LED点阵书写屏报告
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LED点阵书写屏
参赛队号____________
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。
一、系统方案
1、方案论证与比较
1）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）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）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）按键
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。
5）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.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、连写多字以及对象拖移等功能。系统总体结构如图1所示。
图1 系统总体结构
二、理论分析与计算
1、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（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。
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、点阵屏驱动
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、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、A/D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_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、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
三、电路与程序设计
1、电路设计
1）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）A/D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) 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。
图6 亮度调节电路图
4）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、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。
图8 主程序流程图
四、测试结果
五、结论
整个比赛制作过程是紧X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，2012.12
[2]童诗白，模拟电子技术基础（第四版），高等教育，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，航空航天大学，2011.1