书写式LED点阵显示屏的设计

  摘要：本文设计了一套成本低廉，通过书写笔可以轻松、简便地输入信息并显示的装置，以单片机为微控制器，以32×32点阵LED组成显示模块，结合行、列扫描驱动逻辑电路，编写程序控制所有LED点工作在扫描微亮和稳定点亮两种状态，用光敏三极管和比较器组成新型光笔，通过光笔检测笔尖下方LED的扫描微亮光线使控制器进入中断并记录当前扫描点的坐标编号，从而实现信息输入和LED屏显示控制。所设计的LED显示屏无需数据传输通信，以光笔书写方式输入信息，不需要触控器件，能够实现2s内划亮40点满足书写流畅的要求，可广泛应用于需要频繁更改发布内容的广告显示场合。
关键词：LED点阵显示屏；光电书写笔；微亮扫描；光敏检测

0 前言
    LED点阵显示屏可以显示变化的数字、文字、图形图像，动态范围广，亮度高，寿命长，工作稳定可靠，已成为众多显示媒体以及户外作业显示的电子工具，广泛应用于车站、宾馆、体育、金融、证券等广告或交通运输行业。LED点阵显示屏一般由四个主要部分组成：微控制器主控单元、译码驱动电路、LED点阵电子屏、通信模块。其中通信模块通常是RS-485接口，甚至是GSM无线通信模块，实现显示屏与上位机的通信接收，显示数据和发布信息。这种信息获取方式需要联机，有时不是十分方便，本文以2009年全国大学生电子设计竞赛H题为要求，设计一套书写式LED点阵显示屏，通过手写轻松、简捷地输入显示内容。

1 系统方案设计
    常见的书写笔是基于触控技术构成的输入设备，由触摸屏和书写笔构成，触摸屏有矢量压力传感技术、电阻技术、电容技术、红外线技术、表面声波技术五种类型，价格昂贵。由于LED显示屏本身具有点阵光源，结合光电传感技术设计新型信息采集输入电路，可节省触控模块的材料费用，同时亦可避免其透光差而影响显示画面的清晰度及长期使用后出现坐标漂移、影响使用精度等缺点。
    书写式LED点阵显示系统分为微控制器单元、X／Y轴扫描驱动单元、LED点阵模块和光笔传感器单元等，结构组成原理如图1所示。系统中，1024个发光二极管以32×32的方式排列成LED点阵显示模块，工作于两种状态：a．由微控制器单元通过X、Y轴方向的扫描驱动单元逐行、逐列地轮流短时间点亮每个LED，使整个LED模块处于扫描微亮状态；b．由微控制器根据显示内容译码成为行、列控制信号将信息构成点稳定点亮。两种状态由微控制器以微观时间片分时完成，宏观上同时存在。扫描微亮状态下每个LED点亮时配以唯一的编号，书写时，当某个LED的扫描微亮光线恰好被靠近的光笔尖内置光敏三极管检得时，光电流经脉冲比较整形电路输出下降沿信号，引起微控制器中断，由中断程序识别笔尖靠近的LED编号，并记入内存显示缓冲区待微控制器在稳亮状态处理。

    为了达到书写流畅，设计在2s钟内划亮40点，则任一点划亮周期为50ms，这就是1024点的微亮扫描周期，以此计算得每点的扫描微亮时间大约为48 μs，这个时间由微控制器内部定时器定时，由定时中断服务程序完成LED编号和轮流点亮。微亮扫描时先从第1行开始逐列扫描，待第一行完成后再扫描第二行，以此类推直至扫描完最后一行再次循环。由于每点在50 ms重复点亮一次，只要光笔传感器在某点停留时间超过50ms必将感应到微亮光线而进入中断记录该点坐标。

2 电路设计
    基于上述原理分析，各部分电路设计如下。
2．1 微控制器单元设计
    单片机应用简单，软件编程灵活，因而采用单片机作为系统的控制器，具体选用MCS-51系列AT89S52作为本系统的核心器件。AT89S52指令执行速度达到1MIPS，平均指令执行时间在1～2 μs，能够满足本系统的应用需要。同时，该型号单片机具有功能强大的位操作指令，采用Flash工艺制作，具有ISP线上编程功能，大大方便系统的调试，程序的存储空间达8kB，I／O口均可按位寻址为设计任务打下基础。微控制器单元包括单片机、晶振电路、复位电路。复位电路由RC充电网络构成，选用10μF极性电容和1kΩ电阻，开机上电时在电容负极性端产生至少2
个机器周期的高电平输入RST完成复位。为了定时准确，晶振电路选12MHz，可产生精确到μs级的时隙，方便定时操作。另外，本系统通过I ／O口驱动按键用于清屏操作。
2．2 X／Y轴扫描逻辑单元
    通常LED点阵显示屏采用74LS595进行扫描驱动，每片可驱动8列，驱动32列需要4片，同时每列数据串行输入，逻辑电路移位造成速度过低。因此，本设计中采用4片74LS373锁存器对LED点阵X轴方向进行列扫描，将LED点阵显示屏作为外部RAM驱动，以MOVX指令对总线操作一次完成一列扫描，指令执行占用2个机器周期，对于12MHz晶振，在2 μs刷新一次列扫描数据，可保证每点点亮48 μs，达到书写流畅的要求。本设计中将74LS373的锁存控制端EA和LE轮流锁存来使各4个8位LED点亮或熄灭。
    采用2片4-16译码器74LS154对LED点阵在Y轴方向进行行扫描。对两片74LS154轮流输入控制信号来实现对每一行的轮流显示控制，可大大简化控制难度，提高扫描速度。由于所选用的LED最大电流为10mA，而74LS154最大灌电流为14mA，正常工作下全屏显示需要同时输入32个LED的电流，因此设计中以74LS154控制三级管8550的通断来泄流，三极管8550集电极电流可达到100mA，以其发射极接LED的阴极。

2．3 光笔传感器单元电路
    根据设计要求，2s内点亮40个LED点，因此必须在48 μs内扫描1个LED并完成外部中断的判断，故光笔的响应时间必须远远小于48 μs。光敏三极管的响应时间为5～10 μs，当光强改变时，单片机就能检测到它的变化，可以满足设计要求。光笔传感器单元电路如图4所示。由光敏三极管检测扫描微亮光线，将光电流转换为瞬变电压，通过由LM393组成的比较整形电路输出脉冲。其中整形电路参考电位由电位器提供，可用来调节光笔灵敏度。当光笔(光敏三极管)检测不到有突变光强时，光敏三极管因暗电流而内阻很大，LM393输出高电平。当光强的突变产生光电流信号经此单元处理后得到下降沿信号送入单片机P3．2时端口可触发单片机外部中断。

3 程序设计
    系统程序模块分为前台程序和后台程序，前台程序即系统主程序，除进行系统定时器、中断初始化外，主要负责从内存显示缓冲区读取显示信息所对应的LED点坐标，然后驱动LED稳定点亮。后台程序由定时器中断子程序、光笔检测中断子程序两个部分。定时器定时48 μs，中断修改扫描编号和调整扫描坐标完成一个LED点的微亮扫描。光笔检测中断子程序完成读取当前微亮扫描LED的编号并记入内存显示缓冲区。在系统中断优先级设置上以光笔中断优先高于定时器。程序结构流程如图5所示。

4 设计成果测试及进一步开发展望
    测试仪器主要有：直流稳压源YB1730、万用表SJ47、数字示波器TDS2022B、函数信号发生器等。在室内常态光强下，环境温度为常温25℃，无强电磁干扰，由市电220V供电，通过直流稳压源转化为+5V对系统供电，打开系统总电源，仔细观察LED无闪动现象，此时已工作
在扫描微亮状态，用光笔放在LED点阵的某个点上，则此LED点亮，并且无闪动现象。继续测试其它LED，同样点亮，且无闪动，则实现点亮功能。当光笔在屏上快速划过时，能同步点亮划过的各点LED，速度达到2s内能点亮40点。
    本系统利用AT89S52对1024个LED分时扫描微亮，由光笔传感器检测微亮光线实现书写点坐标的识别，然后由主程序稳定显示输入的信息，充分利用LED光源特性和单片机内部定时器、中断系统资源，设计原理科学，构思巧妙，以低廉的成本和逻辑性极强的程序实现书写输入式LED显示屏的设计，具有强的可扩展性，应用前景广阔。