1、苏州大学本科生毕业设计（论文）- i -本科毕业论文（20 届）3D 光立方系统的设计与实现所在学院专业班级 电子信息工程学生姓名指导教师完成日期苏州大学本科生毕业设计（论文）- ii -3D光立方系统的设计与实现目 录第 1章 绪论 .2第 1.1节 引言 .2第 1.2节 选题背景与意义 .2第 1.3节 研究现状 .4第 1.4节 论文主要研究内容 .4第 2章 设计软件简介 .5第 2.1节 仿真软件 Protues简介 .5第 2.2节 编程软件 Keil简介 .6第 3章 主要元器件介绍 .9第 3.1节 主控芯片 STC12C5A60S2.9第 3.2节 锁存器 SN74HC57
2、3AN.11第 3.3节 ULN2803APG .12第 3.4节 发光二极管 .13第 4章 系统设计 .15第 4.1节 主控电路 .15第 4.2节 驱动模块 .17第 4.3节 显示模块 .18第 4.4节 程序设计 .18第 5章 系统制作与调试 .20第 5.1节 制作 .20第 5.2节 调试 .21第 6章 总结与展望 .25致谢 .27参考文献 .28附录 .29附录 1：硬件实物图 .29附录 2：源程序 .29苏州大学本科生毕业设计（论文）第 1 页 3D光立方系统的设计与实现【摘要】：设计以 STC12C5A60S2 为核心，制作一个 8*8*8 三维的 LED 显示体
3、，通过程序来实现对发光二极管的亮灭控制，并用延时控制 LED 亮灭时间，最终使得整个立方体展现美轮美奂的造型和图案；光立方系统主要分三个模块：主控模块、驱动模块和显示模块。主控芯片选用 STC12C5A60S2，列驱动采用芯片 SN74HC573AN，层驱动采用芯片ULN2803APG。论文重点介绍了对硬件上对 LED 的驱动和控制、怎样实现由 512 个发光二极管组成的三维显示系统、程序上对硬件的控制和实际焊接制作等一些解决问题的相关专业知识及方法。【关键词】：STC12C5A60S2； 3D光立方；SN74HC573AN；ULN2803APG【Abstract】： This design
4、take STC12C5A60S2 as the core, making a 8*8*8 3D LED display, through the process of light emitting diodes and control, time delay control LED light off time, ultimately makes the whole cube show magnificent; ornate; fascinating shape and pattern; optical cubic system can be divided into three modul
5、es: the main control module, driver module and display module. The main control chip STC12C5A60S2, the column driver chip SN74HC573AN, driver using ULN2803APG chip.This thesis introduces the hardware on the LED drive and control, how to realize the three-dimensional display consists of 512 light-emi
6、tting diodes composed system, program control of the hardware and the actual welding production, some solutions to problems related to professional knowledge and method.Keywords: STC12C5A60S2； 3D cube； SN74HC573AN； ULN2803苏州大学本科生毕业设计（论文）第 2 页 第 1章 绪论第 1.1节 引言当今现代信息化社会正在高速发展中，随着宽带网络的发展，数字化的多媒体内容将会在信息
7、世界中占据主流，新型大屏幕显示设备将会取代传统电视机，并成为人们享受信息与多媒体内容的中心。为追求逼真、清晰、舒适的 3D 视频显示，于是我选择制作一个 3D 立体显示图案的 LED 光立方。2009 年 10 月 1 日，天安门广场举行的国庆联欢晚会上，面世的光立方是由四千多棵光艺高科技“发光树”组成的, 这是新中国成立 60 周年国庆晚会上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。“光立方”在气势和整体感觉上,融合了北京奥运会开幕式“击缶而歌”和“活字印刷”的风格,而各种图案则与贯穿奥运会开幕式的“画卷”有异曲同工之妙。
8、 “光立方”可以根据爱国歌曲的不同内容,展示不同的造型和图案,具有丰富的视觉效果。眼下人们的生活水平正在不断地提高,对 3D 效果的欣赏已经成了人们的追求，美轮美奂的观赏让人陶醉不已，可以为人带来无比赏心悦目的美感。毫无疑问，3D 技术在未来一定会被广泛地应用。窥一斑以见全豹，就一个 3D 打印技术，当它尚处在萌芽阶段，便已经在世界掀起了巨大波澜。在现在的时代，军工、模拟分析、水下作业、航空航天等一些高端领域经应用了 3D 技术。在不久的将来，3D 电视一定会像液晶电视一样逐渐进入普通家庭。当然以目前的发展程度，无法将 3D 普及到人们的生活之中，然后我就萌发了对 3D 光立方进行设计制作的想
9、法，凭借我现在的水平，也只能做在能力范围内的 8*8*8 三维的LED 显示体第 1.2节 选题背景与意义在全球能源短缺、环保要求不断提高的背景下，已经结束的 08 年北京奥运会和 10 年上海世博会都不约而同地以绿色节能为主题，这给中国 LED 照明产业的发展带来了巨大的历史机遇。诸如美国,日本,韩国,欧盟,中国台湾的很多发达国家或地区都实施了大力发展 LED 产业计划。而我国科技部，在 03 年 6 月 17 日，也提出并开始实施了“国家半导体照明工程”计划,这项计划将会推动我国 LED 产业苏州大学本科生毕业设计（论文）第 3 页 图 1-1 LED与其他光源比较经过三十多年的发展, 国
10、内的 LED 产业虽然能够自主地生产各种芯片、器件和外延片,但是我国还缺少自主研发生产的 LED 芯片和外延片 ,而且所生产的产品大部分是中低档,产业化规模有待提高,多数功率 LED 和高性能 LED 产品则是靠从其他国家进口而来。随着经济全球化，进入国内的 LED 产业企业日益增加 ,导致了我国光源市场的竞争越来越激烈。图 1-2 LED的照明市场对此，国家大力推广，产业各层面的技术一日千里,加上发光二极管拥有环保节能等特点,能够满足国内社会经济发展需求,因而发展机遇也伴随着巨大的挑战。政府致力于把握住光源产业的种种发展机遇,积极引导国内企业，加强技术研发,经过全球资源的整合,开始形成具有国
11、际竞争力和拥有自主知识产权的新兴产业。 综上所述，在如此一个充满挑战和机遇的环境下,中国的 LED 产业必将如日中生。3D 光立方拥有极高的观赏性，并且信息的传输效率更高，已经可以依据不同的喜好，来设计出不同的图案，进而展现各种绚丽缤纷的立体效果，人们在接受数据与信息同时，会感到更加地印象深刻，因此说它变幻无穷也不为过。3D 技术和 LED 发展一日千里，在生活中，随处可以见到这些科技的运用，譬如立体苏州大学本科生毕业设计（论文）第 4 页 LED 图像，三维 LED 显示屏以及 LED 立体摄影等。 第 1.3节 研究现状LED，即发光二极管，是发展于 60 年代末的一种半导体显示器件；七十
12、年代，随着半导体材料合成技术和单晶制造技术等一系列相关技术的研究与进展，使得 LED 在发光亮度、颜色、效率和寿命等各方面性能方面都具有极大提升，然后便快速进入了批量生产和实用化，并被投入到光源市场中。一直到 80 年代之后，发光二极管的技术相对走向成熟，已经开始形成了平面显示产品，也就是 LED 显示屏。到了今天，LED 正逐渐普及到人类的实际生活之中；而 3DLED 技术仍处在迅速发展的过程中，虽达不到广泛应用的程度，但是从 3D 影院、高级会议场所、某些 “先进”的舞台和各种娱乐场所里，可见一斑。现在，通过一定的控制方式，LED 显示屏可以用于自由显示文字、图形、图像、动画、视频、录像等
13、各种信息，随着计算机技术和半导体技术的飞速发展，把计算机控制技术和半导体技术结合起来，使 LED 显示系统成为集计算机控制技术、视频技术、光电子技术、微电子技术、通信技术、数字处理技术为一体的显示设备。它己成为既可以播放来自于计算机的动态视频信息，也可以播放来自存储设备的静态图像的综合的多功能大型显示设备。第 1.4节 论文主要研究内容该本论文涉及了 LED 显示控制技术及其应用技术等方面的内容，主要包含如下：首先，对 LED 显示控制的理论前提、系统构成、应用领域及其研究现状进行了归纳总结。然后，从实现角度，就如何制作它展开讨论和研究。其次，完成原理的设计后，利用 Protues 进行了仿真
14、，实现了理论上的可能，另外对编程语言和仿真做了适当介绍。硬件方面，对于单片机控制 LED 点阵的显示，经过系统分析，确定各模块之间是如何连接，以及怎样组合电路更合理更简便；软件方面，编写硬件电路的相对应程序，利用仿真软件对程序进行测试修改；实物制作，焊接组装后，测试其功能能否正常运行，多次实验，根据结果对症下药，修正并调试至成功。最后，查阅一定资料了解相关工艺，基于理论制作实物，以 C 语言编程，用程序控制它，不断修正，直到臻至完善。苏州大学本科生毕业设计（论文）第 5 页 第 2章 设计软件简介第 2.1节 仿真软件 Protues简介Protues 是由英国 Labcenter 公司自主研
15、发的嵌入式系统仿真软件，组合了高级原理图设计工具 ISIS、 PCB 设计以及自动布线、混合模式 SPICE 仿真,从而形成了一个完整的电子设计系统。它运行于 Windows 操作系统上，可进行仿真和分析各种模拟和数字电路，同时它对 PC 机的硬件配置要求也不高。该软件主要有如下特点：（1）实现了单片机仿真与 SPICE（Simulation Program with Intigrated Circuit Emphasis）电路仿真相结合，具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路仿真、I2C 调试器、SPI 调试器、RS232 动态仿真、键盘和 LCD 系统仿真的功能；（2）提供了大
16、量的元器件，其中涉及电阻、电容、二极管、三极管、变压器、MOS 管、继电器、各种激励源、各种门电路、各种放大器、各种微控制器和各种终端等等；同时，它还提供了许多虚拟测试仪器，比如电压表、电流表、逻辑分析仪、示波器、信号发生器、定时计数器等；（3）支持主流单片机系统的仿真，如 AVR 系列、68000 系列、8051 系列、PIC 系列等；（4）提供软硬件调试功能，同时支持第三方的软件编译和调试环境，如 Keil C Vision3 等软件；（5）具有强大的原理图编辑及原理图后处理功能；（6）Protues VSM 组合了混合模式的 SPICE 电路仿真、动态器件和微控制器模型，实现了完整的基于
17、微控制器设计的协同仿真，真正使其在物理原型出来之前对这类设计的开发和测试成为可能2；2.1.1. 功能特点（1）原理布图（2）SPICE 电路的仿真（3）PCB 的自动和人工布线（4）互动电路仿真：使用者可实时有效利用诸如键盘、RS232 终端、LED/LCD 等其他外设模型交互仿真。（5）仿真处理器与它的外围电路：能仿真 51 系列、PIC、AVR 等其他主流单片机。此外，它可以基于原理图的虚拟原型上，直接编程，配合显示和输出，可以看到运行之后的输入输出效果。它配合虚拟示波器、逻辑分析仪等设备，Proteus 创造了很好的电子设计开发苏州大学本科生毕业设计（论文）第 6 页 环境。2.1.2
18、. 功能模块（1）功能强大并且易容易使用的 ISIS 原理布图工具（2）Prospice 混合模型的 Spice 仿真（3）ARES PCB 设计2.1.3. 提供的资源（1）可以提供的仿真元器件资源：交流和直流、仿真数字和模拟等几千种元器件，具有三十几个元件库；（2）可以提供的仿真仪表资源 ：虚拟终端、逻辑分析仪、示波器、 SPI 调试器、I2C调试器、模式发生器、信号发生器、交直流电流表、交直流电压表。在理论上，同一种仪器是能在一个电路中被随意调用； （3）提供了一个图形显示的功能，能够将线路上的变化信号，通过图形的形式实时显示出来，它的作用和示波器有点类似，但其功能多于示波器。而且虚拟仪
19、器仪表的参数指标都比较理想，像极低的输出阻抗和极高的输入阻抗。测量仪器对于结果影响就更小了；（4）提供的调试手段：它提供足够测试信号，用来进行测试电路，其中信号以数字信号和模拟信号为主 2。2.1.4. 软件仿真（1）可以实现主流单片机系统的仿真。其中包括 PIC12、PIC16、PIC18、51、Z80、AVR 、68000、HC11 等系列。（2）具有软件调试的功能。（3）包含大量外围接口器件和 LCD，LED，ROM ， RAM，键盘，AD/DA，仿真, 马达，部分 IIC 器件，部分 SPI 器件。当对学生进行培训时，就有多种方案能用来选择了，很适合用它训练学生。（4）有足够虚拟仪器,
20、 仿真过程中，使用虚拟仪器，能测量到外围电路特性，这样就更能提高学生对调试硬件的能力。（5）原理图的绘制。总之，Protues 是一款集单片机和 Spice 分析于一体的仿真软件，功能极其强大。其电路设计则是在 Protues ISIS 的集成环境里完成的。第 2.2节 编程软件 Keil简介由美国 Keil Software 公司出品，与汇编相比，C 语言在结构性、可读性、可维护性上、苏州大学本科生毕业设计（论文）第 7 页 功能性上，优势明显。该软件提供丰富的库函数与功能强大的集成开发调试工具，全Windows 界面。此外，其生成的目标代码效率非常高，多数语句生成的汇编代码紧凑易理解，在开
21、发大型软件时更能体现其优势。2.2.1. 8051开发工具8051 微控制器的软件开发是在 Keil C51 标准 C 编译器提供的 C 语言环境中完成的,具有汇编代码快速高效等优点。因此它整个被加到 u Vision2 集成开发环境里了, 而 u Vision2 集成开发环境则由汇编器,编译器, 调试器，项目管理器，实时操作系统组成，同时 C51 V7 这个版本也是眼下最灵活高效的 8051 开发平台。它除了支持全部的 8051 衍生产品,还能够支持全部的兼容仿真器,也包括其它诸如第三方的开发工具。所以对 8051 开发用户来说, 版本C51 V7 将是最好的选择。 2.2.2. u Vis
22、ion2集成开发环境由编程说明、源文件以及开发工具选项三部分构成了工程文件， “组”则是由产生目标程序的源文件组成。组, 目标或单个文件能被开发工具选项对应。 u Vision2 集成开发环境其中包含了器件数据库,它能自动地设置编译器、汇编器、连接定位器和调试器选项, 使得用户利用特定微控制器的要求得到了满足。这个数据库中包含了：加速器或扩展数据指针的特性，片上存储器及其外围设备的信息。片外存储器能通过它生成必要的连接选项,确定其起始地址与规模大小。 2.2.3. 编辑器和调试器一、源代码编辑器 u Vision2 编辑器中所包含的特性，用户们对此都十分熟悉。我们可以在这个编辑器内进行程序的调
23、试。此外，源代码编辑器还提供了一种很人性化的调试环境,令使用者检查与修改程序速度大大提高了。 一、断点 在编辑时，用户设置程序断点是 u Vision2 允许的。当 V2 调试器被启用时,断点也就被激活了。可以将断点设置成条件表达式,一旦触发了断点, 就会开始执行调试功能或者调试器命令。可以从属性框中迅速浏览源程序行的位置与断点的设置情况。而且通过代码覆盖率信息，我们就能区分出程序中未执行与已执行的部分。 二、调试函数语言：用户可在 u Vision2 中编写或者调试程序。 （1）用户函数：合并重复的动作, 扩展指令的范围（2）内部函数：像 rand, memset, printf 和具有其它
24、功能的函数（3）信号函数：模拟并产生 CPU 的脉冲信号与模拟信号苏州大学本科生毕业设计（论文）第 8 页 三、存储器与变量：在编辑器上，我们可以选中某个变量，就能看到它的取值信息了。为双层窗口的显示,能够实现下面的调整： （1）在堆栈调用页面上调用记录“树”（2）四个不同格式的存储区（3）用户当前函数局部变量（4）两个不同窗口页面上的自定义变量2.2.4. C51编译器在符合 ANSI 标准同时，Keil C51 编译器为 8051 系列实现特别的设计。用户经过语言上的扩展后，就可以使用应用中所有的资源。一、存储器和特殊功能寄存器的存取 可操作 8051 系列所有的资源。两个关键字 sfr
25、与 sbit 可提供 SFR 的存取。用户可以将变量转到任意地址的空间。通过关键字at，可以将变量存到固定的存储器中。变量的存储类型是由存储模式所决定的。连接定位器所能够支持的代码区上限为三十二个,从而在原有 64K ROM 的 8015 芯片基础上，用户就可以程序扩展了。此外，我们在 V2 的编译器与诸多高性能仿真器上,也能调试应用程序。 二、中断功能 允许用户利用 C 语言编写中断服务程序,由于出代码、快速进和寄存器区的转换功能，令中断功能的效率变得更高。用户使用关键字以定义再入功能。,中断，非中断或者多任务的代码都一定要具备可再入功能。 三、灵活的指针 通用指针是通过三个字节存储目标地址和存储器类型,它能在 8051 单片机的任何一个存储区内进行存取任何变量。在特殊指针声明同时，它就已经指定好了存储器的类型,进而指向了某特定的存储区域。因为地址的存储只需 1 一两个字节,所以可以快速存取指针。 运行 Keil 软件要求奔腾或者以上的 CPU，16MB 或者 20M 以上空闲空间的硬盘，Win98、Win2000、NT、 WinXP 等操作系统。若只是使用汇编语言进行编程，它便易的集成环境和强大的软件仿真调试工具也能让用户受益匪浅 10。
