書寫式LED點陣顯示屏的設計

  摘要：本文設計了一套成本低廉，通過書寫筆可以輕松、簡便地輸入信息并顯示的裝置，以單片機為微控制器，以32×32點陣LED組成顯示模塊，結合行、列掃描驅動邏輯電路，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入中斷并記錄當前掃描點的坐標編號，從而實現(xiàn)信息輸入和LED屏顯示控制。所設計的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，能夠實現(xiàn)2s內劃亮40點滿足書寫流暢的要求，可廣泛應用于需要頻繁更改發(fā)布內容的廣告顯示場合。
關鍵詞：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，有時不是十分方便，本文以2009年全國大學生電子設計競賽H題為要求，設計一套書寫式LED點陣顯示屏，通過手寫輕松、簡捷地輸入顯示內容。

1 系統(tǒng)方案設計
    常見的書寫筆是基于觸控技術構成的輸入設備，由觸摸屏和書寫筆構成，觸摸屏有矢量壓力傳感技術、電阻技術、電容技術、紅外線技術、表面聲波技術五種類型，價格昂貴。由于LED顯示屏本身具有點陣光源，結合光電傳感技術設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軸掃描驅動單元、LED點陣模塊和光筆傳感器單元等，結構組成原理如圖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)顯示內容譯碼成為行、列控制信號將信息構成點穩(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點亮時配以唯一的編號，書寫時，當某個LED的掃描微亮光線恰好被靠近的光筆尖內置光敏三極管檢得時，光電流經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，并記入內存顯示緩沖區(qū)待微控制器在穩(wěn)亮狀態(tài)處理。

    為了達到書寫流暢，設計在2s鐘內劃亮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時間大約為48 μs，這個時間由微控制器內部定時器定時，由定時中斷服務程序完成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必將感應到微亮光線而進入中斷記錄該點坐標。[!--empirenews.page--]

2 電路設計
    基于上述原理分析，各部分電路設計如下。
2．1 微控制器單元設計
    單片機應用簡單，軟件編程靈活，因而采用單片機作為系統(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)的應用需要。同時，該型號單片機具有功能強大的位操作指令，采用Flash工藝制作，具有ISP線上編程功能，大大方便系統(tǒng)的調試，程序的存儲空間達8kB，I／O口均可按位尋址為設計任務打下基礎。微控制器單元包括單片機、晶振電路、復位電路。復位電路由RC充電網絡構成，選用10μF極性電容和1kΩ電阻，開機上電時在電容負極性端產生至少2
個機器周期的高電平輸入RST完成復位。為了定時準確，晶振電路選12MHz，可產生精確到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進行掃描驅動，每片可驅動8列，驅動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，本設計中采用4片74LS373鎖存器對LED點陣X軸方向進行列掃描，將LED點陣顯示屏作為外部RAM驅動，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，達到書寫流暢的要求。本設計中將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集電極電流可達到100mA，以其發(fā)射極接LED的陰極。

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2．3 光筆傳感器單元電路
    根據(jù)設計要求，2s內點亮40個LED點，因此必須在48 μs內掃描1個LED并完成外部中斷的判斷，故光筆的響應時間必須遠遠小于48 μs。光敏三極管的響應時間為5～10 μs，當光強改變時，單片機就能檢測到它的變化，可以滿足設計要求。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，可用來調節(jié)光筆靈敏度。當光筆(光敏三極管)檢測不到有突變光強時，光敏三極管因暗電流而內阻很大，LM393輸出高電平。當光強的突變產生光電流信號經此單元處理后得到下降沿信號送入單片機P3．2時端口可觸發(fā)單片機外部中斷。

3 程序設計
    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，除進行系統(tǒng)定時器、中斷初始化外，主要負責從內存顯示緩沖區(qū)讀取顯示信息所對應的LED點坐標，然后驅動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整掃描坐標完成一個LED點的微亮掃描。光筆檢測中斷子程序完成讀取當前微亮掃描LED的編號并記入內存顯示緩沖區(qū)。在系統(tǒng)中斷優(yōu)先級設置上以光筆中斷優(yōu)先高于定時器。程序結構流程如圖5所示。

4 設計成果測試及進一步開發(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。在室內常態(tài)光強下，環(huán)境溫度為常溫25℃，無強電磁干擾，由市電220V供電，通過直流穩(wěn)壓源轉化為+5V對系統(tǒng)供電，打開系統(tǒng)總電源，仔細觀察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。當光筆在屏上快速劃過時，能同步點亮劃過的各點LED，速度達到2s內能點亮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光源特性和單片機內部定時器、中斷系統(tǒng)資源，設計原理科學，構思巧妙，以低廉的成本和邏輯性極強的程序實現(xiàn)書寫輸入式LED顯示屏的設計，具有強的可擴展性，應用前景廣闊。