王海燕 高之圣 徐江海

(淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 淮安 223003)

1 引言

LED點(diǎn)陣電子顯示屏制作簡(jiǎn)單，安裝方便，被廣泛應(yīng)用于各種公共場(chǎng)合，但是這種電子顯示屏只能做單一的“顯示”作用，顯示內(nèi)容的更改、擦除等功能的實(shí)現(xiàn)都要在上位機(jī)上實(shí)現(xiàn)。能否用LED點(diǎn)陣顯示屏實(shí)現(xiàn)“書寫”功能，本文基于這一想法，設(shè)計(jì)并制作一個(gè)基于32×32點(diǎn)陣LED模塊的書寫顯示屏，基本結(jié)構(gòu)如圖1。

主要采用STC11F32單片機(jī)為主控制器，通過自制光筆在屏上實(shí)現(xiàn)“點(diǎn)亮、劃亮、反顯、整屏擦除、筆畫擦除、連寫多字、對(duì)象拖移”等書寫顯示功能。

圖1 LED點(diǎn)陣書寫顯示屏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 設(shè)計(jì)方案論證

2.1 光筆設(shè)計(jì)方案

光筆設(shè)計(jì)是本課題設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一，需要有很高的靈敏度和快速的響應(yīng)時(shí)間，需要選取合適的光電傳感器和檢測(cè)電路。

方案一:采用光敏電阻作為光電檢測(cè)傳感器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、成本低，但光敏電阻的響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)。

方案二:采用光敏二極管，與光敏電阻相比有較快的響應(yīng)時(shí)間。

方案三:采用光敏三極管，其工作原理與光敏二極管相似，光敏三極管對(duì)電信號(hào)還有放大的功能，響應(yīng)時(shí)間快，靈敏度更高。故選擇光敏三極管作為光筆的檢測(cè)部件。

2.2 點(diǎn)陣驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)手寫顯示功能，需要識(shí)別光筆劃過的點(diǎn)的坐標(biāo)，需要對(duì)行和列都進(jìn)行編碼掃描，才能確定坐標(biāo)點(diǎn)，用譯碼器的輸出作為行和列的控制信息。譯碼器選用低功耗高速芯片74HC154，74HC154是4～16譯碼器，可以減少電路之間的連線。

2.3 控制芯片的選擇

控制芯片是系統(tǒng)的核心，光電檢測(cè)、點(diǎn)陣驅(qū)動(dòng)等功能的實(shí)現(xiàn)都由其完成，因此選擇合適的控制芯片是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

方案一:使用51系列單片機(jī)。51單片機(jī)應(yīng)用廣泛，比較熟悉，但運(yùn)算速度相對(duì)較慢、內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間較少。

方案二:使用ARM或 FPGA。它們運(yùn)算速度、控制功能都比較強(qiáng)大，但成本較高。

方案三:使用STC系列單片機(jī)。該系列單片機(jī)與51單片機(jī)完全兼容，在同樣時(shí)鐘頻率條件下運(yùn)行速度是51單片機(jī)的12倍，內(nèi)部最大RAM空間達(dá)1280B。

從成本和使用熟練情況來考慮選擇方案三，設(shè)計(jì)中使用STC11F32，內(nèi)部RAM1280B，程序存儲(chǔ)器32KB，完全滿足本課題設(shè)計(jì)需要。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)框圖如圖2所示:

圖2 系統(tǒng)框圖

3.2 單元模塊的設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算

(1)光筆的設(shè)計(jì)

光筆電路如圖3所示。其基本原理是 U1B、R2、R3構(gòu)成一恒流源，I=Vcc/R2=5/1000=5mA，光敏三極管通過觸碰開關(guān)S與R3并聯(lián)，S斷開時(shí)光敏三極管不起作用，U1B輸出一固定電壓，當(dāng)S閉合并有光照時(shí)，光敏三極管與R3并聯(lián)，并聯(lián)的電阻將減小許多，使U1B輸出減小，U1B的輸出作為U1C的輸入，U1C和R4構(gòu)成一個(gè)比較器，U1B的輸出變化時(shí)將引起比較器翻轉(zhuǎn)。當(dāng)光筆在顯示屏碰觸閉合，遇到光點(diǎn)時(shí)比較器有翻轉(zhuǎn)信號(hào)輸出，送給單片機(jī)識(shí)別。

圖3 光筆電路原理

(2)32×32LED點(diǎn)陣的連接及驅(qū)動(dòng)控制電路

32×32 LED點(diǎn)陣的行信息控制用2片74HC154，構(gòu)成5—32譯碼器，單片機(jī)口線控制其譯碼輸出。列的微亮掃描、點(diǎn)亮也分別用2片74HC154，4個(gè)片選分別單獨(dú)控制，微亮掃描 (2.5V)、點(diǎn)亮(5V)電源分別通過三極管構(gòu)成的開關(guān)加到點(diǎn)陣的列控制端。由于整屏顯示是1024個(gè)燈循環(huán)亮，為提高顯示亮度，限流電阻取51歐姆，電路如圖4所示。

微亮掃描時(shí)流過 LED的電流為:(2.5－1.8)/51=13.7mA

圖4 點(diǎn)陣及其驅(qū)動(dòng)電路

圖5 超時(shí)關(guān)顯示

點(diǎn)亮點(diǎn)陣時(shí)流過LED的電流為:(5－1.8)/51=62.7mA

(3)顯示電路部分功能及原理

液晶顯示電路如圖6所示。用三位口線分別作為液晶顯示模塊的片選 (/CS)、寫控制 (/WR)、數(shù)據(jù)線 (DATA)。

(4)光照檢測(cè)與顯示亮度調(diào)節(jié)電路

基本原理是用LM358與光敏電阻構(gòu)成一恒流源電路，該恒定電流流入光敏電阻，當(dāng)光敏電阻在強(qiáng)光狀態(tài)下，其亮阻很小，其上壓降較低，通過電位器向9012基極輸出較低的導(dǎo)通電壓，LED屏發(fā)光強(qiáng)度達(dá)到最大狀態(tài);反之，當(dāng)光敏電阻處于較暗狀態(tài)下，其暗阻較大，光敏電阻上壓降較大，送到9012基極電位較高，導(dǎo)通程度降低，LED屏發(fā)光強(qiáng)度隨著光照強(qiáng)度逐漸降低。

(5)超時(shí)關(guān)顯示電路

超時(shí)關(guān)顯示電路如圖5所示。用單片機(jī)的一個(gè)口控制三極管的導(dǎo)通和截止，三極管基極電阻2K，在正常工作時(shí)口輸出低電平時(shí)，基極電流遠(yuǎn)大于管子的飽和電流，使三極管飽和導(dǎo)通，使繼電器吸合，5V電源通過繼電器觸點(diǎn)供給包括顯示電路在內(nèi)的其他電路;當(dāng)超時(shí)進(jìn)入休眠狀態(tài)時(shí)，單片機(jī)口輸出高電平，三極管截止，切斷后級(jí)電路電源。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 主程序

主程序包括系統(tǒng)初始化，點(diǎn)陣掃描控制，液晶顯示，以及“反顯”、“擦除”等功能下數(shù)據(jù)處理程序，流程圖如圖6a所示。其中點(diǎn)陣掃描控制程序，微亮掃描控制由單片機(jī)口控制對(duì)以譯碼器的片選和地址輸入，使點(diǎn)陣按行列有規(guī)律地循環(huán)點(diǎn)亮，由圖4知點(diǎn)亮顯示的列控制信息譯碼地址與微亮連接在一起，控制點(diǎn)亮的工作過程是通過判斷點(diǎn)陣顯示緩沖內(nèi)容對(duì)應(yīng)位的信息，控制其片選，當(dāng)需要點(diǎn)亮?xí)r，控制片選有效，反之，控制片選無效，利用微亮掃描過程實(shí)現(xiàn)點(diǎn)亮控制。

4.2 外中斷0服務(wù)程序 (坐標(biāo)檢測(cè))

外中斷0是作為光筆的檢測(cè)使用，由圖3知，光筆碰觸顯示屏過程中，遇到發(fā)光點(diǎn)輸出翻轉(zhuǎn)的跳變信號(hào)，送給單片機(jī)中斷，作為中斷的觸發(fā)信號(hào)，由于中斷程序優(yōu)先執(zhí)行，打斷微亮掃描過程，在中斷服務(wù)程序中根據(jù)此時(shí)的行列掃描的序號(hào)，就可判斷光點(diǎn)的坐標(biāo)，進(jìn)而為其他功能的實(shí)現(xiàn)提供依據(jù)，流程圖如圖6b所示。

4.3 外中斷1服務(wù)程序 (按鍵處理)

外中斷1為按鍵操作處理程序，按鍵功能前已述及，故略。

圖6

4.4 定時(shí)器0服務(wù)程序 (超時(shí)關(guān)顯示計(jì)時(shí))

將定時(shí)器設(shè)置為反復(fù)定時(shí)10毫秒，在其數(shù)中斷次數(shù)，到100次即為1S，控制顯示器時(shí)間變化 (程序框圖略)。

5 結(jié)論

本課題使用光電三極管作為光筆的主要檢測(cè)器件，靈敏度高，響應(yīng)速度快，很好地解決了關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)問題。應(yīng)用74HC154譯碼器設(shè)計(jì)32×32點(diǎn)陣的行列驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)，掃描速度滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求的點(diǎn)亮、劃亮、反顯、筆畫擦除、整屏擦除、連字多寫、對(duì)象拖移、亮度連續(xù)調(diào)節(jié)、超時(shí)休眠關(guān)顯示等功能。設(shè)計(jì)的電路簡(jiǎn)捷，成本低，充分發(fā)揮芯片的功能，系統(tǒng)性價(jià)比較高。

［1］全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽組委會(huì)．2009年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽試題 ［EB/OL］．http:∥www．nuedc．com．cn/，2009．

［2］黃智偉．全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽訓(xùn)練教程 ［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2005．

［3］諸昌鈐．LED顯示屏系統(tǒng)原理及工程技術(shù) ［M］．成都:電子科技大學(xué)出版社，2000:209～210．