王德敏的毕业设计论文 0516

郑州科技学院

本科毕业设计（论文）

题 目 基于单片机的光立方的设计 学生姓名 王 德 敏 专业班级 08 电子科学与技术1班 学 号 200831011 院 （系） 电气工程学院 指导教师(职称) 朱小会（讲师） 完成时间 2012 年05月18日

郑州科技学院毕业设计（论文）任务书

题目 基于单片机的光立方的设计 专业 电子科学与技术 学号 200831011 姓名 王德敏 主要内容、基本要求、主要参考资料等： 一、主要内容

1．设计方案的选择和方案说明； 2．光立方的硬件构成； 3．光立方的单片机编程； 4．设计并绘制电路原理图； 5．制作实物并调试电路； 6．撰写论文；

7．撰写文献综述和论文。 二、基本要求

1．论文内容充实，有理有据，条理清晰。

2．设计制作一8*8*8的三维的发光二极管显示方阵，能够实现对每一个发光二级管实现控制。控制显示输出至少二十种显示效果。 3．研究数据表形成规律，并初步确定算法。 三、主要参考资料

1．林占江.电子测量技术.北京：电子工业出版社，2011. 2．童诗白.模拟电子技术基础.北京：高等教育出版社，2006. 3． 赵景波.Prote199SE应用与实例教程.北京：人民邮电出版社，2009. 4．尹勇.Multisim电路仿真入门与进阶.北京：科学出版社，2005. 5．彭虎.微机原理与接口技术.北京：电子工业出版社，2008. 6．张毅刚.单片机原理及应用.北京：高等教育出版社，2003. 完 成 期 限： 2012年5 月17日 指导教师签名： 专业负责人签名：

年 月 日

郑州科技学院毕业设计（论文）开题报告 课题名称 基于单片机的光立方的设计 EX 指导教师 朱小会 课题来源 教师命题 课题类型 学生姓名 王德敏 学 号 200831011 专 业 电子科学与技术 开题报告内容：（调研资料的准备，设计的目的、要求、思路与预期成果；任务完成的阶段内容及时间安排；完成设计（论文）所具备的条件因素等。） 一、调研资料准备 LED点阵显示屏已经应用到了我们生活中的方方面面，科技发展的脚步一直向前，3D电影给人们带来了更加震撼的视觉体验。于是想设计出一种3D显示屏。通过学习《单片机原理与应用》一书，知道LED显示分静态显示和动态显示，以及两种显示的控制方法。加上《模电》《数电》的学习，理解了LED共阴和共阳接法不同的驱动方法。在网站上查找相关文献时，了解LED显示技术的特色之处：一是节能（直接功耗，间接耗能），二是基本无电离辐射，三提高空间利用率。LED点阵显示屏的特点还有比数码管具有实用、便宜、亮度高等优点，而且做出来的LED显示很耐用。LED显示屏还具有亮度高、工作电压低、功耗小、小型化、寿命长、耐冲击和性能稳定等优点。LED点阵显示屏的发展前景极为广阔，目前正朝着更高亮度，更高耐气候性，更高的发光密度，形状的多样性，更高的发光均匀性、可靠性、多色化方向发展。另外在电子工程师之家看过网友发帖晒自己制做的3D光立方显示，有5X5X5的、8X8X8的、甚至还有一个16X16X16的。在爱折腾网站也曾看过有用蓝色LED和白色LDE制作的光立方。于是我最终确定也制作一个蓝色LED显示8X8X8的光立方。 二、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。 三、设计要求 1．毕业设计（论文）中心突出，内容充实，论据充分，论证有力，数据可靠，结构紧凑，层次分明，图表清晰，格式规范，字迹工整，结论正确。 2．设计制作一个8*8*8的三维的发光二极管显示方阵，能够通过编写程序来实现对每一个发光二级管控制，从而来显示多种多样的图案。控制显示输出至少二十种显示效果。 3．通过大量编写程序调试实验现象结果分析研究数据形成规律，对规律总结得出结论并初步确定算法。 四、设计思路 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5V继电器的吸合和断开来控制的，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。 五、设计预期成果 完成焊接调试，烧烤程序后，作品上电工作时8*8*8的光立方显示可以按照程序依次点亮相应位置的LED灯来构造我所想要显示的图案，并且可以显示静态和动态的图案，还可以模拟3D显示来完成相应的花样的展示。 六、任务完成的阶段内容及时间安排 第一阶段：第8学期1-2周 上交3D光立方显示设计的开题报告、文献综述及外文翻译。 第二阶段：第8学期3-4周 整理收集光立方显示的相关资料，开始初步设计3D光立方显示的硬件电路，绘制出电路原理图。并与指导老师沟通后，最

终确定作品设计硬件电路图。 第三阶段：第8学期5-7周 编写硬件电路的软件程序部分，利用仿真软件对程序进行调试修改。与指导老师共同来完成软件的编写 第四阶段：第8学期8-9周 依据电路原理图焊接实际电路，经检查电路没有虚焊、漏接、错接等问题后，下载程序调试电路达3D光立方显示的预期成果。 第五阶段：第8学期10-12周 开始撰写3D光立方显示设计说明书的初稿，并完成初稿并交给指导老师初审。 第六阶段：第8学期13-14周 提交毕业设计说明书及实做作品，开始准备参加论文答辩。 七、完成设计（论文）所具备的条件因素 1.主修理论课程： 模电 数电 单片机原理与应用 嵌入式系统 微电子器件与IC设计 电子测量技术 集成电路设计 传感器与检测技术。 2.软件课程： Multisim2001、wave、、proteus等相关软件。 3.做过的作品： 亚超声波和声光控开关、超外差式半导体收音机、声光报警器、数字万用表的组装和调试，直流稳压电源，数字动态扫描显示，花样流水灯。 4.具备的能力：较强的动手能力，善于分析和解决问题，有创新和创造的思维。 5.实作所需的工具：烙铁，万用表，电脑，Proteus、protel软件等等。 6.实作所需地点及论文资料来源： 电子创新实验室，数字图书万方数据库。 指导教师签名： 日期： 注：课题来源要填写明确（如教师拟定、学生建议、某企事业单位项目等） 课题类型：（1）A—工程设计；B—技术开发；C—软件工程；D—理论研究；E—制作（作品）

（2）X—真实课题；Y—模拟课题；Z—虚拟课题； 要求（1）、（2）均要填，如AY，BY等。

基于单片机的光立方的设计

基于单片机的光立方的设计

摘 要

本设计制作出一个三维立体显示图案的LED光立方。本产品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。

本设计是采用AT89S52单片机为核心控制器，八D边沿触发器（三态）74LS574扩展I/O口，完成硬件电路设计。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 51单片机/74LS574锁存器/8*8*8/LED显示

I

基于单片机的光立方的设计 THE DESIGN OF LIGHT CUBE BASED

ON THE MICROCONTROLLER

ABSTRACT

This design produced a three-dimensional pattern of the LED light cube. This product can not only like a light-emitting diode dot matrix display plane static or dynamic screen can also display three-dimensional static or dynamic images， and to break the traditional program.While increasing the display patterns and three-dimensional effect can be widely used to display and decorative display for future progress and development to guide the direction， light cube display more visual effects than the light-emitting diode dot matrix， and the picture is more rich colorful. With a combination of graphics and characters more perfect display characteristics.

The design is AT89S52 MCU core controller， eight D edge flip-flop 74LS574 (tri-state) expansion I / O port completion of the hardware circuit design. Programmed by software to control the data is downloaded to the MCU to complete the designs of the show. This design software is a top-down modular design， the system moving in the direction of distributed， small development， enhance the stability of the system's scalability and running.

KEY WORDS 51 single-chip, 74LS574 latch, 8 * 8 * 8, 3DLED

II

基于单片机的光立方的设计 目 录

摘 要 ......................................................................................................................... I ABSTRACT ............................................................................................................. II 1 绪论 ........................................................................................................................ 1 1.1 国内外LED显示屏的发展概况 ............................................................ 1 1.2 我国LED显示屏研究现状及发展趋势 .............................................. 1 1.3 设计的总体要求及方案选择 .................................................................. 2 1.4 设计说明书的结构安排 ............................................................................ 2 2 系统总体方案设计 ............................................................................................ 4 2.1 系统总体硬件方案选择 ............................................................................ 4

2.1.1 3D显示屏核心控制器 ................................................................................ 4 2.1.2 电源电路 ..................................................................................................... 5 2.1.3 I\\O口扩展芯片 ........................................................................................... 5 2.1.4 层面控制驱动电路 ..................................................................................... 6 2.1.5 串口通讯芯片的选择 ................................................................................. 6 2.1.6 LED发光显示二级管 ................................................................................. 6 2.1.7 硬件电路绘图软件 ..................................................................................... 7

2.2 系统总体软件方案选择 ............................................................................ 8

2.2.1 单片机编程语言 ......................................................................................... 8 2.2.2 系统软件编译器WAVE介绍.................................................................... 9

3 系统硬件方案设计 .......................................................................................... 10 3.1 硬件整体设计概述及功能分析 ............................................................ 10 3.2 电源供电系统设计 ................................................................................... 10 3.3 51系列单片机简介 ................................................................................... 11

3.3.1 时钟电路设计 ........................................................................................... 11

基于单片机的光立方的设计 3.3.2 复位电路设计 ........................................................................................... 13

3.4 驱动电路设计 ............................................................................................. 13

3.4.1 层驱动电路设计 ....................................................................................... 13 3.4.2 列驱动电路设计 ....................................................................................... 15

3.5 通信系统硬件设计 ................................................................................... 16 3.6 光立方的制作及工作原理介绍 ............................................................ 17

3.6.1 3D LED光立方搭接 ................................................................................. 17 3.6.2 3D LED光立方工作原理 ......................................................................... 19

4 系统软件方案设计 .......................................................................................... 21 4.1 概述 ............................................................................................................... 21 4.2 主程序设计 ................................................................................................. 21 4.3 显示程序的设计 ........................................................................................ 22

4.3.1 LED显示屏的数据传送 ........................................................................... 22 4.3.2 显示程序的设计 ....................................................................................... 22

4.4 软件中防止程序出错ERR处理 .......................................................... 23 4.5 ISP软件程序下载 ..................................................................................... 24 5 光立方PCB版制作 ........................................................................................ 25 5.1 PROTUES制作PCB版图 .......................................................................... 25

5.1.1 绘制电路原理图并仿真测试 ................................................................... 25 5.1.2 加载网络表及元件封装 ........................................................................... 26 5.1.3 规划电路板并设置相关参数 ................................................................... 27 5.1.4 元件布局及调整 ....................................................................................... 28 5.1.5 元件布线及调整 ....................................................................................... 29 5.1.6 输出及制作PCB ...................................................................................... 30

5.2 PCB版的制作过程 ................................................................................... 30

5.2.1 热转印版图 ............................................................................................... 31 5.2.2 蚀刻去铜 ................................................................................................... 31 5.2.3 去墨打孔 ................................................................................................... 31

基于单片机的光立方的设计 6 系统测试及仿真 .............................................................................................. 32 6.1 硬件系统测试 ............................................................................................ 32 6.2 软件系统测试 ............................................................................................ 33 6.3 系统总体测试 ............................................................................................ 33 6.4 系统测试结果与结论 .............................................................................. 34

6.4.1 测试结果分析 ........................................................................................... 34 6.4.2 测试结论 ................................................................................................... 34

总 结 ...................................................................................................................... 35 致 谢 ...................................................................................................................... 37 参考文献 ................................................................................................................. 38 附录1 总体电路原理图 .................................................................................... 39 附录2 电路PCB版图 ....................................................................................... 40 附录3 电路3D仿真图 ..................................................................................... 41 附录4 元器件清单 ............................................................................................. 42 附录5 电路实物图 ............................................................................................. 44 附录6 源程序 ...................................................................................................... 45

基于单片机的光立方的设计 1 绪论

1.1 国内外LED显示屏的发展概况

在当今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。与传统的显示设备相比，这种未来的巨大需求让LED大屏幕显示技术成为众人目光的焦点。LED显示屏一般分为图文显示屏和视频显示屏，均由LED矩阵块组成。动态图文显示屏可与计算机同步显示汉字、英文文本和图形；视频显示屏采用微型计算机进行控制，图文、图像并茂，以实时、同步、清晰的信息传播方式播放各种信息，还可显示二维、三维的动画、录像、电视、VCD节目以及现场实况转播。不仅可以用于室内环境装饰还可以用于室外环境信息传播，具有投影仪、电视墙、液晶显示屏无法比拟的优点。而且显示画面色彩鲜艳，立体感强，静如油画，动如电影，广泛应用于交通运输、车站、商场、医院、宾馆、证券市场、工业企业管理等公共场所[1]。

随着社会经济的不断进步，人们对LED显示器的认识不断加深，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。

1.2 我国LED显示屏研究现状及发展趋势

（1）我国LED产业发展现状

目前国内主要LED广告大屏幕制造厂商主要集中在华东、华北、华南区域，大型制造商的市场范围几乎覆盖整个国内市场。国产LED广告大屏幕的性价比比较高，市场占有率近100%。我国的LED显示屏产业经过几年的发展，基本形成了一批具有一定规模的骨干企业。我国LED显示屏产业在规模发展的同时，产品技术推陈出新，一直保持比较先进的水平。LED显示屏产业正成为我国电子信息产业的重要组成部分，也是平板显示领域唯一立足国内形成的民族高科技产业[2]。

（2）LED显示屏的发展趋势

二十一世纪的显示技术将是平板显示的时代。基础材料的产业化，使LED

1

基于单片机的光立方的设计 全彩色显示产品成本下降，应用加快发展。LED产品性能的提高，使全彩色显示屏的亮度、色彩、白平衡均达到比较理想的效果，完全可以满足户外全天候的环境条件要求，同时，由于全彩色显示屏价格性能比的优势，预计在未来几年的发展中，全彩色LED 3D显示显示屏在户外广告媒体中会越来越多地代替传统的灯箱、霓红灯、磁翻板等产品，体育场馆的显示方面全彩色LED 3D显示屏更会成为主流产品。全彩色LED 3D显示屏的广泛应用会是LED 3D显示屏产业发展的一个新的增长点。

未来LED 3D显示屏会向着标准化、规范化、产品结构多样化的方向发展。

1.3 设计的总体要求及方案选择

本次设计制作一个8*8*8的三维的发光二极管立方显示体，能够通过编写程序来实现对每一个发光二级管的亮灭控制，从而可以显示多种多样的图案。为了吸引观众增强显示效果，可以有多种显示模式。最简单的显示模式是静态显示。与静态显示模式相对应，就有各种动态显示模式，它们所显示的图文都是能够变化的。按照图文运动的特点又可以分为闪烁、平移、旋转、缩放等多种显示模式。产生不同显示显示模式的方法，并不意味着一定要重新编写显示数据，可以通过一定的算法从原来的显示数据直接生成。这样程序书写就不会过于繁琐和重复，而且对核心控制器的内存空间要求不高[3]。

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。

1.4 设计说明书的结构安排

针对毕业设计说明书的要求，对论文的内容和结构将做如下安排： （1）初步整体方案的论证和选择

搜集题目的有关资料，并参照目前通用的设计思想和设计方法拟定几套设计方案进行分析比较。最终选定了以8位51系列单片机为核心控制器件，外加

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基于单片机的光立方的设计 I/O扩展电路和层驱动电路来设计方案满足设计要求。

（2）方案实现

以设计要求为指导思想选择合适的器件来实现这一思想，选择器件时要从功能和电气特性两方面来选择和论证。经过对比选择选定AT89S52单片机为核心控制器件，由八D边沿触发器（三态）74LS574扩展I/O口输出，三极管8550和5V继电器为驱动电路器件。论文列出了详细的器件参数和在系统中的连接使用方法。

（3）软件编写

根据硬件特点和设计要求，软件选用汇编语言编写。程序按功能分为静态显示、动态显示、通信等几个功能上相对独立的模块。然后按照所划分的模块逐个编写程序，最后将独立的模块整合起来。

（4）验证与测试

测试分为硬件测试、软件测试和系统联合测试几步来进行。在硬件测试中发现有单片机端口驱动能力不足、驱动电路工作不稳定、LED显示不正常等问题。在软件测试中出现程序整合工作不协测等问题。通过分析，查找出问题的原因并设法解决。

（5）结论

设计作品完成后对设计中所遇到的问题、经验教训、以及自己的想法进行总结分析。以便于为将来的设计提供宝贵的借鉴经验。

（5）致谢

针对设计中所遇到的问题和难处，解决的方法来自指导老师的讲解和点拨，以及同学的探讨和帮助，对此表示衷心的感谢！

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基于单片机的光立方的设计 2 系统总体方案设计

本节是该设计的方案论证部分，对设计中所采用的芯片从多方面综合的进行比较，最后经过仔细的研究后决定所器件、编程软件和仿真电路绘制软件的选取。

2.1 系统总体硬件方案选择

2.1.1 3D显示屏核心控制器

控制部分是整个系统的核心部分，其功能可以实现与上位机通信接收上位机发送的数据和控制指令经处理过后控制显示屏显示内容。其常用的电子设计方法有单片机、DSP、及EDA技术。

方案一：单片机

单片机是集成了CPU，ROM，RAM和I/ O口的微型计算机。它有很强的接口性能，非常适合于工业控制，因此又叫微控制器(MCU)。单片机品种齐全，型号多样 CPU 从8，16，32到64位，多采用RISC 技术，片上I/O非常丰富，有的单片机集成有A/ D，“ 看门狗”，PWM，显示驱动，函数发生器，键盘控制等。它们的价格也高低不等，这样极大地满足了开发者的选择自由。除此之外单片机还具有低电压和低功耗的特点。随着超大规模集成电路的发展，单片机在便携式产品中大有用武之地[4]。

方案二：DSP 芯片

DSP 又叫数字信号处理器。顾名思义，DSP主要用于数字信号处理领域，非常适合高密度，重复运算及大数据容量的信号处理。现在已经广泛应用于通信、便携式计算机和便携式仪表、雷达、图像、航空、家用电器、医疗设备等领域。 DSP区别于一般微处理器的另一重要标志是硬件乘法器以及特殊指令，一般微处理器用软件实现乘法，逐条执行指令，速度慢。DSP 依靠硬件乘法器单周期完成乘法运算，而且还具有专门的信号处理指令。它的强大数据处理能力和高运行速度，是最值得称道的两大特色。芯片内置544字的高速SRAM。外部可寻址64K字程序/数据及I/O，令周期在25ns～50ns之间，实时性处理比16位单片机快2倍以上，可取代一般的单片机[5]。

方案三：EDA

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基于单片机的光立方的设计 EDA(即Electronic Design Automation) 即电子设计自动化，它是以计算机为工具，在EDA 软件平台上，对用硬件描述语言HDL 完成的设计文件自动地逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合及优化、逻辑布局布线、逻辑仿真，直至对于特定目标芯片进行适配编译、逻辑影射和编程下载等。而且MCU和DSP都是通过串行执行指令来实现特定功能，不可避免低速，而FPGA/CPLD则可实现硬件上的并行工作，在实时测控和高速应用领域前景广阔；另一方面，FPGA/CPLP器件在功能开发上是软件实现的，但物理机制却和纯硬件电路一样，十分可靠。

基于以上分析，三种设计方式相比较各有优点且都能够实现控制功能，但单片机的技术门槛较低开发成本也较低非常适合初学者进行学习和锻炼使用。现在市场上常用的单片机主要有MCS-51、AVR、ARM、PIC等。其中应用最广泛的单片机首推Intel的51系列，由于产品硬件结构合理，指令系统规范，加之生产历史“悠久”，有先入为主的优势常作为单片机学习的教材。所以决定选取51系列单片机作为控制部分的核心器件。

2.1.2 电源电路

方案一：采用普通干电池作为LED系统的电源，由于点阵系统耗电量较大，点阵系统一般悬挂在高处上，一直不停的工作。使用干电池需经常换电池，不符合节约型社会的要求。

方案二：采用一块LM7805三端集成稳压器。把市电经变压器降压输入电路，而后整流送到LM7805三端稳压器稳压输出作为工作电压。不仅功率上可以满足系统需要，不需要更换电源，并且比较轻便，使用更加安全可靠。

基于以上分析，决定选取LM7805三端稳压器稳压电路作为系统供电电源。

2.1.3 I\\O口扩展芯片

方案一：选取串口输入并口输出芯片74LS164，虽然I/O口使用较少，由于本次设计共需要72路I/O口，列驱动电路就需要8块74LS164。显示数据是先后顺序给送去的，显示会有延迟，而LED动态显示的刷新的时间控制大约10ms，实时性差，效果不好。

方案二：采用边沿触发 D型触发器74LS574，74LS574是三态总线驱动输

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基于单片机的光立方的设计 4 系统软件方案设计

4.1 概述

软件设计包括按键程序、主程序、显示程序三大部分，软件功能结构框图见4.1。主程序通过调用按键查询程序来判断待显示的图案及花样，主程序则调用相对应的显示程序送到控制端口。

按键程序 主程序 显示程序

图4.1 软件功能结构框图

4.2 主程序设计

系统软件采用汇编语言编写，按照模块化的设计思路设计程序。首先分析程序所要实现的功能，程序要实现可静态显示、动态显示、三维立体显示。通过按键控制程序选择不同的显示程序进行显示[14]。主程序的工作流程见图4.2。

图4.2 主程序流程图

程序开始时首先必须对单片机进行初始化设置，其中初始化设置的内容包括：中断优先级的设定，中断初始化，定时器初始化，串行通信时通信方式的

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基于单片机的光立方的设计 选择和波特率的设定，各IO口功能的设定等。把各子程序写为一个可单独执行的完整子程序段。各子程序编译没有错误后再下载到单片机进行仿真验证，这两项都通过后再将所有的程序整合到一起，形成一个完整的程序再进行编译和仿真验证。

4.3 显示程序的设计

4.3.1 LED显示屏的数据传送

动态扫描显示是把整个LED屏幕分成若干部分，每一幅画面显示过程是显示完一部分后，又显示第二部分……直到显示完最后一部分又重新开始显示第一部分，重复循环进行。在重复扫描速度足够快的情况下，我们看到的就是一幅稳定的静态画面。也就是说采用动态扫描显示需要不断进行画面的刷新。动态扫描分为行扫描和列扫描，两种方式区别在于选通端和数据输入端分别是行还是列。先选通列然后再从行送入对应列的数据，这样从第1列到第8列循环往复，只要切换的速度足够的快利用人眼的延时特性就可以看见一幅稳定的画面[15]。

4.3.2 显示程序的设计

显示采用的是扫描显示方式，选通一列后按照列对应的数据表的数据第i列对应的列数据为数组中的第i和第i+7个元素。将对应数据由低至高位依次从控制端口输出显示。向右逻辑移位所得结果通过单片机端口输出到锁存器，通过片选需要显示对应的锁存器在输出显示。如此依次循环选通各列来显示所需画面。

动态显示程序流程图见4.4。把显示的数据送到P0口，相应的锁存器接收

数据，再把片选锁存器的数据送到端口，相应锁存器接收数据并锁存输出显示，接着把下一组数据送到P0口，改变片选锁存器的数据，送到相应锁存器输出显示，直到把所有的数据局输出传送完毕后，显示完成后，退出显示程序，等待指令。输出形式多种多样，可以静态输出图案，也可以动态、左移、右移、循环等花样显示。

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基于单片机的光立方的设计

开 始 程序初始化

显示数据送P0 选通列，送锁存器输出 送下一列数据，选通信号左移 N 左移次数>8 Y 显示完成后 子程序返回 图4.4 显示程序流程图

4.4 软件中防止程序出错ERR处理

CPU受到干扰后，则CPU 就不能按正常状态执行程序，往往将一些操作数当作指令码来执行，造成程序执行混乱。这就是通常所说的程序“跑飞”。程序“跑飞”后使其恢复正常的一个最简单的方法是使CPU 复位，让程序从头开始重新运行。很多单片机控制的设备中都有设置人工复位电路。人工复位一般是在整个系统已经完全瘫痪，无计可施的情况下才不得已而为之的。因此在进行软件设计时就要考虑到万一程序“跑飞”，应让其能够自动恢复到正常状态下运行。

采用“指令冗余”是使“跑飞”的程序恢复正常的一种措施。所谓“指令冗余”，就是在一些关键的地方人为地插入一些单字节的空操作指令NOP。当程序“跑飞”到某条单字节指令上时，就不会发生将操作数当成指令来执行的错误。应该注意的是在一个程序中“指令冗余”不能使用过多，否则会降低程序的执行效率。这时可以采用另一种软件抗干扰措施，即设置“软件陷阱”。“软件陷阱”是一条引导指令，强行将捕获的程序引向一个指定的地址，在那里有

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基于单片机的光立方的设计 一段专门处理错误的程序。假设这段处理错误的程序入口地址为ERR，则下面三条指令即组成一个“软件陷阱”：

NOP NOP LJMP ERR

“软件陷阱”一般安排在下列四种地方。

（l）未使用的中断向量区。51 单片机的中断向量区为0003H～002FH，在剩余的中断向量区安排“软件陷阱”，以便能捕捉到错误的中断。

（2）未使用的大片EPROM 空间。对于剩余未编程的EPROM 空间，一般都维持其原状，即其内容为OFFH。

（3）表格区。表格一般有两种，即数据表格和散转表格。由于表格的内容与检索值有一一对应的关系，因此只能在表格的最后安排陷阱设置指令。

（4）子程序区。子程序区是由一系列的指令所构成的，可以在子程序的结尾处安排陷阱。

4.5 ISP软件程序下载

ISP（In-System Programming）是当今流行的单片机编程模式。可在线系统编程的意思是指电路板上的可编程下载的空白元器件可以直接编程写入最终用户代码，而不需要从电路板上取下可重复编程逻辑器件。已经编程的器件也可以用ISP方式擦除或再编程。ISP的引脚接线图见4.5。

在完成编写程序的编译通过之后，把可以烧写AT89S52的ISP编程器并与电脑主机硬件连接后，打开相应下载软件按步骤即可对AT89S52芯片进行程序烧录下载。烧录完成成功后会有提示。重新通电即可测试和运行电路。

图4.5 ISP下载器接口接线图

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基于单片机的光立方的设计 5 光立方PCB版制作

5.1 protues制作PCB版图

本设计采用protues制作PCB版图，用Proteus 制作PCB通常包括以下一些步骤：

（1）绘制电路原理图并仿真测试； （2）加载网络表及元件封装； （3）规划电路板并设置相关参数； （4）元件布局及调整；

（5）元件自动布线并手动调整布线； （6）输出及制作PCB文件。

5.1.1 绘制电路原理图并仿真测试

在Proteus 6 Professional 中用ISIS 6 Professional 设计好电路原理图，并结合WAVE进行软件编程和硬件的仿真测试。电路原理图见图5.1。

图5.1 电路原理图

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基于单片机的光立方的设计 5.1.2 加载网络表及元件封装

在ISIS 6 Professional 界面中单击Design Toolbar中的

图标或通过Tools

菜单的Netlist to ARES 命令打开ARES 6 Professional 窗口如图5.2所示。可以看到，在图5.2中左下角的元器件选择窗口中列出了从原理图加载过来的所有元器件。若原理图中的某些器件没有自动加载封装或者封装库中没有合适的封装，那么在加载网络表时就会弹出一个要求选择封装的对话框，这时就需要根据具体的元件及其封装进行手动选择并加载。

图5.2 ARES 6 Professional编辑界面

对于没有封装或是封装不合适的，则需要自己创建封装。如本次设计中开关没有合适的封装需要自己画开关封装，四引脚开关封装见图5.3。

图5.3四引脚开关封装

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基于单片机的光立方的设计 5.1.3 规划电路板并设置相关参数

（1）规划电路板

在ARES 6 Professional 窗口中选中2D画图工具栏的

图标，在底部的电

路层中选中Board Edge层（黄色底层），即可以单击鼠标左键拖画出PCB板的边框了。边框的大小就是PCB板的大小，所以在画边框时应根据实际，用测量工具

来确定尺寸大小，本设计电路板采用150mm*200mm的单层覆铜版。 （2）设置电路板的相关参数

PCB板边框画好以后，就要设置电路板的相关参数。版层设置图见图5.4。单击System中的Set Default Rules项，在弹出的对话框中设置规则参数，有焊盘间距、线与焊盘间距、线与线间距等一些安全允许值。然后在Tools中选中

(布线规则)项，在弹出的对话框中单击Edit Strategies项，出

现一个对话框如图5.4所示。在左上Strategy栏中分别选中POWER和SIGNAL，在下面的Pair1中选同一层Board Edge层（黄色底层）。这样，就完成了在单层板中布线的设置。其他系统参数设置，可以在System和Tools中去设置完成。

图5.4设置板层参数

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基于单片机的光立方的设计

5.1.4 元件布局及调整

电路板的规则设计好以后，就可导入元件并布局。布局有自动布局和手动布局两种方式。我采用手动布局的方式，则在左下角的元件选择窗口中选中元件，在PCB板边框中适当位置单击左键，就可以把元件放入。本设计线采用自动布局然后手动调整的方式。自动布局后电路版图见图5.5，手动调整元器件后电路版图见图5.6。

图5.5 元件自动布局版图

图5.6 手动调整元件布局版图

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基于单片机的光立方的设计 5.1.5 元件布线及调整

同样，PCB的布线也是有自动布线和手动布线两种布线方式。一般，是先用自动布线，然后手工修改，也可以直接手工布线。在布线时尽量要把焊盘测大一些以有利于后续的焊接工作。自动布线版图见图5.7，调整布线覆铜见图5.8。

图5.7自动布线

图5.8手动调整并覆铜

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基于单片机的光立方的设计 5.1.6 输出及制作PCB

最后就是输出打印电路版图了。先单击Output选项中的Set Output Area选项，按住鼠标左键并拖动，选中要输出的版图。 然后是设置要打印的输出电路层。在Output选项中单击Print/Plot Layout选项，出现设置对话框。在设置对话框中，单击选择Printer，可以选择打印机和设置打印纸张以及版图放置方向。在下面的Layers/Artworks栏中选择要打印的层。因为布线是在底层进行的，所以在打印布线层时，在Bottom Copper和Board Edge选项前打勾，表示选中要打印输出；而在打印元件的布局层（丝印层）时，在Top Silk 和Board Edge选项前打勾（这一层在打印时注意需要选择镜象打印）；Scale选项是打印输出的图纸比例，选100%；Rotation 和Reflection选项分别是横向/纵向输出和是否要镜象的设置。设置好以后就可以打印了，布线层的打印效果图见5.9。

图5.9 布线层的打印效果图

5.2 PCB版的制作过程

印制电路板PCB按基材的性质可分为刚性印制板和挠性印制板两大类；PCB按布线层数可分为单面板、双面板和多层板三类。目前单面板和双面板的应用最为广泛。刚性印制板PCB具有一定的机械强度，用它装成的部件具有一

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