LED书写点阵屏毕业设计Word文件下载.docx
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8、8×
8、16×
16、24×
24、40×
40等多种；
根据图素的数目分为等，双原色、三原色等，根据图素颜色的不同所显示的文字、图像等内容的颜色也不同，单原色点阵只能显示固定色彩如红、绿、黄等单色，双原色和三原色点阵显示内容的颜色由图素内不同颜色发光二极体点亮组合方式决定，如红绿都亮时可显示黄色，假如按照脉冲方式控制二极体的点亮时间，则可实现256或更高级灰度显示，即可实现真彩色显示。
如城市广场上的大型广告点阵屏便是以真彩色显示。
单片机又是各种编程器件中相对性价比比较高的。
于是我便想出设计一个基于STC12C5A60S2单片机的手写点阵屏，有了这个想法后第一要做的就是查阅资料。
我在查阅后得出了下面的收获。
1.1工作原理
点阵屏的的核心是我们电子方面最为常见的元器件之一“发光二极管”。
“LED点阵屏”的名字也是由此得来。
我们可以把点阵屏理解为她是由64个发光二极管按规律排列而成的二极管方阵，如图1-2所示
图1-2LED点阵屏等效电路图
图1-2中的两组1到8的号分别是点阵屏的阳极的1到8号引脚和阴极的1到8号引脚，而圆圈里的数字标号所标示的是点阵屏的引脚实际排列顺序，由此可见点阵屏的引脚并不是规律排序的。
它的排序时混乱的，如图1-3所示
图1-38*8点阵屏外观引脚图
通常我们把点阵屏的引脚引出，然后加上标签标为我们所熟悉的顺序来使用，图1-3中的引脚我们把引脚引出，然后按0到7、A到F的顺序排列使用或把0到7标为Y0到Y7，把A到F标为X0到X7，如图1-4
图1-4引脚标号图
LED点阵屏的核心类似发光二极管，我们可以把它视为发光二极管方阵，因此，我们想使它点亮，则只需在相应的发光二极管的引脚上加上正向的电压差即可使发光二极管点亮。
如图1-4只需要在Y0处加3.3V电压，X0处接地则第一行的第一个发光二极管被点亮，我们标记为（X0，Y0）被点亮了。
但是，这样我们无法让它完全按我们的想法去点亮发光二极管，比如我们想点亮（X0，Y0）、（X0，Y1）、（X1，Y0）却不要（X1，Y1）亮。
所以，我们在使用点阵屏时采用动态扫描的方法，把X0到X7、Y0到Y7通过一些电路后，直接接到单片机的两组端口上。
Y0到Y7以流水灯的扫描方式控制点阵屏的行，X0到X7择作为数据的传送端口，用这样的方式让点阵屏以行为单位显示，由于人眼的视觉暂留效果，单片机的工作速度超出了人眼的识别范围。
所以，人们所看到的不是以行为单位显示，而是整屏的显示。
这就是LED点阵屏的行扫描显示。
而点阵LED采用扫描式显示，实际运用分为三种方式：
（1）点扫描
（2）行扫描
（3）列扫描
若使用第一种方式，其扫描频率必须大于16×
64=1024Hz，周期小于1ms即可。
若使用第二和第三种方式，则频率必须大于16×
8=128Hz，周期小于7.8ms即可符合视觉暂留要求。
此外一次驱动一列或一行（8颗LED）时需外加驱动电路提高电流，否则LED亮度会不足。
1.2框图设计
了解了上面的工作原理后，心中便有了本次作品的框图，需要做的是把大脑里的设计框图画出来作为后面设计作品的框架图
1.2.1硬件框架
在设计框架之前，我们要在大脑里有整个实物的工作过程。
首先，点阵屏需要按我们的想法工作，就必须使用单片机来作为整个系统的控制模块，其后由于单片机的带负载能力不够强大，所以我们还需要一个驱动模块。
最后，还需要我们的点阵显示模块，有了这三个模块我们便可以使点阵屏被点亮了。
如图1-5
图1-5点亮LED点阵屏框架
但是，只有这三个模块是绝对不能满足我们的需要的。
我们的目的并不是单纯的点亮点阵屏，我们要用之来做更有意义的东西。
在本次中的手写点阵屏中，点阵屏的显示仅仅是它的基础功能。
点阵屏需要控制需要显示，所以控制欲显示部分是必须的部分。
而它特殊的地方时它将检测点阵屏的微亮信号并反馈给单片机以使单片机能给出相应的判断来实现互交功能，总结了上面的内容后我们建立一个手写点阵屏的大框架。
（图1-6）
图1-6系统总框架图
当然，这个框架只是一个很大概的规划，框架中的每一个模块都不是表面上的几个字那样简单，每个模块都是由几个功能电路构成的。
控制电路基本只需要单片机和按键就足够了，而点阵模块与手写笔模块就比较繁琐了。
为了便于程序的编写，我们需要一个译码模块来把程序输出的信息译为便于点阵屏使用的信息。
由于我们还需要有手写功能，而不是单纯的显示功能。
所以还需要一个有反馈信号的的传感器来作为手写笔模块，有了手写笔模块我们就要想到信号放大模块、AD转换、滤波模块等。
这些模块里译码、驱动显示模块可以归结为点阵模块下，而手写笔、放大、AD转换、滤波等电路可以归结为手写笔模块。
让我们来看看本设计的较为细致的框架图，如图1-7
图1-7手写点阵屏总框架
1.2.2软件框架
软件部分无疑是本设计的一个关键部分，也是一个难点部分。
我们来想一想我们的程序需要怎样的工作。
参考我们的题目的信息：
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，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。
从题目的要求中我们能知道我们的点阵屏的初始工作状态是点阵屏工作在微亮的状态下当手写笔划过点阵屏后被检测到的点将被点亮。
由这些信息我们可以确定几个问题。
点阵屏工作在微亮状态是让我们明白他的工作方式，也是对我们的一个提示，而这就涉及到我们需要改变点阵屏的亮度。
怎样才能改变点阵屏的工作亮度呢？
我们的第一反应肯定是电压，改变电压就能改变亮度。
但是，改变电压带来的直接后果就是不稳定，而且改变电压对于单片机来说也并非易事。
而后我们有了另外一个想法，PWM波。
我们只要把点亮点阵屏的驱动电压换位PWM波，当波形处于高电平时，LED灯是点亮状态，当波形处于低电平时，LED灯是熄灭状态。
当PWM波以很快的速度上下翻转时，人眼是无法识别的，我们将看到LED灯一直处于点亮状态，只是PWM波中的高电平所占的比重越高LED灯就越亮，所以我们将用单片机产生一个PWM波来制造点阵屏的微亮状态。
说了那么多，现在我们回归主题来看一看我们的设计在软件上实现的流程图（图1-8）
图1-8软件流程图
1.3方案论证
这个任务的主要难点是光笔的定位。
当光笔点在显示屏上，能够准确的识别灯的行列坐标，从而将其点亮。
方案一：
光敏二极管环境光的特性
图1-9LED灯感应环境光的特性
1.将LED等效为电容，用一个IO口给LED加反向电压，也就是对其等效电容充电，然后撤销反向电压，此时等效电容上有电荷，并开始慢慢放电。
2、撤销反向电压，将这个IO口设置为浮空输入，这个时候IO口读取到的是高电平，在结电容上的电荷放电到一定程度后，这个IO口可以读取到低电平。
3、根据照射到感光LED的光线强弱，IO口从高电平到低电平的时间是不同的（光电效应导致放电速度不同），根据这个时间，即可判断出环境光强度。
4.普通红色的LED在日光灯（40w）照射下，IO跌落到低电平的时间是50ms左右，如果使用同样的LED灯管照射该LED则跌落到低电平的时间是5ms以内。
此时用一个LED制作光笔，光笔对某个点LED照射，使其等效电容迅速放电，从而该点LED两端有电位差，点亮此灯。
利用程序扫描在LED灯等效电容快放完电能够点亮之前对其重新充电，使其保持在放电的过程，当光笔照射时，在还未来得及再次充电时已经放电至能够点亮LED。
对已经点亮的灯，程序执行一次复位充电后，将上次记录存储点的坐标重新赋给该LED位，使其点亮。
程序执行一次，时间很短，点亮的LED不断关闭导通，人眼看的效果保持点亮。
方案二：
动态扫描LED屏
在定时中断里面进行动态扫描整个LED屏，瞬间点亮LED，使LED发出微弱光，用光电二极管制作光笔，光笔放在某个LED点上，光笔吸收该LED发出的微弱光，产生一个信号变化输入到处理器中。
利用定时中断，每扫描一个LED，就读取光笔的信号，如果光笔有信号，就说明此点被选择。
将此点行列坐标存储起来。
定时中断每扫描一次，先关闭所有LED，当判断出此次扫描的一个LED行列，再将上次存储的坐标重新赋给LED接口，使重新点亮。
程序执行一次，时间很短，点亮的LED不断关闭导通，使人眼看的效果仍为保持点亮。
方案认证：
方案一中主要运用LED等效电容充放电的光电效应，在强光下能够快速放电，但由于LED的等效电容值过小，其能够储存的电量很小，其放电迅速，未能体现环境光和强光下放电时间的差异，从而也不能够实现要求。
方案二中每扫描一个LED，检测光笔是否接收到信号，从而判断该点被选择。
工程上较容易实现点的定位。
程序设计来点灯，将点亮的灯保持点亮状态。
所以采取方案二制作，工程上容易实现。
有了上面的方案后，我们已经明白了作品的组成模块。
但是，这毕竟还只是框架，而并非实际方案。
所以，我到网上查询框架中每个模块的各种方案综合考评以来确定我的最终方案。
在本小节里，我们将以图1-6中的大框架来对我们的方案进行论证。
1.3.1控制模块
对于控制模块，我们在选择上比较随意，我们的目的是控制点阵屏与手写笔，一般的单片机都足以使用，甚至其他的如ARM等控制芯片也能轻易完成我们的要求。
由于单片机性价比较高，且常见于市面。
所以，我们在这次设计中采用STC12C5A60S2单片机来作为控制芯片。
它是单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速、低功耗、超轻抗干扰的新一代8051单片机，其中AD转换达到10位精度ADC读书精确，控制能力强，精确度高。
而对于其下的按键无需复杂电路在这便不再对其进行阐述了。
1.3.2点阵模块
这里的点阵模块我们将从他之下的小模块来论证我们每一个模块的选择。
首先，译码模块其实是个可有可无的模块，它的主要作用只是把单片机的数据转换为便于点阵屏使用的数据，这样能便于我们的程序编写。
其次，译码器还有个最大的好处就是它能把其他进制的数据转换为二进制使用。
这样，最直接的好处就是为单片机节省了大量宝贵的引脚资源。
对于上面的各种好处，我在本次设计中采用了相关的译码器来作为译码模块。
图1-1074HC154芯片图1-1174HC595芯片
图1-12ULN2804芯片
因为点阵屏的工作为扫描模式，一个端口送数，一个端口扫描。
所以，我们把译码模块分为两部分作说明。
在扫描端，以行为单位进行流水灯方式的进行控制，鉴于这种工作模式每次只需一个端口为有效电平，而一般译码器便能达到指定要求。
所以，在行扫描端我们采用74HC154来作为行扫描端的译码芯片，如图1-10。
而对于送数端，他的工作方式与一般的译码器不同，一般译码器每次工作只有一个有效电平，难以达到我们任意送数的要求。
所以我考虑到用能满足我们任意送数需求的移位寄存器芯片74HC595，如图1-11。
74HC595的输出只有8位，所以我们需要两个74HC595的芯片来作为特殊的译码器使用。
在此我以为译码模块便是这样了，但是，在之后的程序编写中我知道了设计的不足之处。
点阵屏核心为二极管，其一端工作为高电平有效一端工作于低电平有效。
依本次连接法扫描端接正端工作正常，但送数端接反向端后在程序编写上就带来了诸多不便。
因为送数端处点阵屏接受的数据为低电平有效，所以我们在程序编写时便要编写数据的反码才能正常工作，这就给程序编写带来了巨大的麻烦。
在后面，我们将以改进后的电路为主，我们在原来的基础上在送数端加上了ULN2804非门芯片使高低电平转向，如图1-12。
这样我们在程序编写时将省去很多不必要的麻烦。
说完了译码后现在让我们来看看驱动部分。
驱动模块顾名思义就是驱动点阵屏工作的模块，使用这个模块的原因是由于单片机的带负载能力并不强，它只能带动一些功率很小的东西。
它的电压方面能达到一些基本的要求了，然而它的电流非常微小以至于悬于带动点阵屏。
所以，我们需要为点阵屏模块加以驱动来让它能够稳定工作。
但是，任然有一点需要说明，现在的芯片在制作时商家便想到了关于带负载能力这个问题，很多芯片在制作时就已经提高了芯片的带负载能力。
单片机信号出来后只要经过一块芯片后它的带负载能力都会有一定的提高。
就如本次设计的行扫描部分，信号在经过74HC154后带负载能力会有一定的提高，只是提高并不多。
现在我来介绍一下驱动模块的具体方案。
驱动模块这部分我们也分为行扫描以送数两部分来说明。
首先，行扫描中我们用了74HC154后带负载能力会有一定的提升，但是这微弱的提升完全达不到我们的要求，虽然在调试时74HC154已足够点亮点阵屏，但为了输出的稳定性还是有必要把驱动部分加上。
我们在每个输出引脚上加一个三极管，以开关的范式使用，这样便达到了我们提高带负载能力的要求了。
图1-13点阵屏原理图
我们再来说送数部分，最初我认为送数部分可以和扫描部分一样加之三极管以驱动，但经查资料后醒悟。
送数端的点阵屏是低电平有效，三极管驱动用的却是高电平，这就是我大意所进入的一个误区。
在这有两种方案能解决此问题，其一是改变改变三极管的使用方法使它的工作状态改变可以使之变为低电平有效工作。
其二是有非门加驱动芯片也能达到我们的目的，而我们的电路中正好有了驱动能力较强的非门芯片ULN2804。
所以，对于送数端，我们不需要任何驱动。
下面我们来看显示部分，点阵屏显示模块其实没有多少讲述的内容，由于点阵屏的引脚数量较多且一般是多块点阵屏同时使用，所以点阵屏一般采用动态扫描的方式工作。
不仅我们本次所用的16*16的点阵屏，比之大的16*32的点阵屏或更大的屏也基本都用动态扫描方式工作。
如图1-13一组端口作为行扫描，以流水灯方式一行一行的向下扫，扫到行数即为显示行。
而送数端则接到另一组口（或更多的口上，可以加驱动减少端口消耗）然后再行扫描对应的行上送入相应的数据，这就是点阵屏的工作方式。
由于人眼的视觉暂留效果，虽是一行一行扫描工作，但人的眼睛无法识别。
在人看来他们是同时出现的，这就达到了我们的目的。
我们在这里使用的是16*16的点阵屏
1.3.3手写笔模块
对于手写笔的采集模块我一直比较犹豫，这个是本次设计的一个关键点，需要把点阵屏发出的微光进行采集。
一般采集的传感器有光敏二极管、光敏三极管、光敏电阻等。
这三个采集器件在使用中很多人认为是光敏三极管好，网上也有很多人推荐光敏三极管。
但我做了一些简单的检测感觉这微小的差别对我来说用处不大，我反而觉得光电二极管在使用时效果好一些。
所以，在本次设计中我的采集器件为光电二极管。
采集部分的选择确定下来了就该考虑之后的信号应该怎样处理。
这时，首先想到的是什么？
对，放大。
众多需要检浏的微弱光信号通常都是通过各种传感器来进行非电量的转换，从而使检测对象转变为电量（电流或电压）。
由于所测对象本身为微弱量，同时受各种不同传感器灵敏度的限制，因而所得到的电量自然是小信号，一般不能直接用于采样处理。
而是需要对其进行放大处理后才能用于后面的电路。
放大电路的种类也有很多种，我们这里就用一个简单而典型的放大电路芯片AD823。
信号经过AD823放大后，我们进入下一步处理，滤波。
光电二极管所采集的信号经过了信号放大以后还不是我们所需要的信号，采集后的信号中不可避免的被混入了我们不需要的干扰信号和噪音信号。
为使电路设计简洁并具有良好的信噪比,设计时还需要用带通滤波器对信号进行处理。
为保证测量的精确性，本设计在前置放大电路之后加人二阶带通滤波电路，以除去有用信号频带以外的噪声，包括环境噪声及由前置放大器引人的噪声。
这里采用的有源带通滤波器可选通某一频段内的信号，而抑制该频段以外的信号。
光笔中采集的信号经过上面的放大、滤波，现在信号即将进入单片机，但任然需要进行最后一步处理，滤波后的信号任然是采集来的物理信号，单片机需要的是个数字信号，所以我们需要一个AD模块。
虽然在本次设计中我们可以直接使用物理信号，但是为了防止出现可疑信号我们任需为电路加上AD模块，在这里我们采用AD7714来作为AD转换模块。
AD7714功能强大、接口方法简单、设定方式灵活，所以在生活中应用广泛。
经过上面的论证，我们已经确立了我们的方案，之后我们将在动手中来落实我们的实际电路。
1.3.4软件方案
对于软件的方案论证我们所需要讨论的并不多，最关键是在程序执行时LED灯的扫描方式有很多种选择.第一种方案是我们可以使用先单纯扫描点阵屏的行，当有信号手写笔反馈了信号后又马上转为扫描列，以来捕捉采集点的坐标。
第二种方案是我们可以使用一次行扫描一次列扫描的交替工作来捕捉坐标。
第三种方案我们可以采用按点扫描的方式来捕捉我们所需的坐标。
在我们的实际调试后，最终我们选择了最后的第三种方案。
2电路设计
经过这么长时间的努力，大脑里已经有了一个具体的方案，现在需要做的就是把上面的方案模块变为具体的电路组合为我们所需要的电路。
下面我们将以每个小模块来实际规划电路。
2.1控制电路
控制电路在电路中是一个很为重要的部分，犹如电路的灵魂一般，但其重点在程序部分，所以在电路方面我们不再对其进行深究。
图2-1单片机最小系统
2.2显示电路
显示电路是电路中不可或缺的一部分，其由译码、驱动、显示部分级联而成，其框架图如图2-2所示：
图2-2显示电路框架
我们西安来看一看译码与显示部分，通过方案论证我们得出的译码电路的使用方案为阳极使用74HC154，阴极使用74HC595来作为点阵模块的译码电路，其芯片在电路中的连接直接连接即可。
而显示部分由四快点阵屏组合拼接而成，其电路常见没有可疑之处，在此我们便不再对其过多阐述。
现在我们来看一看驱动部分，驱动在电路里的作用也是不可或缺的，它直接关乎这电路的正常工作，直接关乎着点阵屏的亮与不亮。
这里的三极管工作在饱和与截至的状态，它是一个典型的开关电路。
而下面的几个二极管的作用就是为上面的三极管提供工作环境的，使上面的三极管能正常的工作在开关状态。
图2-3点阵屏驱动电路
2.3光笔电路
光笔所接收到的信号一般都非常微弱，而且光探测器输出的信号往往被深埋在噪声之中，因此，要对这样的微弱信号进行处理，一般都要先进行预处理，以将大部分噪声滤除掉，并将微弱信号放大到后续处理器所要求的电压幅度。
然后再把所得信号转换为单片机信号。
其光电检测模块的组成框图如图2-4所示。
图2-4光笔模块框架图
2.3.1光电二极管
光电二极管一般有两种模式工作：
零偏置工作和反偏置工作，图2-3所示是光电二极管的两种模式的偏置电路。
图中，在光伏模式时，光电二极管可非常精确的线性工作；
而在光导模式时，光电二极管可实现较高的切换速度，但要牺牲一定的线性。
事实上，在反偏置条件下，即使无光照，仍有一个很小的电流（叫做暗电流或无照电流1。
而在零偏置时则没有暗电流，这时二极管的噪声基本上是分路电阻的热噪声；
在反偏置时，由于导电产生的散粒噪声成为附加的噪声源。
因此，在设计光电二极管电路的过程中，通常是针对光伏或光导两种模式之一进行最优化设计，而不是对两种模式都进行最优化设计。
图2-5光电二极管工作模式
（b）光导模式
（a）光伏模式
一般来说，在光电精密测量中，被测信号都比较微弱，因此，暗电流的影响一般都非常明显。
本设计由于所讨论的待检测信号也是十分微弱的信号，所以，尽量避免噪声干扰是首要任务，所以，设计时采用光伏模式。
2.3.2主放大器
本设计中的光电二极管前置放大电路主要起到电流转电压的作用，但后续电路一般为A／D转换电路，所需电压幅值一般为2V。
然而，即使是这样，而输出的电压信号一般还需要继续放大几百倍，因此还需应用主放大电路。
其典型放大电路如图2-6所示。
图2-6AD放大电路
该主放大器的放大倍数为A=l＋R2/R3，其中R2为反馈电阻。
为了后续电路的正常工作，设计时需要设定合理的R2和R1值，以便得到所需幅值的输出电压。
即有
2.3.3滤波
为使电路设计简洁并具有良好的信噪比,设计时还需要用带通滤波器对信号进行处理。
完整检测电路图：
（图2-7）
图2-7光笔前级电路（采集、放大、滤波）
前级部分由光电转换二极管与前级放大器组成，这也是光电检测电路的核心部分，其器件选用高性能低噪声运算放大器来实现电路匹配并将光电流转换成电压信号，以实现数倍的放大。
然而，虽然前级放大倍数可以设计得很大，但由于反馈电阻会引
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