王海燕 高之圣 徐江海

(淮安信息职业技术学院，江苏 淮安 223003)

1 引言

LED点阵电子显示屏制作简单，安装方便，被广泛应用于各种公共场合，但是这种电子显示屏只能做单一的“显示”作用，显示内容的更改、擦除等功能的实现都要在上位机上实现。能否用LED点阵显示屏实现“书写”功能，本文基于这一想法，设计并制作一个基于32×32点阵LED模块的书写显示屏，基本结构如图1。

主要采用STC11F32单片机为主控制器，通过自制光笔在屏上实现“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。

图1 LED点阵书写显示屏系统结构示意图

2 设计方案论证

2.1 光笔设计方案

光笔设计是本课题设计的关键之一，需要有很高的灵敏度和快速的响应时间，需要选取合适的光电传感器和检测电路。

方案一:采用光敏电阻作为光电检测传感器，结构简单、使用方便、成本低，但光敏电阻的响应时间较长。

方案二:采用光敏二极管，与光敏电阻相比有较快的响应时间。

方案三:采用光敏三极管，其工作原理与光敏二极管相似，光敏三极管对电信号还有放大的功能，响应时间快，灵敏度更高。故选择光敏三极管作为光笔的检测部件。

2.2 点阵驱动方案设计

要实现手写显示功能，需要识别光笔划过的点的坐标，需要对行和列都进行编码扫描，才能确定坐标点，用译码器的输出作为行和列的控制信息。译码器选用低功耗高速芯片74HC154，74HC154是4～16译码器，可以减少电路之间的连线。

2.3 控制芯片的选择

控制芯片是系统的核心，光电检测、点阵驱动等功能的实现都由其完成，因此选择合适的控制芯片是设计的关键。

方案一:使用51系列单片机。51单片机应用广泛，比较熟悉，但运算速度相对较慢、内部数据存储器空间较少。

方案二:使用ARM或 FPGA。它们运算速度、控制功能都比较强大，但成本较高。

方案三:使用STC系列单片机。该系列单片机与51单片机完全兼容，在同样时钟频率条件下运行速度是51单片机的12倍，内部最大RAM空间达1280B。

从成本和使用熟练情况来考虑选择方案三，设计中使用STC11F32，内部RAM1280B，程序存储器32KB，完全满足本课题设计需要。

3 系统硬件设计

3.1 系统的总体设计

系统框图如图2所示:

图2 系统框图

3.2 单元模块的设计及参数计算

(1)光笔的设计

光笔电路如图3所示。其基本原理是 U1B、R2、R3构成一恒流源，I=Vcc/R2=5/1000=5mA，光敏三极管通过触碰开关S与R3并联，S断开时光敏三极管不起作用，U1B输出一固定电压，当S闭合并有光照时，光敏三极管与R3并联，并联的电阻将减小许多，使U1B输出减小，U1B的输出作为U1C的输入，U1C和R4构成一个比较器，U1B的输出变化时将引起比较器翻转。当光笔在显示屏碰触闭合，遇到光点时比较器有翻转信号输出，送给单片机识别。

图3 光笔电路原理

(2)32×32LED点阵的连接及驱动控制电路

32×32 LED点阵的行信息控制用2片74HC154，构成5—32译码器，单片机口线控制其译码输出。列的微亮扫描、点亮也分别用2片74HC154，4个片选分别单独控制，微亮扫描 (2.5V)、点亮(5V)电源分别通过三极管构成的开关加到点阵的列控制端。由于整屏显示是1024个灯循环亮，为提高显示亮度，限流电阻取51欧姆，电路如图4所示。

微亮扫描时流过 LED的电流为:(2.5－1.8)/51=13.7mA

图4 点阵及其驱动电路

图5 超时关显示

点亮点阵时流过LED的电流为:(5－1.8)/51=62.7mA

(3)显示电路部分功能及原理

液晶显示电路如图6所示。用三位口线分别作为液晶显示模块的片选 (/CS)、写控制 (/WR)、数据线 (DATA)。

(4)光照检测与显示亮度调节电路

基本原理是用LM358与光敏电阻构成一恒流源电路，该恒定电流流入光敏电阻，当光敏电阻在强光状态下，其亮阻很小，其上压降较低，通过电位器向9012基极输出较低的导通电压，LED屏发光强度达到最大状态;反之，当光敏电阻处于较暗状态下，其暗阻较大，光敏电阻上压降较大，送到9012基极电位较高，导通程度降低，LED屏发光强度随着光照强度逐渐降低。

(5)超时关显示电路

超时关显示电路如图5所示。用单片机的一个口控制三极管的导通和截止，三极管基极电阻2K，在正常工作时口输出低电平时，基极电流远大于管子的饱和电流，使三极管饱和导通，使继电器吸合，5V电源通过继电器触点供给包括显示电路在内的其他电路;当超时进入休眠状态时，单片机口输出高电平，三极管截止，切断后级电路电源。

4 系统软件设计

4.1 主程序

主程序包括系统初始化，点阵扫描控制，液晶显示，以及“反显”、“擦除”等功能下数据处理程序，流程图如图6a所示。其中点阵扫描控制程序，微亮扫描控制由单片机口控制对以译码器的片选和地址输入，使点阵按行列有规律地循环点亮，由图4知点亮显示的列控制信息译码地址与微亮连接在一起，控制点亮的工作过程是通过判断点阵显示缓冲内容对应位的信息，控制其片选，当需要点亮时，控制片选有效，反之，控制片选无效，利用微亮扫描过程实现点亮控制。

4.2 外中断0服务程序 (坐标检测)

外中断0是作为光笔的检测使用，由图3知，光笔碰触显示屏过程中，遇到发光点输出翻转的跳变信号，送给单片机中断，作为中断的触发信号，由于中断程序优先执行，打断微亮扫描过程，在中断服务程序中根据此时的行列扫描的序号，就可判断光点的坐标，进而为其他功能的实现提供依据，流程图如图6b所示。

4.3 外中断1服务程序 (按键处理)

外中断1为按键操作处理程序，按键功能前已述及，故略。

图6

4.4 定时器0服务程序 (超时关显示计时)

将定时器设置为反复定时10毫秒，在其数中断次数，到100次即为1S，控制显示器时间变化 (程序框图略)。

5 结论

本课题使用光电三极管作为光笔的主要检测器件，灵敏度高，响应速度快，很好地解决了关键部件的设计问题。应用74HC154译码器设计32×32点阵的行列驱动控制信号，扫描速度满足设计要求。实现了设计要求的点亮、划亮、反显、笔画擦除、整屏擦除、连字多写、对象拖移、亮度连续调节、超时休眠关显示等功能。设计的电路简捷，成本低，充分发挥芯片的功能，系统性价比较高。

［1］全国大学生电子设计竞赛组委会．2009年全国大学生电子设计竞赛试题 ［EB/OL］．http:∥www．nuedc．com．cn/，2009．

［2］黄智伟．全国大学生电子设计竞赛训练教程 ［M］．北京:电子工业出版社，2005．

［3］诸昌钤．LED显示屏系统原理及工程技术 ［M］．成都:电子科技大学出版社，2000:209～210．