基于STC51单片机光立方设计与实现

毕业论文（设计）题目：基于STC51单片机的光立方设计与实现**：**学号：**********层次：本科专业：软件工程班级： 12级（13）班指导教师：***独创性声明一、本论文是本人独立完成；二、本论文没有任何抄袭行为；三、若有不实，一经查出，请答辩委员会取消本人答辩资格。

承诺人（签名）：年月日摘要本设计使用51系列的单片机STC15F2K60S2作为整个设计的控制，每层的64个LED通过层共阴的形式连接起来。

每束的8个LED通过共阳的形式连接起来。

使用74HC593控制各束LED的阳极，使用ULN2803控制各层的阴极。

组成一个由512个LED、规格为8*8*8的立方体。

同时介绍了STC15F2K60S2、74HC573、ULN2803的使用方法及选用原因。

同时介绍了在调试过程中，遇到的软、硬件方面的问题以及解决方法。

对光立方的原理进行了详细的阐述，并详细的介绍了光立方在应用方面的意义。

关键词光立方；74HC593；STC15F2K60S2；ULN2803；LEDSummary This design uses 51 series microcontrollers STC15F2K60S2 as the control of the entire design, form each of 64 LED by connecting the common cathode layer. Each bundle of eight LED connected through common anode form. Use 74HC593 control each beam LED anode, cathode layers using ULN2803 control. Composition consisting 512 LED, specifications for the cube 8 * 8 * 8. Also introduced STC15F2K60S2,74HC573, ULN2803 to use and selection reasons. Also introduced the problem in the debugging process, encountered software and hardware and solutions. Light cube principle set forth in detail, and describes in detail the significance of light cube applications.Keywords light cube；74HC593；STC15F2K60S2；ULN2803;LED目录1 前言 (1)1.1研究的背景 (1)1.2研究的意义 (1)1.3研究内容和结构 (1)2 总体设计 (2)2.1 系统的设计方案及工作原理 (2)2.2 各模块元件选择 (3)2.2.1 控制模块元件的选择 (3)2.2.2 驱动模块元件的选择 (3)2.2.3 显示模块元件的选择 (4)3 硬件电路设计与实现 (4)3.1 硬件电路布局 (4)3.2 控制模块电路的设计 (5)3.2.1 单片机的说明及引脚规划 (5)3.2.2 电源电路的设计 (6)3.2.3 串口选择电路的设计 (6)3.2.4 程序下载及串口通信电路的设计 (7)3.3 驱动模块电路的设计 (7)3.3.1 ULN2803的说明及引脚规划 (7)3.3.2 74HC573的说明及引脚规划 (8)3.4 显示模块电路的设计 (9)3.5 光立方搭建方法 (9)3.5.1 弯折LED的引脚 (9)3.5.2 光立方的焊接 (11)3.5.3 元器件的焊接 (13)4 软件设计 (13)4.1显示程序的设计 (14)4.2 光立方的显示数据 (15)4.2.1 内置显示数据 (15)4.2.2 串口接收显示数据 (17)4.2.3 显示数据来源的选择 (18)4.3 显示数据的获取 (19)5 测试和问题分析 (20)6结论 (20)附录 (21)参考文献 (23)致谢语 (24)1 前言1.1研究的背景在高速的信息、商业发展过程中，LED点阵广告显示器得到了广泛的应用，LED 点阵显示屏已逐步取代传统的大尺寸纸质广告，在大街小巷常见的LED点阵显示屏都得益于LED灯的发明。

通过学习《模拟电路》了解到我们常说的LED就是发光二极管，发光二极管必须在一定的电压和电流区间才能点亮，而且不同的发光二极管所需电压和电流也不相同。

通过对《单片机》、《数字电路》的学习，懂得了单片机的拥有处理功能强、速度快、低电压、低功耗等优点。

在点阵显示课程的学习中，懂得把LED灯通过共阴或共阴的接法，再通过动态扫描、静态扫描就可以把LED灯点亮，且使用动态扫描的方式，有节省I/O口的优点。

在学习过程中得知动态扫描是常用的LED显示方法。

使用动态扫描，需要有驱动器对LED灯进行控制，而LED 灯有需要在特定的电压、电流区间才能点亮。

LED灯有着高亮度、低功耗的有点。

由LED点阵组成的显示屏可以显示各种想要的文字、图案。

但常见的LED点阵显示屏都是平面显示屏，平面显示屏有一个明显的不足：无立体感。

1.2研究的意义本设计提出使用LED灯构成8*8*8光立方显示屏。

本设不仅拥有显示文字、图案的功能，增加了立体显示的功能。

本光立方的设计克服了平面LED点阵显示屏的缺点，及立体和动态于一体，动态、立体的显示方式更能吸引眼球，本设计应用于商业广告时，可以得到更好的宣传效果。

特别是厂商在产品推广的时候，需要使用多张图片对一个产品的结构进行展示，然而这种展示方式，不仅耗费版面，而且只展示了特定的部位。

使用光立方显示屏，可以把产品以立体的方式展现给消费者，消费者可从不同的角度对产品进行观察，使得消费者对产品外形有具体的认识。

1.3研究内容和结构本设计主要研究基于STC51单片机的光立方设计与实现。

主要研究内容如下：根据自己的要求提出并做出总体设计方案。

研究三维点阵Led的硬件电路设计，包括：电源电路、串口电路、8*8*8 LED光立方驱动电路、显示模块电路等设计。

研究光立方显示的软件设计，包括：显示程序、延时程序、串口通信等设计。

对硬件电路、软件程序进行调试，并解决出现的问题。

控制模块的设计：控制电路部分包括STC单片机和电源电路，串口电路等。

STC 单片机具数据处理功能强，运算速度快的有点，适合运行光立方控制程序。

通过RXD、TXD口与PC机通信，即可下载控制程序。

本文的结构安排如下：第2章：详细叙述本系统的工作原理以及结构特点，对不同方案的分析和选择，详细介绍各个模块。

第3章：对硬件电路的布局进行设计，并说明各部分的主要作用。

详细叙述所选用芯片的引脚分布、引脚功能、以及对引脚的使用进行规划。

叙述整个光立方系统焊接搭建的过程以及过程中应该注意的问题。

第4章：主要介绍了软件设计的思路，以及软件所要实现的功能。

第5章：主要叙述整个光立方在后期调试中遇到的软、硬件问题，以及寻找问题、解决问题的方法。

第6章：主要叙述在本次毕业设计中的收获。

2 总体设计2.1 系统的设计方案及工作原理光立方的总体设计方案包括了硬件设计和程序设计。

硬件主要分为三个模块：控制模块，驱动模块，显示模块。

其中，控制模块使用单片机作为控制核心。

借鉴点阵显示的原理，使用层驱动、行驱动，控制光立方的各个发光二极管的亮灭亮灭。

显示模块由512个发光二极管组成。

通过控制模块控制驱动模块，驱动模块控制显示模块，显示模块动态扫描显示的方式达到控制显示的目的。

系统结构图如图2-1所示。

图2-12.2 各模块元件选择对控制模块、驱动模块、显示模块元件进行分析和选。

2.2.1 控制模块元件的选择控制模块的元件有两个选择方案。

方案一：选用ATMEL公司的AT89S52单片机，其片内有8 KB Flash储存器，为12T单片机。

方案二：选用STC公司的STC15F2K60S2，拥有60 KB Flash 程序储存器，内部集成高精度R/C时钟，为1T单片机。

方立方显示程序的数据量大，8KB的储存空间将对显示图案的样式带来限制，且光立方采用动态扫描的方式显示，对单片机的数据处理速度有较高要求。

因此本设计选择采用STC15F2K60S2单片机作为控制模块的核心元件。

选用此单片机可以免去外部时钟电路，可达到精简电路、节省成本的目的。

2.2.2 驱动模块元件的选择由于本设计采用分别控制LED阴极、阳极的方法达到控制LED的目的。

此次需对阳极驱动模块以及阴极驱动模块使用的元件进行选择。

其中阴极的驱动模块选用的元件有两个方案：方案一：选用8个8050 NPN三极管，该三极管集电极所能承受的最大电流为500(mA)。

方案二：选用1片ULN2803。

由8个NPN达林顿晶体管构成，输出电流为500(mA)。

若选用8个NPN三极管将造成零件的增加，使电路变得复杂，基于电路简洁的考虑，本设计选用1个UNL2803作为阴极的驱动模块。

阳极的驱动模块选8片拥有8路3态输出的74HC573。

2.2.3 显示模块元件的选择显示模块元件有两个选择方案：方案一：选用蓝色圆头LED，规格为5（mm）。

方案二：选用方形雾状蓝色LED，规格为2*5*7（mm）。

由LED灯构成的显示模块，需要考虑亮度、聚光性、视觉效果等方面的因素。

方形雾状蓝色LED具有高亮度，聚光的优点。

因此，本方案选用方案二作为显示模块的元件。

3 硬件电路设计与实现3.1 硬件电路布局设计使用的元件确定以后，需对元件的布局进行设计。

在确定布局后，通过焊接的方式把相关线路焊接起来。

硬件布局如图3-1所示。

图3-13.2 控制模块电路的设计本设计使用的STC15F2K60S2单片机，内置高精度的R/C时钟和复位电路。

因此控制模块的不需要外部时钟电路和外部复位电路，只需电源电路、串口选择电路。

其中电源电路为整个设计提供电源。

串口选择电路为系统运行时，是否能通过串口控制光立方提供选择。

在控制模块电路的设计中，需对单片机引脚的使用进行规划，并对电源电路、串口选择电路进行规划。

3.2.1 单片机的说明及引脚规划在对控制模块进行焊接之前，需对单片机引脚的使用进行规划。

在本设计中使用的STC15F2K60S2单片机可通过设置PxM0、PxM1的值，把任意I/0口的模式设置为强推挽模式或准双向模式或开漏模式或高阻高阻。

本设计中，使用的I/O口模式为准双向，由于各个I/O口的模式都可以设置为准双向模式，因此P0口不需连接上拉电阻。

引脚P0连接驱动模块中74HC573的输入引脚，P2引脚连接各个74HC573的LE 锁存使能引脚。