摘要：LED顯示屏的設計硬件主要由STC89C58單片機最小系統(tǒng)、32×32的雙色點陣顯示陣列、光筆、按鍵、液晶顯示屏等組成。雙色點陣中的紅色LED始終工作在微亮的掃描狀態(tài)，STC89C58單片機利用自制的光筆中紅外光電三極管檢測光筆觸及位置處紅色LED燈的點亮，計算出光筆位置的行列坐標，并根據按鍵設置的不同工作模式控制LED顯示，從而實現點亮、劃亮、反顯、清屏、筆畫拖動、輪流顯示等功能。顯示屏能根據環(huán)境光強自動調節(jié)顯示屏的顯示亮度，當在設定時間內光筆未接觸顯示屏或按鍵未按下時關閉所有顯示，并使系統(tǒng)進入休眠狀態(tài)，減少電能消耗，當有按鍵按下時系統(tǒng)恢復運行。
關鍵詞：STC89C58；LED雙色點陣；紅外光電三板管光筆
0 引言
近年來，點陣LED顯示屏利用發(fā)光二極管構成的點陣模塊或像素單元組成可變面積的顯示屏幕，以可靠性高、使用壽命長、環(huán)境適應能力強、性能價格比高、使用成本低等特點，已成為眾多顯示媒體以及戶外作業(yè)顯示的電子工具，廣泛地應用于車站、賓館、金融、證券、郵電、體育等廣告發(fā)布或交通運輸等行業(yè)。目前LED顯示屏的設計已經有多種方法可以實現，本設計是基于STC89C58單片機利用自制的光筆中紅外光電三極管檢測光筆觸及位置處紅色LED燈的點亮，計算出光筆位置的行列坐標，并根據按鍵設置的不同工作模式控制LED顯示，從而實現點亮、劃亮、反顯、清屏、筆畫拖動、輪流顯示等功能。
1 系統(tǒng)設計方案
用雙色LED點陣(紅色和綠色)模塊組合成32×32的LED點陣屏。其中紅色LED作微亮掃描檢測用，綠色LED作顯示用，用紅外光電三極管自制光筆。在檢測時依次點亮紅色LED，當點亮到某個LED時，如果此時光筆放在該LED時，這時紅外光電三極管的阻值會發(fā)生變化，通過相應的檢測電路可以得出一個高低電平的變化，單片機檢測到信號變化時就可以判斷光筆的當前位置。
該方案簡單易行，對光筆位置判斷的靈敏度較高，抗外界干擾能力強。采用雙色點陣和紅外光電三極管能夠有效地減少環(huán)境可見光和顯示LED(綠色)所發(fā)的光線對光筆中光電三極管的干擾。
2 系統(tǒng)結構及單元模塊設計
2．1 系統(tǒng)總體框圖
系統(tǒng)主要由微處理器STC89C58，32×32雙色LED點陣顯示、光筆及檢測電路、外界光照強度檢測電路、按鍵輸入電路、液晶顯示模塊等幾個部分組成。系統(tǒng)硬件結構框圖如圖1所示。
單片機STC89C58片內有1 KB的片外RAM，能夠滿足保存四屏顯示信息要求，該單片機性價比很高。系統(tǒng)原理圖如圖2所示。
2．2 光筆及檢測電路
用紅外光電三極管自制光筆，光筆檢測電路如圖3所示。圖中Q2是用紅外光電三極管，用來完成對32×32點陣紅色LED燈點亮或熄滅的檢測；R6，RP1用于對Q2進行限流，另外還可以調節(jié)RP1來提高或減小輸出的電壓值；R7，R8是用于給U3A(比較器)的同相端提供基準電壓值，通過它跟采集信息輸出來的電壓值進行比較(U2>U3，U1=Umin)，R12是U3A的輸出上拉電阻。工作原理如下：當紅光照到紅外光電三極管上時，紅外光電三極管的電阻變小，其射極電壓升高，此時2腳電壓比3腳電壓高，比較器1端輸出為低電平。當電容C11充電一段時間之后，比較器2腳電壓比3腳電壓低，比較器1端輸出為高電平。由此，當檢測到光信號時，該電路將產生一個脈沖信號。由于在電路中加了耦合電容，可有效地防止環(huán)境對光筆的影響。
在本系統(tǒng)中，光筆是一個非常重要的一個環(huán)節(jié)，為了更好的穩(wěn)定工作，必須添加適當的抗干擾措施。在信號傳輸方面采用屏蔽軟同軸銅線，在紅外光電三極管外圍套加黑色熱縮管，紅外光電三極管比單個LED燈的直徑小，以確保少受外界紅外線的干擾。
2．3 LED雙色點陣顯示與驅動電路
LED雙色(紅、綠)點陣的型號有很多，其中最為常用的有4×4，8×8，16×16式模塊，本設計需要一個32×32的雙色顯示，其顯示亮度、體積由設計者自行定義?？紤]到采購的因素，選擇由16塊8×8雙色點陣模塊組成32×32點陣顯示屏，利用由74HC154和74HC595芯片來驅動顯示，由串行口工作在模式0(速度快)將顯示信息快速送入74HC595。
LED是一個非線性元器件，當它兩端的電壓達到一定的值后，通過它本身的電流會急劇上升?？紤]32×32點陣式由1 024個發(fā)光二極管組成，當它們同時點亮時的電流很大，必須考慮電源供電能力。一般LED的電流值為5～20 mA，取最大值20 mA，同時點亮兩行，有：I=20×64= 1 280mA。
2．4 外界光照檢測電路
外界光照檢測電路如圖4所示。電路采用光敏電阻RP串聯(lián)一個固定電阻R9，將光照變化轉換為電壓變化，此電壓信號通過芯片AD833進行模數轉換(A／D)后，由5腳送入單片機處理，以控制亮度的調節(jié)。
根據分壓原理，有：
可見選擇不同的R9的阻值可改變Vin的大小，使輸入信號在合適的范圍之內。光敏電阻RP隨光照變化的阻值變化為3～4 kΩ，由上式可計算出R9為3～4 kΩ，取R9=4 kΩ。
2．5 超時低功耗設計
超時低功耗設計通過軟件實現，利用按鍵設定時間常數，當在設定時間內光筆未接觸顯示屏或按鍵未按下時關閉所有顯示，使系統(tǒng)進入休眠狀態(tài)，減少電能消耗，當有按鍵按下時系統(tǒng)恢復運行。
3 系統(tǒng)軟件設計
系統(tǒng)的軟件采用C語言編程，軟件在KeilμV3編程環(huán)境中編寫和調試。為了編寫和調試的方便，程序使用模塊化設計，根據按鍵、光筆掃描、LED點陣顯示、LCD液晶顯示、亮度調節(jié)等功能分別設計程序，大大簡化了程序的設計和調試工作，節(jié)省設計周期。
系統(tǒng)主程序流程圖如圖5所示。主程序開始對內部功能寄存器、端口、液晶顯示模塊等初始化，然后在主循環(huán)中進行光筆位置掃描、LED顯示緩沖區(qū)數據更新、LED點陣輸出、液晶模塊輸出、可見光亮度檢測、低功耗判斷等功能。在定時器中斷子程序中進行按鍵掃描，完成顯示模式的識別，相應的顯示模式信息和光標坐標在液晶模塊上顯示。
4 系統(tǒng)測試
本設計的測試要求與結果見表1。
通過測試結果表明，系統(tǒng)能夠實現該設計要求的點亮、劃亮、反顯、清屏、筆畫拖動、輪流顯示、顯示亮度調節(jié)、休眠模式等主要功能。
5 結論
系統(tǒng)主要由微處理器STC89C58、32×32雙色LED點陣顯示、光筆及檢測電路、外界光照強度檢測電路、按鍵輸入電路、液晶顯示模塊等幾個部分組成。系統(tǒng)能夠實現要求的點亮、劃亮、反顯、清屏、筆畫拖動、輪流顯示、顯示亮度調節(jié)、休眠模式等主要功能。在系統(tǒng)的設計過程中，利用軟件和硬件相結合，充分發(fā)揮軟件編程的靈活性，并最大限度挖掘單片機的硬件資源。系統(tǒng)性價比高，運行穩(wěn)定，能耗低，顯示效果好。
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