基于32×32点阵LED模块书写显示屏的设计
基于32×32点阵LED模块书写显示屏的设计
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一、设计任务及要求
　　设计并制作一个基于32&32点阵LED模块的书写显示屏，其系统结构如下图所示。在控制器的管理下，LED点阵模块显示屏工作在人眼不易觉察的扫描微亮和人眼可见的显示点亮模式下；当光笔触及LED点阵模块表面时，先由光笔检测触及位置处LED点的扫描微亮以获取其行列坐标，再依据功能需求决定该坐标处的LED是否点亮至人眼可见的显示状态(如图1中光笔接触处的深色LED点已被点
　　一、设计任务及要求
　　设计并制作一个基于32&32点阵LED模块的书写显示屏，其系统结构如下图所示。在控制器的管理下，LED点阵模块显示屏工作在人眼不易觉察的扫描微亮和人眼可见的显示点亮模式下；当光笔触及LED点阵模块表面时，先由光笔检测触及位置处LED点的扫描微亮以获取其行列坐标，再依据功能需求决定该坐标处的LED是否点亮至人眼可见的显示状态(如图1中光笔接触处的深色LED点已被点亮)，从而在屏上实现&点亮、划亮、反显、整屏擦除、笔画擦除、连写多字、对象拖移&等书写显示功能。
　　1．基本要求　　　　(1)在&点亮&功能下，当光笔接触屏上某点LED时，能即时点亮该点LED，并在控制器上同步显示该点LED的行列坐标值(左上角定为行列坐标原点)。　　　　(2)在&划亮&功能下，当光笔在屏上快速划过时，能同步点亮划过的各点LED，其速度要求2s内能划过并点亮40点LED。　　　　(3)在&反显&功能下，能对屏上显示的信息实现反相显示(即：字体笔画处不亮，无笔画处高亮。　　　　(4)在&整屏擦除&功能下，能实现对屏上所显示信息的整屏擦除。　　　　2．发挥部分　　　　(1)在&笔画擦除&功能下，能用光笔擦除屏上所显汉字的笔画。　　　　(2)在&连写多字&功能下，能结合自选的擦除方式，在30s内在屏上以&划亮&方式逐个写出四个汉字(总笔画数不大于30)且存入机内，写完后再将所存四字在屏上逐个轮流显示。　　　　(3)在&对象拖移&功能下，能用光笔将选定显示内容在屏上进行拖移。先用光笔以&划亮&方式在屏上圈定欲拖移显示对象，再用光笔将该对象拖移到屏上另一位置。　　　　(4)当环境光强改变时，能自动连续调节屏上显示亮度。　　　　(5)当光笔连续未接触屏面的时间超过1～5min时(此时间可由控制器设定)，能自动关闭屏上显示，并使整个系统进入休眠状态，此时系统工作电流应不大于5mA。
　　二、系统方案论证与选择
　　根据要求，LED点阵书写显示屏由主控模块、光笔电路、键盘电路、显示模块、电源模块和32&32LED点阵屏模块等组成。系统方框图如下图所示。
　　1．主控CPU的比较与选择　　　　为了完成扫描全屏和汉字的坐标的存储，主控器件必须有较高的CPU工作频率和有储量较大的RAM。　　　　方案一：采用A189C51作为主控器件，用来实现题目所要求的各种功能。此方案最大的特点是系统规模可以做得很小，成本较低。但是AT89C51的CPtj工作频率较低，RAM存储区较小，实现&点亮，&连写多字&和&对象拖移&三个功能实现较复杂。　　　　方案二：采用CPLD(EPM240T100C5)作为核心控制，CPLD具有丰富的I／O口、内部逻辑和连线资源，运行速度快，能够显示大量的信息，但CPLD实现运算功能较复杂。但在该系统中，需要显示的信息量较少，但是控制和运算功能较多，用CPLD实现一些运算功能较复杂。　　　　方案三：采用STM32(STM32F103VCT6)作为核心控制，STM32 F=103VCT6具有多功能定时器、低功耗、速度高、256KHz嵌入式闪存寄存器，稳定性强等特点，具有最高72MHz的CPU工作频率和很强的控制和运算能力，能够实现点阵屏的高速扫描和一些复杂的控制和运算功能，满足题目要求。　　　　为了能够很好的完成题目的基本要求以及发挥部分，经综合考虑后本系统采用方案三。　　　　2．光笔检测的比较与选择　　　　方案一：采用光敏电阻确定LED行列坐标值。　　　　光敏电阻光谱响应范围宽，体积小，但是光敏电阻灵敏度低，响应速度慢，受温度影响大，所以用光敏电阻很难确定点亮点的坐标，很难实现&划亮&和&连写多字&两项功能。　　　　方案二：采用光敏二极管(2CU12B)确定LED行列坐标值。光电二极管的光电流小，响应时间短，适用于要求光电流与照度成线性关系或要求工作频率高的电路，但其灵敏度较低，光电流较小，不易判别光笔所在处的LED在点阵屏中的坐标。　　　　方案三：采用光敏三极管(3DU33)确定LED行列坐标值。光电三极管光电流大，响应时间短，且其灵敏度非常高，很容易判别光笔所在处的LED在点阵屏中的坐标。　　　　经比较及测试：光敏三极管作为光笔检测器件，能够很好的满足题目的要求，因此，本系统采用方案三。　　　　3．人机交互模块　　　　考虑到有系统低功耗的要求，采用价格低廉的诺基亚5110液晶作为显示。LCD功耗比较低，不需要循环扫描，极其省电，且显示信息量大，能灵活多变地显示多种信息。　　　　键盘采用4&4标准矩阵键盘，用8个I／O控制16个键。　　　　4．32&32点阵屏模块　　　　要求采用32&32点阵，由16块8&8的点阵块组成。两片74HC138译码器组成4&16线译码器，将32行的点阵模块分为上下两组各16行，每一组的列数据由8片74HC595移位寄存器串行级联而成，第一组的数据线输出再接第二组的数据线输入，实现两组串行级接。即用16行&64列的方式来实现32&32的点阵。　　　　5．电源电路模块　　　　采用体积小，携带方便，效率高的开关电源。
&　　三、系统的硬件设计
　　1．光笔电路　　　　光笔电路原理如下图所示。当主控制器对全屏进行扫描微亮时，光笔要能及时地检测到微亮，才能确定光笔所在位置的坐标。光电三极管检测到某一点的微亮后，输出脉冲，经过74HCl4施密特触发器整形后通过P1接口的第1引脚送主控制器处理。按键KEY安装在光笔外端，用于控制(CPU否接收并检测光笔电路信号；平时光笔不检测LED时，KEY为弹起状态，CPLJ接收到P1接口的第4引脚为低电平，程序不橙测光笔信号；当光笔需要检测LED时，应按下KEY键，CPU接收到P1接口的第4引脚为高电平，CPU控制程序检测光笔信号。
　　　　2．键盘设计　　　　采用4&4标准行列式键盘，用8个I/O控制16个键。将4个I/O口接键盘的4行，另外的4个I/0口接键盘的列，通过行列扫描获得按键的键值。　　　　3．LED点阵屏的设计　　　　32&32LED点阵屏电路原理框图如下图所示。　　　　STM32主控器I/O口作为点阵屏模块的输入控制信号，其中OE为使能端、CLK为时钟线、LT为锁存信号、DA为数据线、A、B、C、D为行选通地址线。　　　　电路中74HC245起总线缓冲作用，2片74HC138构成4&16译码器，实现16路的行选通，选通信号经由4953MOS管激励为行驱动，行驱动为H1～H16，每一行驱动负责32&32点阵两行的选通(如H1控制第1行和第17行，H2控制第2行和第18行)。串行数据由74HC245缓冲后，送入级联的74HC595串并转换和驱动，电路中共设计有8片74HC595，其中4片用于第1行～第16行的列数据转换，另外4片用于第17行～第32行的列数据转换。点阵显示采用动态显示，CPU每次送入64列数据后，发出1个行选通信号(实际电路为选通2行)，这样将实际为32行&32列的LED屏的扫描方式按16行&64列的方式进行。
　　四、系统软件设计
　　STM32系列微控制器采用C语言进行程序设计，开发调试环境为KeilMDK。　　　　系统上电后，执行主程序，LCD液晶显示开机界面。STM32对键盘进行扫描，按下&设定&键后，进入功能选择显示界面，此时按上下键可进行功能选择，依次进入&点亮、划亮、反显、整屏擦除、笔画擦除、连写多字、对象拖移、设定休眠时间、调节亮度&。当前图标以闪烁标识为被选中，点阵屏即可在系统控制下执行相应功能。在任何一种功能下，按下&确定&键即可执行相应的功能子程序，并可显示光笔位置的行列坐标值。主程序流程图如下左图所示。　　　　扫描微亮检测光笔位置由定时中断程序完成，流程图如下右图所示。
　　每定时中断一次选中一行，然后扫描列，如果扫描到某列时，CPU收到了光笔检测微亮的信号，就能定位光笔在这一行这一列；然后进行一行数据的常亮显示。具体程序流程为：在STM32的一次定时中断里，先选通某一行，然后将列数据送入一位低电平，使点阵屏在当前行只点亮一个二极管，延时5us后熄灭，此时判断光笔是否检测到微亮(即高电平)，如果检测到则说明光笔就在此列，然后求出行列坐标，如没有微亮则列数据移位一位，继续点亮这一行的下一个二极管，延时5&s熄灭，再次判断光笔是否检测到微亮，如果检测到微亮则求出行列坐标；光笔检测程序完成后，取显示缓冲区数据，进行当前行数据的常亮扫描显示。然后进行行地址加1，以便下次定时中断时处理下一行，最后定时中断返回。这样，一次定时中断扫描一行的64个列，通过16次的定时中断，完成了整屏的1024个点的光笔位置检测和扫描显示。定时器约每O．92rns中断一次，完成一屏的光笔位置检测和扫描显示约需14.7ms，LED屏的显示频率约为68Hz。　　　　经实际测试，达到题目全部基本功能和全部发挥功能的要求。
　　五、问题及解决办法
　　1．这次设计中原来使用的LED屏有几个坏点，连线也比较乱。在第3天进行全面编程后，总是会出一些不确定的现象，浪费了较多的时间，后来重新焊接了LED屏才解决问题。所以硬件电路的设计及制作一定要可靠，否则整机性能不可能达到指标，对使用的元器件、电路模块在焊接或装配前一定要先检查。　　　　2．软件设计时程序没有正确的备份，以至于重新下载修改过的程序后LED屏不显示，找最后一次备份的程序时却没有找到!后来只能是从第3天较原始的程序重新编写。定期备份程序、养成良好的编程习惯至关重要。　　　　3．关于扩展功能中的功耗问题。设计中对功耗的要求是非常苛刻的，要求小于5mA，在平时的比赛中这一块作的要求较少。学生当时对功耗也就没考虑太多，只是简单的认为把STM32设置为待机或者停机模式即可。首先把点阵屏的使能端EN、锁存端LT拉高，其余管脚置低、STM32工作在待机模式、设置液晶工作在待机模式的方法来减小功耗，测试时点阵屏功耗约为40mA，STM32最小系统板在停机模式时电流约为15mA左右，整体电流55m1A!后来经过讨论，作了如下处理：(1)在停机模式时用继电器或者CMOS管将点阵屏电路完全断开；(2)对STM32最小系统板电路进行改进，将原来有的电源指示灯、MAX3232电平转换芯片、电阻等无关元件全部拆掉，更换了耗电更小的3 3V电源转换芯片，这时板子在停机模式下已经小于3mA了，达到要求。
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