱月秀.冷祖祁.单片机基础M.北京航空航天大学出社,2007.34372 李全利.单片机原理及应用（C51 编程）M.北京高等教育出版社，2012.56773 阎石.数字电子技术基础(第五版)M.北京高等教育出版社,20
24、06.43454 邱光源.电路(第五版)M.北京高等教育出版社,2006.56635 郭天祥.51 单片机 C 语言教程M.北京：电子工业出版社，2009.12.2032106 李元生.LED 光柱专用驱动器M.北方工业大学出版社,2008.23307 荣贵.电子制作M.科学技术文献出版社,2003.15188 马忠梅.单片机的 C 语言应用程序设计M.第 4 版.北京航空航天大学出版 社，2003.6.810 9 李光飞.单片机 C 程序设计指导M.北京航空航天大学出版社，2003.1.51010李光飞.单片机课程设计实例指导M.北京航空航天大学出版社，2004.84 9211张洪润，兰清华
25、.单片机应用技术教程M.北京：清华大学出版，1997.104 10612胡汉才.单片机原理及其接口技术M.第二版.北京：清华大学出版社，2004. 788119致 谢通过这段时间的努力，我的光立方课程设计终于顺利完成。 在本次课程设计过程中，首先，感谢父母多年来的养育之恩。感谢我的学校湖南工学院，给了我学习的环境，让我有机会接触单片机这门课程。其次，感谢贾雅琼老师对我的的精心指导和大力支持下。贾老师的严格要求和谆谆教导深深的影响了我。本次课程设计的成功跟贾老师是密不可分的。在此，我对贾老师致以崇高的敬意。然后是此次课程设计中帮助过我的同学们。谢谢你们一直默默的给予我帮助和支持。20附 录附录
26、A 原理图1 12 23 34 4DDCCBBAATitleNumberRevisonSizeA4Date:2015/7Shet ofFil:ADExaples光.SchDoDrawnBy:12J5V-G1KRS5G6D2LEGNDVC电源 V+P1.0/T2 EX2.34P1.5/MOSI6.7/CK8RTVPD93.0/X11.2/INPT3.4/0151.6/WRP7DXTAL21819GN20P2.01.324P.56.728SEN9AL30/p1.7260.534P.6270.1389VC4U8S5212345678J3ISP812345678J4ISP81234567JISP812
27、34567JISP8 VCP012P057VCALEPSNP0P2单片机P012P067P102P67P201P67P3012P67排阵P10P1RETP302P34567XTGND1217421053968d1d1abcefgpLED2SMG4OE1D023456D789GN10LE1Q72635416Q278019VC2U74HC53 470R1234705R68P012P0467CVCGNGNP71KR920R1S6C52FC1GNDVCC51123456789J10K123456789J120K123456789J130K123456789J140KP0P07VCVCVCVCP021P
28、7P20P7P3012P7上拉排阻1234567890XZKP5P167RETV+GND下载电路S1KG1-2S21-2S3KG1-2S41-2 P0PPP3GND独立键盘电路QQ0Q23OE1D023456D789GN10LE1Q72635416Q278019VC2U474HC53 OE1D023456D789GN10LE1Q72635416Q278019VC2U7H534224光 P0P0PGNDGNDP2 GNDVCVCVC SHU1234S5HU678SHU9102S3HU1456P356ceng23ce4件件3pFC43pFCJZ12MXTXTGND晶振电路4*光立方主板原理图21.
29、0周剑波123456光jVIN1+53GD2LM7805光D1LE12J4 0.FC2GNDND+5V1423520V2光18:5472W10光KR12C6470F211 12 23 34 4DDCCBBAATitleNumberRevisonSizeA4Date:2015/7Shet ofFil:Backup.光光.cDorawnBy:D1LED2LED3LED4LED8LED7LED6LED5LED9LED10LED1LED12LED16LED15LED14LED13LED17LED18LED19LED20LED24LED23LED2LED21LED25LED26LED27LED28LED
30、32LED31LED30LED29LED3LED34LED35LED36LED40LED39LED38LED37LED41LED42LED43LED4LED48LED47LED46LED45LED49LED50LED51LED52LED56LED5LED54LED53LED57LED58LED59LED60LED64LED63LED62LED61LESHUSHUSHUSHU SHUSHUSHUSHUSHUSHUSHUSHUSHUSHUSHUSHUSHU1SHU2SHUSHU4 SHU5SHU6SHU7SHU8SHU16SHU15SHU1SHU13SHU1SHU10SHU9SHU12 SHUIS
31、HU2SHU3SHU4SHU5SHU6SHU7SHU8SHU16SHU5SHU14SHU13SHU1SHU1SHU10SHU9SHU1SHU2SHU3SHU4 SHUSHU6SHU7SHU8SHU1SHU15SHU14SHU3SHU12SHU1SHU10SHU9ceng1ceng2ceng3ceng44*光立方模块原理图21.0周剑波 222附录 B 实物图23附录 C 元件清单表 1 元件清单元器件名称 规 格 数 目AT89S52 单片机 40P 1单片机底座 40P 1四位一体共阳数码管 12P 1四位一体共阳数码管插座 12P 174HC573 20P 374HC573 芯片插座 20P 3晶振 12MHz 1单排插针 40P 3小按键 5下载口座子 1LED 灯 66电阻 200 1电阻 470 8电阻 1K 4瓷片电容 0.1F 1电解电容 470F 2电解电容 22F 1瓷片电容 33pF 2排阻 10K 4整流桥堆 2W10 1变压器 200V：12V 1稳压芯片 LM7805 1六脚开关 2
