光立方(含程序)毕业设计(编辑修改稿)

光立方(含程序)毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

ATL2 之间是否有足够的电压来验证是否起振。 图 外部时钟电路 （ 2）复位电路即用来初始化单片机的，通常有两种方法：手动复位与上电复位，只要让 RST 引脚上有一个能维持 2 个机器周期的高电平即可复位。 XTAL2. XTAL1 C1 C2 晶振 GND 外部时钟 XTAL2 XTAL1 VCC 14 14 （ 3）输入输出口： STC12C5A60S2 的 P0 到 P3 都是双向输入输出口，但是 P0 为开漏输出口输出一直为低电平，在使用 P0 口时要想获得正常的输出必须在 P0 口加上上拉电阻。 并且这四个端口可以用 74LS573 等芯 片来扩展，从而控制更多的设备。 选择使用 STC12C5A60S2 单片机的原因 在选择单片机（也就是控制模块）的时候主要参考了两个方案： 方案一 采用接触比较多的 AT89C51 作为 整个系 统的核心，但是 FLASH 只有 4K,为了光立方有更好的表现采用的程序也很大，而且要求也相对比较高，所以排除使用AT89C51 作为控制模块的内核。 方案二 选用 51 系列 60K STC12C5A60S2 作为控制模块的主控芯片，作为一种增强型的单片机它具有以下几个优点： （ 1）抗干扰能力强 （ 2）采用第六代加密技术，无 法解密 （ 3）在 8051 编写的代码完全可以烧录并且运行 （ 4）速度是 8051 单片机的 8 到 12 倍，并且应用程序空间为 60K,减少了可能添加动画效果扩展程序的后顾之忧 （ 5）在芯片内部已经集成了复位电路，因此外部就可以不接复位电路了 [8] 因此决定使用 60K STC12C5A60S2. 驱动模块 本设计是通过以单片机 STC12C5A60S2 控制 ULN2803 与 74HC573，进而对光立方实现控制，其中 ULN2803的 8个阴极接每一层的负极，主要的作用是层选， 74HC573接每一竖排的阳极， 74HC573 一共需要 8 片用来控制每一面，主要的作用是缓冲和扩展单片机端口， LED 光立方采用的是层共阴的方式这样比较容易控制，具体的焊接方式和注意事项将会在 LED 介绍中详细说明。 .1 ULN2803 的介绍 ULN2803（八重达林顿）使用时 10 脚接正极 9 脚接地 1 进 18 出 2 进 17 出 3进 16 出 以此类推 共 8 路。 可以驱动 500MA\50V 的负载电路，这里的参数是灌电流。 ULN2803 与标准的 TTL 系列电兼容，即能识别 TTL 电路输出的信号当 = 时为低电平 0，当 =2V 时为高电平 1。 因为本方案一共驱动了 512 个 LED 灯，所以需要扫描驱动，就是对行和列进行选择亮暗从而控制整个光立方的单个小灯，这时所要求的电流也比较大而 ULN2803 正好满足这个条件，当单片机引脚控制 ULN2803 引脚时，单片机引脚输出低电平则对应的引脚输出高阻态，如果要输出高电平需要上拉电阻这样就不可避免的使整个系统更加的杂乱，不过真正试验才发现要想保护小灯还需要加限流电阻，所以本方案采用 15 15 的是层共阴，让 ULN2803 接在每一个层的阴极来实现控制每一层的亮灭，束是由74LS573 来控制亮灭的后面将会介绍。 图 管脚连接图 图 ULN2803 的外形 图 ULN2803 的内部电路图 ULN2803 内部为 8 重达林顿管，所谓达林顿管就是一对共基的复合管，两个 NPN三极管串联，他的放大倍数是两个 NPN 放大倍数之积，放大倍数是非常可观的，所以它一般 是用来放大非常微小信号。 16 16 NPN 三极管 了解三极管对于学习单片机有着非常好的帮助，在数子电路中主要研究学习的是三极管的开关特性，在模拟电路中主要研究的是三极管的放大特性 [1]。 图 晶体管的输出特性曲线 截止表 示三极管不工作输出高电平，饱和表示三极管导通输出低电平 图 NPN 三极管 b 为基极， c 为集电极， e 为发射极。 从 b 流过的电流为 Ib， 只有有 Ib 流过时才能产生 Ice， 我们都有所了解三极管的放大作用，如果一只三极管的放大系数β =100， bb e c 17 17 端电压为 10V， b 端的外接电阻为 10K， c 端外接电阻为 50Ω那么 Ie=1mA， Ice=100mA，加在 ce 两端的电压为 5V，其中 50Ω电阻的作用为限流作用，防止过大的电流。 举个例子： Ib=2mA，这时 集电极的电流为 200mA，如果 Ib 继续增大那么集电极的电流都不再增大了，因为限流电阻允许的最大电流为 10247。 50=200mA () 在单片机内除去 P0 口其他的 24 个 I/O 口都是一样的，都拥有一个较大的上拉电阻，输出的电流也相应的比较小，因此就要在单片机外外设芯片来辅助单片机。 （ 1） （ 2） 三极管的两种连接方式 上图为三极管的两种连接方式，第一种很显然只有当单片机输出为高电平 1 时发光二极管才开始工作这时就需要 NPN 截止，但是当 NPN 截止时流过二极管的电流很小即使发光也是非常微弱的， LED 的特性会在后面详细介绍。 第二种要想发光二极管导通发光就必须让单片机输出低电平 0，但是由于三极管的特性一旦导通流过三极管的电流是非常大的 [13]，对于小灯来说是非常危险的。 对于第一种情况可以加上一上拉电阻，一般情况下三极管最 高电流为 15mA,一般上拉电阻上的电压为 5V R 上拉 =5247。 15≈ 330（Ω） （ ） 当三极管导通时二极管是不亮的，当三极管截止，这时三极管的电流和经过上拉电阻的电流就要流过发光二极管，由于流过单片机内部的电流很小可以忽略，这时流过发 18 18 光二极管的电流为 （ ）247。 330=（毫安 ） （ ） 其中 为发光二极管的压降，但是这样的方式缺点就是即时发光二极管不亮也会有很大的电流消耗。 第二种情况就是在发光二极管与 Vcc 之间加上一个电阻，来限制电流，经过计算 限流电阻≈（ ）247。 15=（ KΩ） （ ） 这时二极管的电流比较大也就比较亮，当三极管截止工作那么电流截止发光二极管就不会亮也不会产生电流消耗。 显然本方案采用第一种连接方式芯片采用的是 74HC573。 因为单片机的驱动能力 是有限的，单靠单片机驱动 512 个 LED 灯必然会对单片机的驱动能力造成极大的挑战，所以需要缓冲器来增强扩展能力，本方案采用了74HC573 作为缓冲器，下面将详细介绍。 74HC573 的介绍 74HC573 芯片是可以与 CMOS 电路组合电路的，作为锁存器它具有如下特点： （ 1）它具有三种状态的输出，高电平、低电平、高阻态被称为三态总线驱动输出； （ 2）它具有存储功能，当 74HC573 的使能端加上一个低电位时上一个信号的数据将会被存储等待下一个信号的输入，具体功能如下： 74HC573 有 两个使能端一个是输出使能，一个是锁存使能，当输出使能为低电平锁存使能为高电平时，输入端和输出端是一样的，也就是 2 到 9 引脚输入什么信号，12 到 19 就输出什么信号，他们是一一对应的，当锁存使能为低电平时，这时无论输入端输入什么信号，输出端永远保持上一个信号不变，如果输出时能为高电平锁存使能不论什么信号输出端永远都会处在高阻态。 19 19 图 74HC573 管脚排列图示 表 1 74HC573 的功能表 输入状态 输出状态 OUTPUT ENABLE LATCH ENABLE D Q 0 1 1 1 0 1 0 0 0 0 X 锁存 1 X X 高阻态 X 表示无论输入什么都没有影响 （ 3）可以与 TTL,CMOS 电路兼容 （ 4）对于控制端具有缓冲的功能 （ 5）能使有滞后现象的干扰得到有效的改善 像 74HC573 这种芯片的电路的优点在于当作为驱动与系统 的总线接口相接时用不到其他的外接接口，因此本方案在选择驱动时选择了 74HC573 这种可以缓冲又能适用双向总线驱动的 8D 锁存器。 图 逻辑图 20 20 图 连接图 如图 的连接方式，在上一节介绍了单片机的 I/O 口，现在介绍与 TTL 器件的连接工作原理，假设 连接了 74HC573 的一个管脚，因为片内的输入阻抗相对来说是非常高的，相当于端口接了一个很大的电阻到地，当三极管导通时电流是通过Rc 流入大地， Ri 上电流为 0，当三极管停止工作后，电流就会通过 RC,Ri，这时由于这两个电阻的分压 点的电压就等于这两个电阻的分压，同时电流： I 总电流 =5V247。 （ 50+500） = () 电压 = 500= () 根据 TTL 电路高低电平的依据输出为高电平说明是可以这样接的。 （大于 为高电平，小雨 为低电平） 选用 ULN2803 和 74HC573 作为驱动芯片的原因 采用 ULN2803 的原因 原因一：因为灯体的层共阴结构所以需要 8 个具有反相作用 NPN 三极管作为驱动 , 可是真正实施起来发现 8 个三极管使整个系统非常乱，而且使用 8 个三极管的效果不是很理想所以放弃了这个方案。 原因二：由于光立 方由 512 个 LED 组成电流要求比较大， ULN2803 可以承受较大的灌电流，因此由于 ULN2803 具有高耐压大电流的特性特别适合用于驱动光立方，并且一个集成芯片具有 8 个三极管的功能减少了整个电路设计的时间。 所以鉴于ULN2803 的优点选择此方案。 采用 74HC573 的原因 21 21 在选择阳极驱动芯片时有 74HC373 和 74HC573 两种选择，这两个芯片功能相同，但是 74HC573 的引脚比较容易布线，并且相对来说 74HC573 的工作电压范围更加的宽，因此对于本设计来说 74HC573 更加适合 显示模块 显示模块为由 512 个 LED 灯焊接成的光立方，本章主要介绍 LED 灯的特性。 发光二极管 LED 二极管主要参数有： (1) 最大整流电流 IF (2) 反向工作电压 UR (3) 反向电流 IR (4) 最高工作平率 fM 等 IF是二极管运行时允许的最大正向电流，在运用二极管时反向电压不允许大于 UR，一旦超过了这个电压就有可能把二极管击穿，一般 UR=189。 U 击穿 () IR 为反向电流， IR 受周围环境的影响它与温度成正比，它和二极管的单向导电性是成反比的， fM 是二极管允许的最大频率，工作频率是不能超过这个频率的不然会因为结电容的影响导致二极管不能正常工作。 （ a） 22 22 （ b） （ c） 图 二极管的等效电路 图（ a）是表示的理想二极管的工作状态，导通时几乎没有压降，截止电流也几乎为 0，这种二极管是理想状态下的。 图（ b）中 UOn 为导通电压，他可以看做是二极管与一个电源相串联。 图（ c）表示有内阻，可等效为二极管和一个电阻 r 以及 Uon 串联。 了解了二极管的主要参数和等效电路才能更精准的对发光二极管进行控制。 发光二极管有可见光、不可见光、激光等不同的类型，一般用到的有红、黄、蓝、绿等颜色，也有的发光二极管能发出几种颜色这种二极管内部都有芯片， 灯的形状也有不同，常见的有长方形、圆形、乳型，发光二极管拥有二极管单向导电特性只有达到一定的电流才能发光，相对于普通二极管的开启电压发光二极管的开启电压比较大，一般红色的开启电压在 之间，绿色 LED 大约为 2V，正向的工作电流在 5mA20mA 之间，在制作时要特别注意不可过载功耗 [7]。 此外还有稳压二极管和发电二极管等二极管。 LED 灯的选择 LED。