LED點陣書寫顯示屏的設(shè)計

摘 要：LED顯示屏的設(shè)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(jù)按鍵設(shè)置的不同工作模式控制LED顯示，從而實現(xiàn)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(jù)環(huán)境光強自動調(diào)節(jié)顯示屏的顯示亮度，當(dāng)在設(shè)定時間內(nèi)光筆未接觸顯示屏或按鍵未按下時關(guān)閉所有顯示，并使系統(tǒng)進入休眠狀態(tài)，減少電能消耗，當(dāng)有按鍵按下時系統(tǒng)恢復(fù)運行。

關(guān)鍵詞：STC89C58； LED雙色點陣； 紅外光電三極管光筆

中圖分類號：

TN873-34

文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2011)19

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Design of LED Dot Matrix Writing Display Screen

WANG Ai1， SHE Dan-ni2

(1.Hunan Industry Polytechnic， Changsha 410208， China; 2.Donghua University， Shanghai 201620， China)

Abstract： The hardware of this design is consisted of minimum system of STC89C58 MCU， 32 x 32 double-color dot matrix display array， light pen， buttons， LCD etc. The red LED in double color dot matrix is always working in slightly bright scanning state. STC89C58 MCU uses the infrared light electric triode of the self-made pen to detect where the red pen is touching and whether the LED lamp lights in that position is on or off. It calculates the coordinate of the pen and control the condition of LED according to the different working modes which are controlled by the buttons， so as to realize functions such as the light， scratched， reverse， screen clearing， stroke drag and display in turn. The screen can automatically adjust the screen brightness according to environmental light. If the screen is not contacted or the buttons are not pressed during the setting time， it would close all show and make the system into dormant to reduce electricity consumption. Pressing the button， the system would recover.

Keywords： STC89C58; LED double color dot matrix; infrared light electric triode light pen

收稿日期：2011-05-10

0 引 言

近年來，點陣LED顯示屏利用發(fā)光二極管構(gòu)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(yīng)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(yīng)用于車站、賓館、金融、證劵、郵電、體育等廣告發(fā)布或交通運輸?shù)刃袠I(yè)。目前LED 顯示屏的設(shè)計已經(jīng)有多種方法可以實現(xiàn)，本設(shè)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(jù)按鍵設(shè)置的不同工作模式控制LED顯示，從而實現(xiàn)點亮、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(dāng)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(yīng)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(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。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(jié)構(gòu)及單元模塊設(shè)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(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

單片機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；R6，RP1用于對Q2進行限流，另外還可以調(diào)節(jié)RP1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=Umin)，R12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，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(dāng)電容C11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(dāng)檢測到光信號時，該電路將產(chǎn)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(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(qū)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(shè)計需要一個32×32的雙色顯示，其顯示亮度、體積由設(shè)計者自行定義。考慮到采購的因素，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(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是一個非線性元器件，當(dāng)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。考慮32×32點陣式由1 024個發(fā)光二極管組成，當(dāng)它們同時點亮?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，同時點亮兩行，有：I=20×64=1 280 mA。

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RP串聯(lián)一個固定電阻R9，將光照變化轉(zhuǎn)換為電壓變化，此電壓信號通過芯片AD833 進行模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D)后，由5腳送入單片機處理，以控制亮度的調(diào)

可見選擇不同的R9的阻值可改變Vin的大小，使輸入信號在合適的范圍之內(nèi)。光敏電阻RP隨光照變化的阻值變化為3~4 kΩ，由上式可計算出R9為3~4 kΩ，取R9=4 kΩ。

2.5 超時低功耗設(shè)計

超時低功耗設(shè)計通過軟件實現(xiàn)，利用按鍵設(shè)定時間常數(shù)，當(dāng)在設(shè)定時間內(nèi)光筆未接觸顯示屏或按鍵未按下時關(guān)閉所有顯示，使系統(tǒng)進入休眠狀態(tài)，減少電能消耗，當(dāng)有按鍵按下時系統(tǒng)恢復(fù)運行。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件采用C語言編程，軟件在Keil μV3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，根據(jù)按鍵、光筆掃描、LED點陣顯示、LCD液晶顯示、亮度調(diào)節(jié)等功能分別設(shè)計程序，大大簡化了程序的設(shè)計和調(diào)試工作，節(jié)省設(shè)計周期。

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)中進行光筆位置掃描、LED顯示緩沖區(qū)數(shù)據(jù)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(yīng)的顯示模式信息和光標坐標在液晶模塊上顯示。

圖5 軟件主程序流程圖

4 系統(tǒng)測試

本設(shè)計的測試要求與結(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)計要求的點亮、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。

表1 測試要求與結(jié)果

測試項目測試要求實際完成情況

點亮、劃亮、反顯、屏幕清楚、筆畫擦除基本要求：完成點亮、劃亮、反顯、整屏清除。發(fā)揮部分：筆畫擦除連寫。能進行點亮、劃亮(達到2 s 40個點)、整屏清除和筆畫擦除。

對象拖移能用光筆將選定顯示內(nèi)容在屏上進行拖移。先用光筆以“劃亮”方式在屏上圈定欲拖移顯示對象，再用光筆將該對象拖移到屏上另一位置。能用光筆將選定顯示內(nèi)容在屏上進行拖移。

連寫多字能結(jié)合自選的擦除方式，在30 s內(nèi)在屏上以“劃亮”方式逐個寫出四個漢字(總筆畫數(shù)不大于30)且存入機內(nèi)，寫完后再將所存四字在屏上逐個輪流顯示。在25 s內(nèi)在屏上依次寫出四個漢字如“大、小、學(xué)、生”存入機內(nèi)，寫完后所存四字能在屏上逐個輪流顯示。

屏亮自動調(diào)節(jié)當(dāng)環(huán)境光強改變時，能自動連續(xù)調(diào)節(jié)屏上顯示亮度。系統(tǒng)轉(zhuǎn)移至黑暗后，顯示屏亮度明顯下降，反之亦然。

超時關(guān)顯示節(jié)電1～5 min時(此時間可由控制器設(shè)定)，能自動關(guān)閉屏上顯示，并使整個系統(tǒng)進入休眠狀態(tài)，此時系統(tǒng)工作電流應(yīng)不大于5 mA。可根據(jù)設(shè)定時間進入休眠狀態(tài)。休眠系統(tǒng)電流為3.5 mA。

5 結(jié) 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?qū)崿F(xiàn)要求的點亮、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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