LED點(diǎn)陣書寫顯示屏的設(shè)計(jì)

摘要：LED顯示屏的設(shè)計(jì)硬件主要由STC89C58單片機(jī)最小系統(tǒng)、32×32的雙色點(diǎn)陣顯示陣列、光筆、按鍵、液晶顯示屏等組成。雙色點(diǎn)陣中的紅色LED始終工作在微亮的掃描狀態(tài)，STC89C58單片機(jī)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(diǎn)亮，計(jì)算出光筆位置的行列坐標(biāo)，并根據(jù)按鍵設(shè)置的不同工作模式控制LED顯示，從而實(shí)現(xiàn)點(diǎn)亮、劃亮、反顯、清屏、筆畫拖動、輪流顯示等功能。顯示屏能根據(jù)環(huán)境光強(qiáng)自動調(diào)節(jié)顯示屏的顯示亮度，當(dāng)在設(shè)定時(shí)間內(nèi)光筆未接觸顯示屏或按鍵未按下時(shí)關(guān)閉所有顯示，并使系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，減少電能消耗，當(dāng)有按鍵按下時(shí)系統(tǒng)恢復(fù)運(yùn)行。
關(guān)鍵詞：STC89C58；LED雙色點(diǎn)陣；紅外光電三板管光筆

0 引言
    近年來，點(diǎn)陣LED顯示屏利用發(fā)光二極管構(gòu)成的點(diǎn)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(yīng)能力強(qiáng)、性能價(jià)格比高、使用成本低等特點(diǎn)，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(yīng)用于車站、賓館、金融、證券、郵電、體育等廣告發(fā)布或交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)。目前LED顯示屏的設(shè)計(jì)已經(jīng)有多種方法可以實(shí)現(xiàn)，本設(shè)計(jì)是基于STC89C58單片機(jī)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(diǎn)亮，計(jì)算出光筆位置的行列坐標(biāo)，并根據(jù)按鍵設(shè)置的不同工作模式控制LED顯示，從而實(shí)現(xiàn)點(diǎn)亮、劃亮、反顯、清屏、筆畫拖動、輪流顯示等功能。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
    用雙色LED點(diǎn)陣(紅色和綠色)模塊組合成32×32的LED點(diǎn)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(shí)依次點(diǎn)亮紅色LED，當(dāng)點(diǎn)亮到某個(gè)LED時(shí)，如果此時(shí)光筆放在該LED時(shí)，這時(shí)紅外光電三極管的阻值會發(fā)生變化，通過相應(yīng)的檢測電路可以得出一個(gè)高低電平的變化，單片機(jī)檢測到信號變化時(shí)就可以判斷光筆的當(dāng)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(qiáng)。采用雙色點(diǎn)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(jié)構(gòu)及單元模塊設(shè)計(jì)
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(diǎn)陣顯示、光筆及檢測電路、外界光照強(qiáng)度檢測電路、按鍵輸入電路、液晶顯示模塊等幾個(gè)部分組成。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

    單片機(jī)STC89C58片內(nèi)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(jī)性價(jià)比很高。系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

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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(diǎn)陣紅色LED燈點(diǎn)亮或熄滅的檢測；R6，RP1用于對Q2進(jìn)行限流，另外還可以調(diào)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(zhǔn)電壓值，通過它跟采集信息輸出來的電壓值進(jìn)行比較(U2>U3，U1=Umin)，R12是U3A的輸出上拉電阻。工作原理如下：當(dāng)紅光照到紅外光電三極管上時(shí)，紅外光電三極管的電阻變小，其射極電壓升高，此時(shí)2腳電壓比3腳電壓高，比較器1端輸出為低電平。當(dāng)電容C11充電一段時(shí)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(dāng)檢測到光信號時(shí)，該電路將產(chǎn)生一個(gè)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(gè)非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，為了更好的穩(wěn)定工作，必須添加適當(dāng)?shù)目垢蓴_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(gè)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(diǎn)陣顯示與驅(qū)動電路
    LED雙色(紅、綠)點(diǎn)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(shè)計(jì)需要一個(gè)32×32的雙色顯示，其顯示亮度、體積由設(shè)計(jì)者自行定義?？紤]到采購的因素，選擇由16塊8×8雙色點(diǎn)陣模塊組成32×32點(diǎn)陣顯示屏，利用由74HC154和74HC595芯片來驅(qū)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(gè)非線性元器件，當(dāng)它兩端的電壓達(dá)到一定的值后，通過它本身的電流會急劇上升?？紤]32×32點(diǎn)陣式由1 024個(gè)發(fā)光二極管組成，當(dāng)它們同時(shí)點(diǎn)亮?xí)r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(shí)點(diǎn)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(gè)固定電阻R9，將光照變化轉(zhuǎn)換為電壓變化，此電壓信號通過芯片AD833進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換(A／D)后，由5腳送入單片機(jī)處理，以控制亮度的調(diào)節(jié)。

    根據(jù)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(nèi)。光敏電阻RP隨光照變化的阻值變化為3～4 kΩ，由上式可計(jì)算出R9為3～4 kΩ，取R9=4 kΩ。
2．5 超時(shí)低功耗設(shè)計(jì)
    超時(shí)低功耗設(shè)計(jì)通過軟件實(shí)現(xiàn)，利用按鍵設(shè)定時(shí)間常數(shù)，當(dāng)在設(shè)定時(shí)間內(nèi)光筆未接觸顯示屏或按鍵未按下時(shí)關(guān)閉所有顯示，使系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，減少電能消耗，當(dāng)有按鍵按下時(shí)系統(tǒng)恢復(fù)運(yùn)行。
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3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    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(diào)試。為了編寫和調(diào)試的方便，程序使用模塊化設(shè)計(jì)，根據(jù)按鍵、光筆掃描、LED點(diǎn)陣顯示、LCD液晶顯示、亮度調(diào)節(jié)等功能分別設(shè)計(jì)程序，大大簡化了程序的設(shè)計(jì)和調(diào)試工作，節(jié)省設(shè)計(jì)周期。

    系統(tǒng)主程序流程圖如圖5所示。主程序開始對內(nèi)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(jìn)行光筆位置掃描、LED顯示緩沖區(qū)數(shù)據(jù)更新、LED點(diǎn)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(shí)器中斷子程序中進(jìn)行按鍵掃描，完成顯示模式的識別，相應(yīng)的顯示模式信息和光標(biāo)坐標(biāo)在液晶模塊上顯示。

4 系統(tǒng)測試
    本設(shè)計(jì)的測試要求與結(jié)果見表1。

    通過測試結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)該設(shè)計(jì)要求的點(diǎn)亮、劃亮、反顯、清屏、筆畫拖動、輪流顯示、顯示亮度調(diào)節(jié)、休眠模式等主要功能。

5 結(jié)論
    系統(tǒng)主要由微處理器STC89C58、32×32雙色LED點(diǎn)陣顯示、光筆及檢測電路、外界光照強(qiáng)度檢測電路、按鍵輸入電路、液晶顯示模塊等幾個(gè)部分組成。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)要求的點(diǎn)亮、劃亮、反顯、清屏、筆畫拖動、輪流顯示、顯示亮度調(diào)節(jié)、休眠模式等主要功能。在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，利用軟件和硬件相結(jié)合，充分發(fā)揮軟件編程的靈活性，并最大限度挖掘單片機(jī)的硬件資源。系統(tǒng)性價(jià)比高，運(yùn)行穩(wěn)定，能耗低，顯示效果好。