書寫式LED點陣顯示屏的設(shè)計

  摘要：本文設(shè)計了一套成本低廉，通過書寫筆可以輕松、簡便地輸入信息并顯示的裝置，以單片機(jī)為微控制器，以32×32點陣LED組成顯示模塊，結(jié)合行、列掃描驅(qū)動邏輯電路，編寫程序控制所有LED點工作在掃描微亮和穩(wěn)定點亮兩種狀態(tài)，用光敏三極管和比較器組成新型光筆，通過光筆檢測筆尖下方LED的掃描微亮光線使控制器進(jìn)入中斷并記錄當(dāng)前掃描點的坐標(biāo)編號，從而實現(xiàn)信息輸入和LED屏顯示控制。所設(shè)計的LED顯示屏無需數(shù)據(jù)傳輸通信，以光筆書寫方式輸入信息，不需要觸控器件，能夠?qū)崿F(xiàn)2s內(nèi)劃亮40點滿足書寫流暢的要求，可廣泛應(yīng)用于需要頻繁更改發(fā)布內(nèi)容的廣告顯示場合。
關(guān)鍵詞：LED點陣顯示屏；光電書寫筆；微亮掃描；光敏檢測

0 前言
    LED點陣顯示屏可以顯示變化的數(shù)字、文字、圖形圖像，動態(tài)范圍廣，亮度高，壽命長，工作穩(wěn)定可靠，已成為眾多顯示媒體以及戶外作業(yè)顯示的電子工具，廣泛應(yīng)用于車站、賓館、體育、金融、證券等廣告或交通運輸行業(yè)。LED點陣顯示屏一般由四個主要部分組成：微控制器主控單元、譯碼驅(qū)動電路、LED點陣電子屏、通信模塊。其中通信模塊通常是RS-485接口，甚至是GSM無線通信模塊，實現(xiàn)顯示屏與上位機(jī)的通信接收，顯示數(shù)據(jù)和發(fā)布信息。這種信息獲取方式需要聯(lián)機(jī)，有時不是十分方便，本文以2009年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽H題為要求，設(shè)計一套書寫式LED點陣顯示屏，通過手寫輕松、簡捷地輸入顯示內(nèi)容。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計
    常見的書寫筆是基于觸控技術(shù)構(gòu)成的輸入設(shè)備，由觸摸屏和書寫筆構(gòu)成，觸摸屏有矢量壓力傳感技術(shù)、電阻技術(shù)、電容技術(shù)、紅外線技術(shù)、表面聲波技術(shù)五種類型，價格昂貴。由于LED顯示屏本身具有點陣光源，結(jié)合光電傳感技術(shù)設(shè)計新型信息采集輸入電路，可節(jié)省觸控模塊的材料費用，同時亦可避免其透光差而影響顯示畫面的清晰度及長期使用后出現(xiàn)坐標(biāo)漂移、影響使用精度等缺點。
    書寫式LED點陣顯示系統(tǒng)分為微控制器單元、X／Y軸掃描驅(qū)動單元、LED點陣模塊和光筆傳感器單元等，結(jié)構(gòu)組成原理如圖1所示。系統(tǒng)中，1024個發(fā)光二極管以32×32的方式排列成LED點陣顯示模塊，工作于兩種狀態(tài)：a．由微控制器單元通過X、Y軸方向的掃描驅(qū)動單元逐行、逐列地輪流短時間點亮每個LED，使整個LED模塊處于掃描微亮狀態(tài)；b．由微控制器根據(jù)顯示內(nèi)容譯碼成為行、列控制信號將信息構(gòu)成點穩(wěn)定點亮。兩種狀態(tài)由微控制器以微觀時間片分時完成，宏觀上同時存在。掃描微亮狀態(tài)下每個LED點亮?xí)r配以唯一的編號，書寫時，當(dāng)某個LED的掃描微亮光線恰好被靠近的光筆尖內(nèi)置光敏三極管檢得時，光電流經(jīng)脈沖比較整形電路輸出下降沿信號，引起微控制器中斷，由中斷程序識別筆尖靠近的LED編號，并記入內(nèi)存顯示緩沖區(qū)待微控制器在穩(wěn)亮狀態(tài)處理。

    為了達(dá)到書寫流暢，設(shè)計在2s鐘內(nèi)劃亮40點，則任一點劃亮周期為50ms，這就是1024點的微亮掃描周期，以此計算得每點的掃描微亮?xí)r間大約為48 μs，這個時間由微控制器內(nèi)部定時器定時，由定時中斷服務(wù)程序完成LED編號和輪流點亮。微亮掃描時先從第1行開始逐列掃描，待第一行完成后再掃描第二行，以此類推直至掃描完最后一行再次循環(huán)。由于每點在50 ms重復(fù)點亮一次，只要光筆傳感器在某點停留時間超過50ms必將感應(yīng)到微亮光線而進(jìn)入中斷記錄該點坐標(biāo)。

2 電路設(shè)計
    基于上述原理分析，各部分電路設(shè)計如下。
2．1 微控制器單元設(shè)計
    單片機(jī)應(yīng)用簡單，軟件編程靈活，因而采用單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制器，具體選用MCS-51系列AT89S52作為本系統(tǒng)的核心器件。AT89S52指令執(zhí)行速度達(dá)到1MIPS，平均指令執(zhí)行時間在1～2 μs，能夠滿足本系統(tǒng)的應(yīng)用需要。同時，該型號單片機(jī)具有功能強(qiáng)大的位操作指令，采用Flash工藝制作，具有ISP線上編程功能，大大方便系統(tǒng)的調(diào)試，程序的存儲空間達(dá)8kB，I／O口均可按位尋址為設(shè)計任務(wù)打下基礎(chǔ)。微控制器單元包括單片機(jī)、晶振電路、復(fù)位電路。復(fù)位電路由RC充電網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，選用10μF極性電容和1kΩ電阻，開機(jī)上電時在電容負(fù)極性端產(chǎn)生至少2
個機(jī)器周期的高電平輸入RST完成復(fù)位。為了定時準(zhǔn)確，晶振電路選12MHz，可產(chǎn)生精確到μs級的時隙，方便定時操作。另外，本系統(tǒng)通過I ／O口驅(qū)動按鍵用于清屏操作。
2．2 X／Y軸掃描邏輯單元
    通常LED點陣顯示屏采用74LS595進(jìn)行掃描驅(qū)動，每片可驅(qū)動8列，驅(qū)動32列需要4片，同時每列數(shù)據(jù)串行輸入，邏輯電路移位造成速度過低。因此，本設(shè)計中采用4片74LS373鎖存器對LED點陣X軸方向進(jìn)行列掃描，將LED點陣顯示屏作為外部RAM驅(qū)動，以MOVX指令對總線操作一次完成一列掃描，指令執(zhí)行占用2個機(jī)器周期，對于12MHz晶振，在2 μs刷新一次列掃描數(shù)據(jù)，可保證每點點亮48 μs，達(dá)到書寫流暢的要求。本設(shè)計中將74LS373的鎖存控制端EA和LE輪流鎖存來使各4個8位LED點亮或熄滅。
    采用2片4-16譯碼器74LS154對LED點陣在Y軸方向進(jìn)行行掃描。對兩片74LS154輪流輸入控制信號來實現(xiàn)對每一行的輪流顯示控制，可大大簡化控制難度，提高掃描速度。由于所選用的LED最大電流為10mA，而74LS154最大灌電流為14mA，正常工作下全屏顯示需要同時輸入32個LED的電流，因此設(shè)計中以74LS154控制三級管8550的通斷來泄流，三極管8550集電極電流可達(dá)到100mA，以其發(fā)射極接LED的陰極。

2．3 光筆傳感器單元電路
    根據(jù)設(shè)計要求，2s內(nèi)點亮40個LED點，因此必須在48 μs內(nèi)掃描1個LED并完成外部中斷的判斷，故光筆的響應(yīng)時間必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于48 μs。光敏三極管的響應(yīng)時間為5～10 μs，當(dāng)光強(qiáng)改變時，單片機(jī)就能檢測到它的變化，可以滿足設(shè)計要求。光筆傳感器單元電路如圖4所示。由光敏三極管檢測掃描微亮光線，將光電流轉(zhuǎn)換為瞬變電壓，通過由LM393組成的比較整形電路輸出脈沖。其中整形電路參考電位由電位器提供，可用來調(diào)節(jié)光筆靈敏度。當(dāng)光筆(光敏三極管)檢測不到有突變光強(qiáng)時，光敏三極管因暗電流而內(nèi)阻很大，LM393輸出高電平。當(dāng)光強(qiáng)的突變產(chǎn)生光電流信號經(jīng)此單元處理后得到下降沿信號送入單片機(jī)P3．2時端口可觸發(fā)單片機(jī)外部中斷。

3 程序設(shè)計
    系統(tǒng)程序模塊分為前臺程序和后臺程序，前臺程序即系統(tǒng)主程序，除進(jìn)行系統(tǒng)定時器、中斷初始化外，主要負(fù)責(zé)從內(nèi)存顯示緩沖區(qū)讀取顯示信息所對應(yīng)的LED點坐標(biāo)，然后驅(qū)動LED穩(wěn)定點亮。后臺程序由定時器中斷子程序、光筆檢測中斷子程序兩個部分。定時器定時48 μs，中斷修改掃描編號和調(diào)整掃描坐標(biāo)完成一個LED點的微亮掃描。光筆檢測中斷子程序完成讀取當(dāng)前微亮掃描LED的編號并記入內(nèi)存顯示緩沖區(qū)。在系統(tǒng)中斷優(yōu)先級設(shè)置上以光筆中斷優(yōu)先高于定時器。程序結(jié)構(gòu)流程如圖5所示。

4 設(shè)計成果測試及進(jìn)一步開發(fā)展望
    測試儀器主要有：直流穩(wěn)壓源YB1730、萬用表SJ47、數(shù)字示波器TDS2022B、函數(shù)信號發(fā)生器等。在室內(nèi)常態(tài)光強(qiáng)下，環(huán)境溫度為常溫25℃，無強(qiáng)電磁干擾，由市電220V供電，通過直流穩(wěn)壓源轉(zhuǎn)化為+5V對系統(tǒng)供電，打開系統(tǒng)總電源，仔細(xì)觀察LED無閃動現(xiàn)象，此時已工作
在掃描微亮狀態(tài)，用光筆放在LED點陣的某個點上，則此LED點亮，并且無閃動現(xiàn)象。繼續(xù)測試其它LED，同樣點亮，且無閃動，則實現(xiàn)點亮功能。當(dāng)光筆在屏上快速劃過時，能同步點亮劃過的各點LED，速度達(dá)到2s內(nèi)能點亮40點。
    本系統(tǒng)利用AT89S52對1024個LED分時掃描微亮，由光筆傳感器檢測微亮光線實現(xiàn)書寫點坐標(biāo)的識別，然后由主程序穩(wěn)定顯示輸入的信息，充分利用LED光源特性和單片機(jī)內(nèi)部定時器、中斷系統(tǒng)資源，設(shè)計原理科學(xué)，構(gòu)思巧妙，以低廉的成本和邏輯性極強(qiáng)的程序?qū)崿F(xiàn)書寫輸入式LED顯示屏的設(shè)計，具有強(qiáng)的可擴(kuò)展性，應(yīng)用前景廣闊。