系统硬件电路设计与实现

3 、系统硬件电路设计与实现

3.1  硬件电路设计

本电路是由STC12C5A60S2单片机为控制核心，其和8051指令、管脚完全兼容，而且其片内的具有大容量程序存储器且是FLASH工艺的，具有串口烧写编程功能，低功耗；时钟源电路有很多种，比如阻容低速时钟源、普通晶体时钟源、带缓冲放大的晶体时钟源等等，考虑到电路稳定及材料选购等方面，决定采用普通晶体时钟源，其中晶体用12MHZ的石英晶振。显示部份由显示部份由512个雾面LED灯组成来进行显示。

3.2 单片机最小系统

单片机的最小系统就是让单片机能正常工作并发挥其功能时所必须的组成部分，也可理解为是用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。对STC12C5A60S2单片机来说， 最小系统一般应该包括： 单片机、时钟电路、复位电路、输入/ 输出设备等（见图3-1）。

单片机的最小系统如下图所示:

图3-1单片机最小系统框图

图3-2 单片机最小系统

3.2.1时钟电路

在设计时钟电路之前，让我们先了解下单片机上的时钟管脚：

XTAL1（19 脚） ：芯片内部振荡电路输入端。

XTAL2（18 脚） ：芯片内部振荡电路输出端。

XTAL1 和XTAL2 是独立输入和输出反相放大器，它可以被配置为使用石英晶振的片内振荡器。

内部方式的时钟电路如图3-3（a）所示，在XTAL1、XTAL2 的引脚上外接定时元件（一个石英晶体和两个电容），内部振荡器便能产生自激振荡。经过综合考虑，本设计中采用了11.0592M 的石英晶振。和晶振并联的两个电容的大小对振荡频率有微小影响，可以起到频率微调作用。一般情况下选取33pF 的陶瓷电容就可以了。

外部方式的时钟电路如图3-3（b）所示，RXD接地，TXD接外部振荡器。对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号。

（a）内部方式时钟电路        （b）外部方式时钟电路

图3-3 时钟电路

　　另外值得一提的是检测晶振是否能够起振的方法可使用示波器能看到XTAL2 输出的非常好看的正弦波，也可以使用万用表测量（ 把挡位打到直流挡，这个时候测得的是有效值）XTAL2 和地之间的电压时，可以看到2V 左右一点的电压。

3.2.2 P0 口外接上拉电阻

　STC12C5A60S2单片机的P0 端口为开漏输出，内部无上拉电阻（图3-6）。所以在当做普通I/O 输出数据时，由于V2 截止，输出级是漏极开路电路，要使“1”信号正常输出，一定要外接上拉电阻。

图3-6 P0端口的1位结构

3.3驱动模块的设计

本设计采用的是ULN2803达林顿管驱动器进行驱动。

ULN2803，采用AP=DIP18,AFW=SOL18封装方式。

ULN2803是八重达林顿，1 至 8脚为8路输入，18 到 11脚为8路输出。驱动能力 500MA \50V。应用时9脚接地，如果驱动感性负载，10脚接负载电源V+。输入的电平信号为0，或5V。

输入0时，输出达林顿管截止。输入为5V电平时，输出达林顿饱和。输出负载加在电源V+和输出口上，当输入为高电平时，输出负载工作。

八路NPN达林顿连接晶体管阵系列特别适用于低逻辑电平数字电路如图3-7（诸如TTL, CMOS或PMOS/NMOS）和较高的电流/电压要求之间的接口，广泛应用于计算机工业中。所拥有的器件具有集电极开路输出和续流箱位二极管，用于抑制跃变。ULN2803的设计与标准TTL系列兼容，而ULN2804 最适于6至15伏高电平CMOS或PMOS。

 

  （a）ULN2803引脚图                            (b) ULN2803逻辑图

                                图3-7 ULN2803芯片

3.4 光立方整体设计思路

3.4.1 LED灯排序方式设计

    将每层的LED排序如图3-8，D0,D1,D2,D3…D62,D63分别为64个LED阵列实际排序方式,也就是光立方的俯视图，对应下图分别是其数据信号0，1，2，3…62，63;

                 

图3-8 3D8光立方效果图

3.4.2 LED灯接法方式设计

1.“光立方”是由8层这样布局的LED组成，每层位置排列全部一致，如图3-9 。每层LED的所有正极全部接到一起，然后连接74hc573的行扫描驱动电路，通过74hc573译码确定使能哪一层

3.各层同一位置LED的负极连接都一起，例如第一层的D0和第二、三、四…等层的D0的负极都连接一起，然后再把它们接到0上面，如图3-10。

          图3-9 LED层与层的连接方式                  图 3-10 LED负极与输出端连接方式

3.5光立方搭建方法

　3.5.1将LED从点到线的搭建

首先制作一块搭建用的木板如图3-11，木板孔与孔直接的距离为22.86mm，必须与电路板上的两空距离一致。将LED灯逐个安在板上，并对LED的脚进行折弯使正极引脚与负极的夹角为直角。最后将8个LED的阴极焊接在一起，如 图3-12。注意：弯折阴极脚时弯曲处尽量靠近灯体不要留太长，这样焊接阳极时不容易造成短路。

         

            图3-11搭建木板                          图3-12 已搭好的8个LED灯

3.5.2将LED从线到面的搭建

    进行八次上诉焊接后接下来就是将8束的LED焊接起来。在从点到线时是将所有LED的阴极连在一起，而这次则是将所有LED阳极弯折并依次连接，如图3-13。注意：由于焊接过程中将产生静电容易将LED烧坏，因此本项工作完成后请认真检查每个灯的好坏，可以用万用笔等工具检测。同时检测灯与灯之间有没虚焊情况。

图3-13 已搭好的8排LED灯

3.5.3将LED从面到体的搭建

最后一个步骤是将已焊好的8个面进行焊接，其方法是将之前8个面上的阴极对应位置依次焊接，最后留出的8个阴极与ULN2803的输出端进行连接，LED的64阳极则与74hc573的数据输出端依次

连接，如图3-14。

图3-14 已搭好的8层LED灯