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基于单片机的光立方设计-学位论文.doc
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2023-07-01
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基于单片机的光立方设计-学位论文.doc
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XXXX 大学
本 科 课 程 设 计
题 目 : 基于单片机的光立方设计
姓 名 :
学 号:
院(系):
专业、年级:
指 导 教 师 :
二○XX 年 X 月
基于单片机的 4*4*4 光立方设计
1
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。新型的大屏幕要求显示画面色彩鲜艳,立体
感强,静如油画,动如电影,这些设计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。本设计旨在利用人眼视觉暂留的特
点,通过 AT89C52 单片机控制一个由 64 盏 LED 灯组成的四层光立方模拟 3D 显
示效果,实现三维显示。
该光立方具有以下功能:
1)能单独点亮每一个 LED 灯;
2)能点亮任意一条线上的 LED 灯;
3)能同时点亮任意一个面上的 LED 灯;
4)能同时点亮所有的 LED 灯;
5)能让 LED 灯自由亮灭,产生不同的显示效果。
1、单片机资源分配情况
将 LED 光立方分成 4 层,分别由单片机的 P2.0,P2.1,P2.2,P2.3,四个 IO
口来控制每一层,由于采用的是共阳极所以当层电位为高电平有效,由 P0 口和 P1
的总共 16 个 IO 口来控制每层的 16 盏灯,低电平有效,P0 口加上拉排阻。这样
就可以通过控制 IO 口的输出电平来控制每盏灯的亮灭。
2、系统框图
本系统主要由时钟电路、复位电路、LED 光立方电路组成;时钟电路和复位
电路作为单片机输入,LED 光立方电路作为单片机输出,显示出控制结果如图 2-
1 所示。
时钟电路:单片机的各个功能部件的运行都是以时钟控制信号为基准,一拍
一拍的工作。因此时钟频率直接影响单片机的速度,时钟电路的质量也直接影响
单片机系统的可靠性和稳定性。常用的时钟电路设计为内部时钟方式,单片机内
部有一个由反向放大器构成的振荡电路,芯片上的 XTAL1 和 XTAL2 分别为振荡电
路的输入和输出端。只要在这两个引脚上接一个石英晶体振荡器和两个微调电容
就构成内部方式的振荡器电路,由振荡器产生自激振荡,便构成一个完整的振荡
信号发生器。
复位电路:通过某种方式,使单片机内部各类寄存器的值变为初始状态的操
一、 设计任务
二、 设计方案
基于单片机的 4*4*4 光立方设计
2
作称为复位,复位主要通过外部电路实现。常见的复位电路包括上电复位、手动
按键复位和看门狗复位三种方式,本次设计综合采用上电复位方式和按键复位方
式。
复位电路
STC89C52
4*4*4LED点阵
时钟电路
图 2- 2 系统框图
3、程序流程
本项目的程序设计主要包括延时程序、显示程序两个子程序。
显示程序:主要是在得到当前控制灯的位置后,通过控制与它相连的阴阳两
端的引脚电平,从而实现对灯的亮灭进行控制。
延时程序:由于显示程序不能控制灯持续点亮,达不到显示效果,我们需要
增加延时程序来延长显示时间从而达到显示效果。
如图 2-2 所示单片机复位以后,程序开始运行,获取到要显示的 LED 所在的
层和列然后调用显示子程序点亮 LED 灯,通过延时程序进行短暂延时后继续获取
下一个要显示的 LED 灯的所在的层和列。
开始
取层和列的数
调用显示子程序
调用延时程序
图 2- 3 程序流程图
基于单片机的 4*4*4 光立方设计
3
利用单片控制 LED 点阵显示的原理和控制技术,来控制光立方显示。即通过
编写程序控制不同 LED 的亮灭,来显示不同的内容。由于人眼的具有视觉暂留的
特性,设置每幅画面的延迟时间可以使连续的一系列画面呈现动态。最终达到所
要显示的内容。每个灯都是由层控制端(共阳极)和列控制端决定亮或灭。
如图 3-1 a 所示,将光立方分成四层,每一层有一个单片机引脚作为层控制
端与之相连,设计成共阳极。如图 3-1 b 所示每层光立方有 16 盏灯,而这 16 盏
灯又分别与单片机的 P0、P1 两个 IO 口组共 16 个 IO 口相连,这样就能很好地控
制每一盏灯的亮灭。
X
Y
Z
X
Y
a
b
图 3-1 光立方结构示意图:a 四层光立方分布结构,b 光立方每层的 LED 分布
在三维光立方中采用动态扫描显示,这种显示方式巧妙地利用了人眼的视觉
暂留特性。将连续的几帧画面高速的循环显示,只要帧速率高于 24 帧/秒,人眼
看起来就是一个完整的,相对静止的画面。最典型的例子就是电影放映机。在电
子领域中,因为这种动态扫描显示方式极大的缩减了发光单元的信号线数量,因
此在 LED 显示技术中被广泛使用。图 3-2 描述了将光立方某个侧面对角线点亮的
过程
三、 工作原理
基于单片机的 4*4*4 光立方设计
4
第一帧 第四帧第三帧第二帧
图 3-2 光立方某个侧面对角线点亮的过程
本次设计完成了对光立方的系统框架和基本电路的设计,最终通过编写代码
使光立方产生了不错的显示效果,基本完成了设计任务中的不同要求,但是仍然
存在单独点亮一盏灯亮度不够等等问题。经过与老师和同学针对这些问题的探讨
我们得出了与这些问题相关的一些分析:
1)实际做成的光立方单独一盏灯点亮时,亮度很高,而点亮一个面时亮度
明显不够
分析:这主要是因为这次设计对于 LED 灯采取的是共阳极的方式,所以用单
片机一个引脚的电压带动一个面进行显示肯定是远远不够的,经过思考,我觉得
将设计改为共阴极的可能会显示效果更好。
2)光立方有一盏灯总是与设计程序不符合(该亮的时候是灭的,而该灭的
时候又是亮的)
分析:这可能是由于在焊接过程中,将这个 LED 灯的阴极和阳极刚好接反了,
于是显示结果刚好相反。
3)点亮侧面的灯时,出现的是该面的灯按层轮换
分析:这可能是由于延时程序设计的不合理,导致画面显示不流畅,修改延
时程序,再进行调试后正常显示。
四、 结果分析
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黑色的迷迭香
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