LED点阵书写屏 报告

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1、 LEDLED 点阵书写屏点阵书写屏 参赛队号参赛队号 1 摘要摘要 本作品以 STM32 单片机为核心 设计制作 LED 点阵书写显示系统 作品通过 按键进行功能切换 以光电三极管作为光笔感应器件 在 STM32 的控制下进行信 号的采集以及处理 实现 LED 点阵屏包括点亮 划亮 反显 整屏擦除 笔画擦 除 连写多字和对象拖移等功能 2 一 系统方案一 系统方案 1 1 方案论证与 方案论证与比比较较 1 1 控制器模块 控制器模块 方案 1 采用 8 位 8051 单片机 该类单片机技术成熟 编程操作简单 价 格便宜 但由于系统用到了高精度 A D 采样 实时时钟等部分 使外围电路变 得

2、复杂 并且该单片机的运行速度较慢 增加了执行难度 不利于程序的编写 和系统的实现 方案 2 采用 STM32 单片机作为核心控制 其自带 16 通道 12 位 A D 以及 支持三种低功耗模式 可以在要求低功耗 短启动时间和多种唤醒事件之间达 到最佳的平衡 主频可达 72MHZ 且资源丰富 速度高 稳定性强 性价比高 降低了此系统地执行性难度 综上 根据此测量仪的要求选取方案 2 且此系统所用 I O 较少 所以选用 48 脚封装的 STM32f103c8T6 作为核心控制模块 2 2 光笔模块 光笔模块 方案 1 采用光敏电阻 光敏电阻容易获得 价格便宜 性价比较高 但光 敏电阻灵敏度低 其

3、光电特性为非线性 常用光敏电阻响应速度慢 大约为 60ms 延迟时间受入射光的光照强度影响 其参数不能满足本系统对光笔书写 速度的要求 方案 2 采用光电三极管 光电三极管的输出电流大 灵敏度高 而且光电 三极管本身具有放大作用 速度够快 能将检测的信息及时反馈给主控机 且 光电三级管对红光的敏感度强于自然光 经测试在自然光下对红光的检测无影 响 综上 根据要求 光电三极管速度及其他性能更佳所以采用方案 2 3 3 显示模块 显示模块 用 5V 12864 液晶显示 自带汉字点阵显示模块 可显示汉字和图形 内 置 8192 个中文汉字 16 16 点阵 和 128 个字符 16 8 点阵 及

4、64 256 点阵显示 RAM GDRAM 配置 LED 背光 具有低电压低功耗特点 符合该系 统设计的要求 4 4 按按键键 采用 A D 键盘 利用定值电阻与不同阻值的电阻串联所分压降的不同 来 区分按键 节省 I O 且电路简单 故采用此方法 3 5 5 亮度调节 亮度调节 采用光敏电阻 价格便宜 性价比较高 利用电阻分压 A D 检测实现 设 计简单 2 2 总体方案描述总体方案描述 系统采用 STM32f103c8t6 作为核心控制器 通过按键选择功能 以光电三 极管作为光笔检测器件 对检测信号进行处理 符合条件后进入中断 从而实 现包括点亮 划亮 反显 整屏擦除 笔画擦除 连写多字

5、以及对象拖移等功 能 系统总体结构如图 1 所示 STM32 核 心 模 块 A D 按键 液晶显示 LED 点阵 光笔 光强检测 图 1 系统总体结构 二 理论分析与计算二 理论分析与计算 1 1 光笔选取 光笔选取 根据发挥部分 1 笔画擦除 的要求 需要显示 扫描同时进行 而人 眼的视觉残留效果要达到 50HZ 20ms 才不会有明显的抖动 根据测量送显的时 间为 4ms 留有一定裕量定为 5ms 那么就要求扫描时间 行和列扫描的总时间 为 20 5 15ms 则行扫描和列扫描的时间均为 15 2 7 5ms 这就要求检测元件的 跃阶响应时间要小于 7 5ms 光电三极管的跃阶响应时间

6、如图 2 图 3 所示 为加上外围电路后的稳定跃阶响应时间 约为 1 5us 达到系统要求 光电三 极管 3DU33 的反应速度高达 100kHZ 远大于系统要求的刷屏速度 而光敏电阻 的反应速度较慢 其响应时间大约在 60ms 远远达不到系统要求 故选用光电 三极管 3DU33 作为光笔的检测元件 4 图 2 光电三极管越阶响应下降沿 图 3 光电三极管越阶响应上升沿 在最稳定的前提下要求扫描时间足够快 经过实践把扫描时间 若点在第 16 行第 16 列 设定为 8ms 以提高作品质量 光电管的输出信号通过后续电路处理后 变为数字信号送向单片机 使得 系统更准确 可靠 2 2 点阵屏驱动 点

7、阵屏驱动 本模块所使用的 16 16LED 点阵屏 是市场上产品化的 LED 点阵屏 由 4 块 8 8 LED 点阵屏组成 其行和列都是由 2 块 74HC595 芯片级联驱动控制 通过 STM32 核心控制器控制行列驱动芯片逐个点亮 LED 实现刷屏 3 3 亮度调节设计 亮度调节设计 屏亮自动调节模块是利用光敏电阻的光电特性 由 A D 采集光敏电阻的不同阻值对应 不同的的电压值 根据不同的电压值改变 LED 的点亮时间来实现屏亮度的自动调节 4 4 A DA D 键盘键盘 根据要求 按键的作用是功能选择 此模块利用 A D 键盘来实现 利用电压 值的不同来区分按键 其计算公式为 U R

8、 10K R 10K R K 所选电阻分别为 5 1K 10K20K 51K 其对应电压值分别为 2 2V 1 6V 1 1V 0 5V 所以即使电压变化 0 2V 也可以正确的区分 5 5 亮度调节 亮度调节 利用电阻分压进行调节 由 A D 采集光敏电阻的不同阻值对应不同的的电 压值 根据不同的电压值改变 LED 的点亮时间来实现屏亮度的自动调节 其采集电压 U R GM1 R GM1 R GM VCC 5 三 电路与程序设计三 电路与程序设计 1 1 电路设计 电路设计 1 1 光笔电路的设计 光笔电路的设计 本模块中采用光电三极管作为检测元件 光电三极管的输出电流大 灵敏 度也很高 当

9、光电三级管检测到信号时产生一个脉冲 经两级放大后传给单片 机进行分析 处理 单片机再根据按键选择来实现相应功能 点亮或熄灭相应 的点 从而实现相应功能 电路图如图 4 所示 图 4 电笔电路图 2 2 A DA D 按键设计按键设计 为了减少 I O 口的占用采用 A D 键盘 A D 键盘电路原理图如图 5 所示 图 5 A D 键盘电路图 3 3 亮度调节设计亮度调节设计 屏亮自动调节是利用光敏电阻的光电特性 由 A D 采集光敏电阻的不同阻 值对应不同的的电压值 根据不同的电压值改变 LED 的点亮时间来实现屏亮度 的自动调节 电路图如图 6 所示 6 图 6 亮度调节电路图 4 4 点

10、阵屏的设计 点阵屏的设计 点阵屏及其驱动芯片的电路设计如图 7 所示 屏的行和列都是通过 74HC595 级联来控制 图 7 点阵屏及其驱动芯片的电路图 2 2 程序设计 程序设计 图 8 为主程序流程图 图 9 10 为中断流程图 图 11 为点阵处理流程图 7 Y N N Y Y 初始化 亮度调节 按键 按键处理 点 亮 划 亮 反 现 整 屏 擦 出 笔 画 擦 除 多 字 连 写 对 象 拖 移 点阵显示 点阵处理 LCD 显示 进入休眠 光笔检测 标志 休眠标志 等待唤醒 N 开始 图 8 主程序流程图 8 N Y N Y 点阵处理 列扫描 行扫描 获取的坐标在 16 16 内 对应

11、坐标置 1 或清 0 返回 光笔中断模块 LightFlag 置 1 节能模式计数清零 返回 节能模式计数 6000 定时中断 返回 节能模式标志置 1 图 9 定时中断流程图图 10 光笔中断流程图 图 11 点阵处理流程图 四 四 测试结果 9 测试 项目基本要求发挥要求作品测试结果 点亮 即时点亮一个 点 并显示坐标 实现 划亮 2s 内点亮 40 个点 反显 对屏上的信息 实现反向显示 实现 整屏 擦除 对屏上所显示 信息整屏擦除 实现 笔画 擦除 能用光笔擦除 屏上汉字的笔画实现 连写 多字 30s 内写出四个汉字 并逐个显示20s 内完成 对象 拖动 用光笔将选定的显示内 容在屏上

12、拖移 亮度 调节 根据环境自动 调节显示亮度实现 待机 1 5min 内进入休眠 且电流小于 5mA 可设定进入休眠时间 1 5min 电流为 0 5mA 10 五 结论五 结论 整个比赛制作过程是紧张而有序的 从基本方案的制定 到硬件电路的选 择和软件流程的设计 再到实际电路的制作 最后进行软硬件的调试 在此期 间虽然遇到很多困难 但团队成员认真思考并积极讨论 最终完成题目要求的 各项功能要求 一项项问题得以解决 在此次 4 天 3 夜的比赛中 发现了自身 知识储备的不足 经过这几天的奋斗 小组成员学到了很多东西 最重要的是 学会了一种精神 团结协作精神 总之 比赛既是一次应用各种软硬件知识冶炼出符合要求的产品的过程 也是一次个人能力接受种种困难磨砺的过程 求知如采金 狂沙洗净 金玉方 现 愿每个人都能从这次历程中 得到有益的启示 参考文献 1 郭天祥 51 单片机 C 语言教程 电子工业出版社 2012 12 2 童诗白 模拟电子技术基础 第四版 高等教育出版社 2006 5 3 黄智伟 全国大学生电子设计竞赛常用电路模块制作 北京航空航天大学出版社 2011 1