LED點陣書寫顯示屏

...wd......wd......wd...LED點陣顯示屏的設(shè)計陳寶華20144053020摘要本設(shè)計是基于16×16點陣LED電子顯示屏的設(shè)計。設(shè)計以STC15w4k32s4為核心，介紹了以它為控制系統(tǒng)的LED點陣電子顯示屏的動態(tài)設(shè)計和開發(fā)過程。本設(shè)計主要模塊組成：主控CPU模塊、按鍵輸入模塊，光筆檢測電路，LCD信息顯示器，16×16點陣LED點陣顯示與驅(qū)動模塊。設(shè)計中16×16點陣LED點陣顯示與驅(qū)動模塊中，CPU輸出信號先經(jīng)74HC245進(jìn)展鎖存，再輸出信號經(jīng)由38譯碼器74HC138譯碼選通APM4953驅(qū)動行，由移位存放器74HC595作為列驅(qū)動，單片機(jī)控制系統(tǒng)程序采用C語言進(jìn)展模塊化編程，控制各顯示點對應(yīng)LED陽極和陰極端的電平，就可以有效的控制各顯示點的亮滅。文中詳細(xì)介紹了LED點陣顯示的硬件設(shè)計思路、硬件電路各個局部的功能及原理、相應(yīng)軟件的程序設(shè)計，以及使用說明等。所顯示字符的點陣數(shù)據(jù)可以自行編寫〔即直接點陣畫圖〕，也可從標(biāo)準(zhǔn)字庫中提取。經(jīng)實踐證明，該系統(tǒng)顯示誤差小，性能穩(wěn)定，構(gòu)造合理，擴(kuò)展能力強(qiáng)。關(guān)鍵詞：STC14w4k32s4單片機(jī)；LED；點陣書寫顯示；動態(tài)顯示；C語言。前言1.1系統(tǒng)背景1.1.1設(shè)計意義LED顯示屏是一種通過控制半導(dǎo)體發(fā)光二極管的顯示方式，用來顯示文字、圖形、圖像、動畫、行情、視頻、錄像信號等各種信息的顯示屏幕。圖文顯示屏可與計算機(jī)同步顯示漢字、英文文本和圖形；視頻顯示屏采用微型計算機(jī)進(jìn)展控制，圖文、圖像并茂，以實時、同步、清晰的信息傳播方式播放各種信息，還可顯示二維、三維動畫、錄像、電視、VCD節(jié)目以及現(xiàn)場實況。LED顯示屏顯示畫面色彩鮮艷，立體感強(qiáng)，靜如油畫，動如電影，廣泛應(yīng)用于車站、碼頭、機(jī)場、商場、醫(yī)院、賓館、銀行、證券市場、建筑市場、拍賣行、工業(yè)企業(yè)管理和其它公共場所。本設(shè)計基于LED點陣的普通顯示效果加上光筆檢測模塊，實現(xiàn)自由書寫顯示功能。它的優(yōu)點：亮度高、工作電壓低、功耗小、微型化、易與集成電路匹配、驅(qū)動簡單、壽命長、耐沖擊、性能穩(wěn)定。1．1.2功能實現(xiàn)〔1〕在“點亮〞功能下，當(dāng)光筆接觸屏上某點LED時，能即時點亮該點LED，并在控制器上同步顯示該點LED的行列坐標(biāo)值〔左上角定為行列坐標(biāo)原點〕?！?〕在“劃亮〞功能下，當(dāng)光筆在屏上快速劃過時，能同步點亮劃過的各點LED，其速度要求2s內(nèi)能劃過并點亮20點LED。〔3〕在“反顯〞功能下，能對屏上顯示的信息實現(xiàn)反相顯示〔即：字體筆畫處不亮，無筆畫處高亮〕?！?〕在“整屏擦除〞功能下，能實現(xiàn)對屏上所顯示信息的整屏擦除。〔5〕自定義顯示字符。1．2系統(tǒng)概述1.2.1主控CPU的選擇與比擬1、STM32(STM32F103VCT6)：具有多功能定時器，低功耗，速度高，256KHz嵌入式閃存存放器，穩(wěn)定性強(qiáng)等特點，具有最高72MHz的CPU工作頻率和很強(qiáng)的控制和運算能力，能夠?qū)崿F(xiàn)點陣屏的高速掃描的一些復(fù)雜的控制和運算功能。但相比于STC89C58其功能實現(xiàn)復(fù)雜。2、CPLD(EPM240T100C5)：具有豐富的I/O口、內(nèi)部邏輯和連線資源、運行速度快、能夠顯示大量的信息，但CPLD實現(xiàn)運算功能復(fù)雜，在該系統(tǒng)中，需要顯示的信息量較少，但是控制和運算功能較多，用CPLD實現(xiàn)一些運算功能復(fù)雜。3、STC15w1k32s4：CPU采用低本錢、多功能的STC15W4K32S4單片機(jī)。STC15W4K32S4是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，內(nèi)置4KBEEPROM，MAX810復(fù)位電路，內(nèi)含可調(diào)節(jié)晶振電路，3個16位定時器/計數(shù)器，4個外部中斷，一個7向量4級中斷構(gòu)造〔兼容傳統(tǒng)51的5向量2級中斷構(gòu)造〕，全雙工串行口。該單片機(jī)性價比很高，且相對容易控制，根本能夠?qū)崿F(xiàn)所需功能。經(jīng)比擬，選擇STC15w4k32s4作為主控芯片。光筆檢測的選擇與比擬1、光敏電阻：光譜響應(yīng)范圍寬，體積小，但靈敏度低，響應(yīng)速度慢，受溫度影響大，很難確定點亮點坐標(biāo)。2、光敏二極管〔2CU2B〕：光電流小，響應(yīng)時間短，使用于要求光電流與照度成線性關(guān)系或要求工作頻率高的電路，但其靈敏度較低，光電流較小，不易判斷所在處LED在點陣屏中的坐標(biāo)。3、光敏三極管〔3DU35C〕：光電流大，響應(yīng)時間短，且其靈敏度非常高，易判斷所在處LED在點陣屏中的坐標(biāo)。經(jīng)比擬，選擇光敏三極管作為光筆檢測敏感器件。1.2.3LCD顯示屏的選擇考慮到有系統(tǒng)低功耗的要求，采用價格低廉的1602液晶作為顯示。LCD功耗比擬低，不需要循環(huán)掃描，且信息量大，能靈活多變的顯示多種信息。1.2.4鍵盤輸入模塊的選擇鍵盤采用4×4標(biāo)準(zhǔn)矩陣鍵盤，用8個I/O口控制16個鍵，4個I/O口接4行，另外4個接4列，通過行列掃描獲得按鍵值。1.2.516×16點陣屏模塊的選擇由4塊8×8單色LED點陣(紅色)模塊組合成16×16的LED點陣屏。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上下電平的變化，單片機(jī)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(qiáng)。采用紅色點陣和紅外光電三極管能夠有效地減少環(huán)境可見光對光筆中光電三極管的干擾。硬件電路設(shè)計本設(shè)計主要模塊組成：主控CPU模塊、按鍵輸入模塊，光筆檢測電路，LCD信息顯示器，16×16點陣LED點陣顯示與驅(qū)動模塊。使用具有價廉易購的STC15W4K32S4單片機(jī)編程控制，通過修改程序可方便實現(xiàn)系統(tǒng)升級。系統(tǒng)的框圖構(gòu)造如下：圖1系統(tǒng)原理框圖系統(tǒng)主要部件包括8×8的LED點陣屏、STC15W4K32S4單片機(jī)、方向可控的八路緩沖器74HC245、38譯碼器74HC138、P溝道的增強(qiáng)型場效應(yīng)管APM4953、移位存放器74HC595、液晶顯示器1602，雙電壓比擬器LM393，光敏三極管3DU5C。輔助元件包括電阻、電容、晶振、電源、按鍵等。2．1系統(tǒng)各器件簡介2.1.1STC15W4K32S4單片機(jī)STC15W4K32S4單片機(jī)是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機(jī)，12時鐘/機(jī)器周期和6時鐘/機(jī)器周期可以任意選擇。圖STC15W4K32S4引腳圖STC15W4K32S4引腳功能說明VCC〔40引腳〕：電源電壓VSS〔20引腳〕：接地P0端口〔P0.0～P0.7，39～32引腳〕：P0口是一個漏極開路的8位雙向I/O口。作為輸出端口，每個引腳能驅(qū)動8個TTL負(fù)載，對端口P0寫入“1〞時，可以作為高阻抗輸入。在訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，P0口也可以提供低8位地址和8位數(shù)據(jù)的復(fù)用總線。此時，P0口內(nèi)部上拉電阻有效。在FlashROM編程時，P0端口接收指令字節(jié)；而在校驗程序時，則輸出指令字節(jié)。驗證時，要求外接上拉電阻。P1端口〔P1.0～P1.7，1～8引腳〕：P1口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。P1的輸出緩沖器可驅(qū)動〔吸收或者輸出電流方式〕4個TTL輸入。對端口寫入1時，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，這是可用作輸入口。P1口作輸入口使用時，因為有內(nèi)部上拉電阻，那些被外部拉低的引腳會輸出一個電流〔QUOTE〕。P2端口〔P2.0～P2.7，21～28引腳〕：P2口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。P2的輸出緩沖器可以驅(qū)動〔吸收或輸出電流方式〕4個TTL輸入。對端口寫入1時，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，這時可用作輸入口。P2作為輸入口使用時，因為有內(nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流〔QUOTE〕。在對FlashROM編程和程序校驗期間，P2也接收高位地址和一些控制信號。P3端口〔P3.0～P3.7，10～17引腳〕：P3是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。P3的輸出緩沖器可驅(qū)動〔吸收或輸出電流方式〕4個TTL輸入。對端口寫入1時，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，這時可用作輸入口。P3做輸入口使用時，因為有內(nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸入一個電流〔QUOTE〕。在對FlashROM編程或程序校驗時，P3還接收一些控制信號。P3口除作為一般I/O口外，還有其他一些復(fù)用功能，如下表所示：P3口引腳復(fù)用功能引腳號復(fù)用功能P3.0RXD〔串行輸入口〕P3.1TXD〔串行輸出口〕P3.2QUOTE〔外部中斷0〕P3.3QUOTE〔外部中斷1〕P3.4T0〔定時器0的外部輸入〕P3.5T1〔定時器1的外部輸入〕P3.6QUOTE〔外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通〕P3.7QUOTE〔外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通〕2.1.2方向可控的八路緩沖器74HC245總線收發(fā)器，典型的CMOS型三態(tài)緩沖門電路。由于單片機(jī)或CPU的數(shù)據(jù)/地址/控制總線端口都有一定的負(fù)載能力，如果負(fù)載超過其負(fù)載能力，一般應(yīng)加驅(qū)動器。主要用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)總線的雙向異步通信。為了保護(hù)脆弱的主控芯片，通常在主控芯片的并行接口與外部受控設(shè)備的并行接口間添加緩沖器。當(dāng)主控芯片與受控設(shè)備之間需要實現(xiàn)雙向異步通信時，自然就得選用雙向的八路緩沖器了，245就是面向這種需求的。常見于同并口液晶屏、并口打印機(jī)、并口傳感器或通訊模塊等設(shè)備的接口上。圖374HC245引腳圖引腳定義：第1腳DIR，為輸入輸出端口轉(zhuǎn)換用，DIR=“1〞高電平時信號由“A〞端輸入“B〞端輸出，DIR=“0〞低電平時信號由“B〞端輸入“A〞端輸出。第2~9腳“A〞信號輸入輸出端，A0=B0，A7=B7，A0與B0是一組，如果DIR=“1〞OE=“0〞則A1輸入B1輸出，其它類同。如果DIR=“0〞OE=“0〞則B1輸入A1輸出，其它類同。第11~18腳“B〞信號輸入輸出端，功能與“A〞端一樣，不再描述。第19腳OE，使能端，假設(shè)該腳為“1〞A/B端的信號將不導(dǎo)通，只有為“0〞時A/B端才被啟用，該腳也就是起到開關(guān)的作用。第10腳GND，電源地。第20腳VCC，電源正極。真值表控制輸入運行GDIRLLB數(shù)據(jù)到A總線LHA數(shù)據(jù)到B總線HX隔開H=高電平L=低電平×=不定2.1.338譯碼器74HC13874HC138是一款高速CMOS器件，74HC138引腳兼容低功耗肖特基TTL〔LSTTL〕系列?？沙惺?位二進(jìn)制加權(quán)地址輸入〔A0,A1和A2〕，并當(dāng)使能時，提供8個互斥的低有效輸出〔Y0至Y7〕。74HC138特有3個使能輸入端：兩個低有效〔E1和E2〕和一個高有效〔E3〕。除非E1和E2置低且E3置高，否則74HC138將保持所有輸出為高。圖474HC138引腳圖2.1.4P溝道的增強(qiáng)型場效應(yīng)管APM4953行驅(qū)動管，功率管。每一顯示行需要的電流是比擬大的，要使用行驅(qū)動管，每片4953可以驅(qū)動2個顯示行。其內(nèi)部是兩個CMOS管，1、3腳VCC，2、4腳控制腳，2腳控制7、8腳的輸出，4腳控制5、6腳的輸出，只有當(dāng)2、4腳為“0〞時，7、8、5、6才會輸出，否則輸出為高阻狀態(tài)。圖54953引腳圖及內(nèi)部構(gòu)造2.1.5移位存放器74HC59574HC595是硅構(gòu)造的CMOS器件，兼容低電壓TTL電路。具有8位移位存放器和一個存儲器，三態(tài)輸出功能。移位存放器和存儲器是分別的時鐘。數(shù)據(jù)在SHcp的上升沿輸入到移位存放器中，在STcp的上升沿輸入到存儲存放器中去。如果兩個時鐘連在一起，則移位存放器總是比存儲存放器早一個脈沖。移位存放器有一個串行移位輸入〔Ds〕，和一個串行輸出〔Q7’〕,和一個異步的低電平復(fù)位，存儲存放器有一個并行8位的，具備三態(tài)的總線輸出，當(dāng)使能OE時〔為低電平〕，存儲存放器的數(shù)據(jù)輸出到總線。8位串行輸入/輸出或者并行輸出移位存放器，具有高阻關(guān)斷三態(tài)。圖674HC595引腳圖表274HC595功能表輸入輸出功能SHCPSTCPOEMRDSQ7’Qn××L↓×LNCMR為低電平時僅僅影響移位存放器×↑LL×LL空移位存放器到輸出存放器××HL×LZ清空移位存放器，并行輸出為高阻狀態(tài)↑×LHHQ6NC邏輯高電平移入移位存放器狀態(tài)0，包含所有的移位存放器狀態(tài)移入×↑LH×NCQn’移位存放器的內(nèi)容到達(dá)保持存放器并從并口輸出↑↑LH×Q6’Qn’移位存放器內(nèi)容移入，先前的移位存放器的內(nèi)容到達(dá)保持存放器并出2.1.7雙電壓比擬器LM393LM393是雙電壓比擬器集成電路。該電路的特點如下：工作溫度范圍:0°C--+70°C；工作電源電壓范圍寬，單電源、雙電源均可工作，單電源：2～36V，雙電源：±1～±18V；消耗電流小，ICC=0.8mA；輸入失調(diào)電壓小，VIO=±2mV；共模輸入電壓范圍寬，VIC=0～VCC-1.5V；輸出與TTL，DTL，MOS，CMOS等兼容；輸出可以用開路集電極連接“或〞門。圖7LM393內(nèi)部構(gòu)造圖2.1.8硅光敏三極管3DU5C構(gòu)造：NPN擴(kuò)散型光敏三極管是具有放大能力的光電轉(zhuǎn)換三極管，廣泛應(yīng)用與各種高空電路中。在無光照射時，光敏三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，無電信號輸出。當(dāng)有光信號照射其基極〔受光窗口〕時，光敏三極管導(dǎo)通，從發(fā)射極或集電極輸出放大后的電信號。其主要技術(shù)參數(shù)為：反向擊穿電壓：15V;最高工作電壓：10V;暗電流：0.3uA;光電流：0.5—1mA；功耗：30mW；峰值波長：880nm。圖8光敏三極管等效電路各局部電路設(shè)計2.2.1主控模塊主控模塊包括LCD液晶顯示，鍵盤掃描模塊及CPU控制模塊。通過通過編程，當(dāng)按下相應(yīng)按鍵時，LCD模塊實現(xiàn)相應(yīng)功能及LED掃描點坐標(biāo)的顯示?？刂颇K有晶振電路及復(fù)位電路構(gòu)成。圖92.2.2LED點陣顯示模塊LED模塊為本設(shè)計的主要模塊。由鎖存器、行驅(qū)動及列驅(qū)動組成。其中，所有了LED燈驅(qū)動信號由控制模塊P2口送出，經(jīng)鎖存器74HC245鎖存再送至4塊移位存放器74HC595的4個公共控制端，驅(qū)動列；鎖存器的另外三個輸出接至38譯碼器74HC138，經(jīng)譯碼后的信號通過P溝道的增強(qiáng)型場效應(yīng)管APM4953驅(qū)動相應(yīng)的行。圖102.2.3光筆模塊光筆模塊主要由光敏三極管3DU5C及電壓比擬器LM393組成。用紅外光電三極管自制光筆，光筆檢測電路如以下圖。圖中Q1是用紅外光電三極管，用來完成對16×16點陣紅色LED燈點亮或熄滅的檢測；R4、R6用于對Q2進(jìn)展限流，另外還可以調(diào)節(jié)R6來提高或減小輸出的電壓值；R1、R3是用于給U1(比擬器)的同相端提供基準(zhǔn)電壓值，通過它跟采集信息輸出來的電壓值進(jìn)展比擬(U2>U3，Uout=Umin)，R2是U1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，比擬器1端輸出為低電平。當(dāng)電容C1充電一段時間之后，比擬器2腳電壓比3腳電壓低，比擬器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。圖11軟件設(shè)計程序采用模塊化編程方式，分為主程序，按鍵掃描程序，LED掃描程序，延時程序，點亮模式程序，反顯模式程序，整屏擦除及顯示自定義字符程序。3.1主程序主程序中主要執(zhí)行鍵盤掃描程序。3.2鍵盤掃描程序在鍵盤掃描程序中進(jìn)展鍵盤掃描，當(dāng)鍵盤掃描到某個按鍵按下時，1602顯示相應(yīng)功能模式，同時對應(yīng)模式的LED點陣執(zhí)行相應(yīng)功能。3.31602液晶顯示程序主要為液晶的初始化，及定義相關(guān)模式顯示。3.4延時程序?qū)⑺腥肿兞考皵?shù)組的定義全都放在這個.h文件中，同時定義50us延時和50ms延時。3.5點亮模式程序按行逐列掃描〔即點亮〕，當(dāng)光筆檢測到信號時，停頓掃描，根據(jù)具體功能將此時的點延時顯示相應(yīng)時間〔控制掃描速度〕，并將此點的行列值賦給全局變量x1、x2，用于1602中的坐標(biāo)顯示。3.6畫線模式程序檢測信號方式同點亮模式。此模式中點顯示為50ms，實現(xiàn)快速掃描的要求。先定義4個全