基于單片機STC11F32的LED點陣書寫顯示屏的設計

王海燕 高之圣 徐江海

(淮安信息職業技術學院，江蘇 淮安 223003)

1 引言

LED點陣電子顯示屏制作簡單，安裝方便，被廣泛應用于各種公共場合，但是這種電子顯示屏只能做單一的“顯示”作用，顯示內容的更改、擦除等功能的實現都要在上位機上實現。能否用LED點陣顯示屏實現“書寫”功能，本文基于這一想法，設計并制作一個基于32×32點陣LED模塊的書寫顯示屏，基本結構如圖1。

主要采用STC11F32單片機為主控制器，通過自制光筆在屏上實現“點亮、劃亮、反顯、整屏擦除、筆畫擦除、連寫多字、對象拖移”等書寫顯示功能。

圖1 LED點陣書寫顯示屏系統結構示意圖

2 設計方案論證

2.1 光筆設計方案

光筆設計是本課題設計的關鍵之一，需要有很高的靈敏度和快速的響應時間，需要選取合適的光電傳感器和檢測電路。

方案一:采用光敏電阻作為光電檢測傳感器，結構簡單、使用方便、成本低，但光敏電阻的響應時間較長。

方案二:采用光敏二極管，與光敏電阻相比有較快的響應時間。

方案三:采用光敏三極管，其工作原理與光敏二極管相似，光敏三極管對電信號還有放大的功能，響應時間快，靈敏度更高。故選擇光敏三極管作為光筆的檢測部件。

2.2 點陣驅動方案設計

要實現手寫顯示功能，需要識別光筆劃過的點的坐標，需要對行和列都進行編碼掃描，才能確定坐標點，用譯碼器的輸出作為行和列的控制信息。譯碼器選用低功耗高速芯片74HC154，74HC154是4～16譯碼器，可以減少電路之間的連線。

2.3 控制芯片的選擇

控制芯片是系統的核心，光電檢測、點陣驅動等功能的實現都由其完成，因此選擇合適的控制芯片是設計的關鍵。

方案一:使用51系列單片機。51單片機應用廣泛，比較熟悉，但運算速度相對較慢、內部數據存儲器空間較少。

方案二:使用ARM或 FPGA。它們運算速度、控制功能都比較強大，但成本較高。

方案三:使用STC系列單片機。該系列單片機與51單片機完全兼容，在同樣時鐘頻率條件下運行速度是51單片機的12倍，內部最大RAM空間達1280B。

從成本和使用熟練情況來考慮選擇方案三，設計中使用STC11F32，內部RAM1280B，程序存儲器32KB，完全滿足本課題設計需要。

3 系統硬件設計

3.1 系統的總體設計

系統框圖如圖2所示:

圖2 系統框圖

3.2 單元模塊的設計及參數計算

(1)光筆的設計

光筆電路如圖3所示。其基本原理是 U1B、R2、R3構成一恒流源，I=Vcc/R2=5/1000=5mA，光敏三極管通過觸碰開關S與R3并聯，S斷開時光敏三極管不起作用，U1B輸出一固定電壓，當S閉合并有光照時，光敏三極管與R3并聯，并聯的電阻將減小許多，使U1B輸出減小，U1B的輸出作為U1C的輸入，U1C和R4構成一個比較器，U1B的輸出變化時將引起比較器翻轉。當光筆在顯示屏碰觸閉合，遇到光點時比較器有翻轉信號輸出，送給單片機識別。

圖3 光筆電路原理

(2)32×32LED點陣的連接及驅動控制電路

32×32 LED點陣的行信息控制用2片74HC154，構成5—32譯碼器，單片機口線控制其譯碼輸出。列的微亮掃描、點亮也分別用2片74HC154，4個片選分別單獨控制，微亮掃描 (2.5V)、點亮(5V)電源分別通過三極管構成的開關加到點陣的列控制端。由于整屏顯示是1024個燈循環亮，為提高顯示亮度，限流電阻取51歐姆，電路如圖4所示。

微亮掃描時流過 LED的電流為:(2.5－1.8)/51=13.7mA

圖4 點陣及其驅動電路

圖5 超時關顯示

點亮點陣時流過LED的電流為:(5－1.8)/51=62.7mA

(3)顯示電路部分功能及原理

液晶顯示電路如圖6所示。用三位口線分別作為液晶顯示模塊的片選 (/CS)、寫控制 (/WR)、數據線 (DATA)。

(4)光照檢測與顯示亮度調節電路

基本原理是用LM358與光敏電阻構成一恒流源電路，該恒定電流流入光敏電阻，當光敏電阻在強光狀態下，其亮阻很小，其上壓降較低，通過電位器向9012基極輸出較低的導通電壓，LED屏發光強度達到最大狀態;反之，當光敏電阻處于較暗狀態下，其暗阻較大，光敏電阻上壓降較大，送到9012基極電位較高，導通程度降低，LED屏發光強度隨著光照強度逐漸降低。

(5)超時關顯示電路

超時關顯示電路如圖5所示。用單片機的一個口控制三極管的導通和截止，三極管基極電阻2K，在正常工作時口輸出低電平時，基極電流遠大于管子的飽和電流，使三極管飽和導通，使繼電器吸合，5V電源通過繼電器觸點供給包括顯示電路在內的其他電路;當超時進入休眠狀態時，單片機口輸出高電平，三極管截止，切斷后級電路電源。

4 系統軟件設計

4.1 主程序

主程序包括系統初始化，點陣掃描控制，液晶顯示，以及“反顯”、“擦除”等功能下數據處理程序，流程圖如圖6a所示。其中點陣掃描控制程序，微亮掃描控制由單片機口控制對以譯碼器的片選和地址輸入，使點陣按行列有規律地循環點亮，由圖4知點亮顯示的列控制信息譯碼地址與微亮連接在一起，控制點亮的工作過程是通過判斷點陣顯示緩沖內容對應位的信息，控制其片選，當需要點亮時，控制片選有效，反之，控制片選無效，利用微亮掃描過程實現點亮控制。

4.2 外中斷0服務程序 (坐標檢測)

外中斷0是作為光筆的檢測使用，由圖3知，光筆碰觸顯示屏過程中，遇到發光點輸出翻轉的跳變信號，送給單片機中斷，作為中斷的觸發信號，由于中斷程序優先執行，打斷微亮掃描過程，在中斷服務程序中根據此時的行列掃描的序號，就可判斷光點的坐標，進而為其他功能的實現提供依據，流程圖如圖6b所示。

4.3 外中斷1服務程序 (按鍵處理)

外中斷1為按鍵操作處理程序，按鍵功能前已述及，故略。

圖6

4.4 定時器0服務程序 (超時關顯示計時)

將定時器設置為反復定時10毫秒，在其數中斷次數，到100次即為1S，控制顯示器時間變化 (程序框圖略)。

5 結論

本課題使用光電三極管作為光筆的主要檢測器件，靈敏度高，響應速度快，很好地解決了關鍵部件的設計問題。應用74HC154譯碼器設計32×32點陣的行列驅動控制信號，掃描速度滿足設計要求。實現了設計要求的點亮、劃亮、反顯、筆畫擦除、整屏擦除、連字多寫、對象拖移、亮度連續調節、超時休眠關顯示等功能。設計的電路簡捷，成本低，充分發揮芯片的功能，系統性價比較高。

［1］全國大學生電子設計競賽組委會．2009年全國大學生電子設計競賽試題 ［EB/OL］．http:∥www．nuedc．com．cn/，2009．

［2］黃智偉．全國大學生電子設計競賽訓練教程 ［M］．北京:電子工業出版社，2005．

［3］諸昌鈐．LED顯示屏系統原理及工程技術 ［M］．成都:電子科技大學出版社，2000:209～210．