写点阵屏遥控器794960复习课程.doc

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论文题目：L ED书写点阵屏遥控器

LED书写点阵屏遥控器

摘要
本作品由两部分：一个为LED书写点阵屏，一个为LED点阵显示屏。LED书写点阵屏以12单片机为核心，设计并制作了一个基于16×16点阵LED模块显示屏。该点阵可以实现扫描微亮和显示点亮两种工作模式，能够通过自制光笔检测在点阵处于扫描微亮状态时获取其行列坐标信息，并能通过液晶显示出来，同时能依据功能要求控制检测点处LED的亮灭，在屏幕上实现“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，并且通过按键可以实现不同功能之间的切换。设计方案运用了74HC164驱动点阵的行和运用74HC595驱动点阵的列，通过单片机的控制实现各种显示功能。在书写功能完成后，加上无线发送模块，把书写的数据发送到LED点阵显示屏上。LED点阵显示屏用于模拟LED书写点阵屏的遥控功能，通过接收书写点阵屏的数据，把数据显示出来。

关键词：16×16点阵LED显示屏、单片机、74HC164、74HC595、光笔

目录
1 前言 1
1．1课题研究的背景及意义 1
1．2项目创新点与技术指标 1
2 项目的整体设计 2
3 方案论证与比较 2
3.1核心控制模块 2
3.2光笔设计的方案选择 3
3.3人机交互模块 3
3.4定位方法 3
4 系统硬件设计 3
4.1系统的总体设计 4
4.2单元模块的设计及参数计算 4
（1）光笔的设计及单元参数的设计 4
（2）16×16LED点阵的连接及驱动控制电路 4
（3）键盘的使用及设计 5
（4）无线收发模块A7125 6
5 软件设计 7
5.1 主程序流程图 7
5.2 子程序流程图 8
6 测试结果 9
7 总结 10
参考文献 11
附件 12
实物图 12
电路图 12

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1 前言
1．1课题研究的背景及意义
目前，国内的LED显示屏大部分是单显示型，其显示的内容相对较少，显示花样较单一。一般在产品出厂时，显示内容就已写入显示屏控制系统中的EPROM内，当需要更改内容显示内容十分困难，这样使该类型的显示屏使用范围受到了限制。国内的另一种显示屏—可编程序型LED显示屏，虽然增加了显示屏系统的编程能力，显示内容和显示花样有所增加，但也存在着更换显示内容不便的缺点。
随着社会经济的迅速发展，如今的LED点阵广告牌，都存在着显示内容丰富，信息量大、信息更新速度快等特点。因此传统的LED显示屏控制系统已经越来越不能满足现代广告宣传业的需要。而LED书写点阵屏就能很好地突破这个问题，能进行实时更新，操作简单方便，不用重新编写程序以及烧录程序等繁琐步骤。除了书写单个字外，还可以进行反显、整屏擦除、笔画擦除功能，并具有数据存贮、多字连写、对象拖移等功能。
用户只需通过操作界面，进入“连写多字”模式，把需要显示的内容写在显示屏上，进行存贮，然后再把显示的内容进行左移（或右移）显示，确定显示的内容后，把存贮的数据通过无线模块发送到另外一个LED点阵显示屏进行显示，从而实现无线控制LED点阵显示屏的功能。
1．2项目创新点与技术指标
LED书写点阵屏遥控器具有以下创新点：
（1）功能多样化。除了书写单个字外，还可以进行反显、整屏擦除、笔画擦除功能，并具有数据存贮、多字连写、对象拖移等功能；
（2）实时更新内容。通过连写多字的功能，把存储的数据发送到LED显示屏上进行更新显示；
（3）节能环保。光笔在连续二十分钟没有接触点阵屏，点阵屏自动进行休眠。
LED书写点阵屏遥控器的技术指标：
（1）光笔在LED点阵屏接触一点时，要能返回该点的坐标（x,y）。同时，要求在2S内，能画亮40个LED；
（2）在“连写多字”功能下，能结合自选的擦除方式，在30s内在屏上以“划亮”方式逐个写出四个汉字（总笔画数不大于30）且存入机内，写完后再将所存四字在屏上逐个轮流显示；在确定显示的内容后，把数据发送到LED显示屏进行显示，从而达到模拟远程遥控LED点阵显示屏（远程距离不超过50米）；
除了上述功能外，还具有对整屏的反显、整屏擦除以及笔画擦除。

2 项目的整体设计
设计并制作一个基于16×16点阵LED模块的书写显示屏，其系统结构如图1所示。在控制器的管理下，LED书写点阵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。在实现以上功能的基础上，在“连写多字”的模式下，把显示的内容写在LED书写点阵屏上，进行存贮，并把存贮的数据通过无线收发模块，发送到LED点阵显示屏上，控制LED点阵显示屏上的显示内容。

3 方案论证与比较
3.1核心控制模块
核心控制模块是系统的大脑，控制着系统的所有输入输出、计算、判断与决策。“LED书写点阵屏”检测精度要求高且数据存储容量大，选择适合的控制模块，能确保其快速是实现稳定及达到系统要求的基本条件。
考虑到我们现有的材料和技术，我们使用ATMEL公司的12系列单片机。此系列单片机使用广泛，技术成熟，调试方便，价格便宜，其运行速度和存储空间基本符合项目要求。所以，最终我们采用了12单片机。
3.2光笔设计的方案选择
光笔设计的关键是选择合适的传感器件，只有具有很高的灵敏度和一定的响应时间的传感器才能完成系统的要求及功能。
方案一：采用光敏二极管，有较好的高频特性，具有一定的可靠性，功耗低，响应速度快。
方案二：采用光敏三极管，其工作原理与光敏二极管相似。但光敏三极管除了具有光敏二极管能将光信号转换成电信号的功能外，还有对电信号放大的功能。
综上分析考虑，我们采用光敏三极管作为光笔的检测部件。
3.3人机交互模块
通过按键选择系统的“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，所以考虑到需要显示的信息量较多，我们采用了将常用的12864液晶显示屏。
经过仔细的论证与比较，决定系统个主要模块最终方案如下：
微控制器模块采用12单片机最小系统；光笔模块采用光敏二极管；显示模块采用12684液晶显示；点阵屏模块采用成品的16*16点阵模块。
3.4定位方法
方案一：大多定位方法都采用一次定位（即检测到光就立刻把坐标的值进行存储），这样做的好处是定位快速，屏幕不会有闪烁的现象，但定位不是很准确很容易出现误判，而且受光是影响很大。
方案二：采用三次定位的方法（即进行三次的判断），这样做可以大大减少误判的情况，坐标的定位准确率达到了百分之九十八以上，但有与进行了三次判断使屏幕稍微有点闪烁的现象，影响不是很大。
综上我们采用了方案二。
4 系统硬件设计
4.1系统的总体设计
本设计以80C51单片机为核心部件结合按键、12864液晶显示、光笔检测及LED点阵驱动显示等部分组成。系统框图如图2所示：

图2 系统框图
4.2单元模块的设计及参数计算
（1）光笔的设计及单元参数的设计
光笔检测模块电路原理图如图3。Q1为光敏二极管，经R2分压，将亮度信号转换成电压信号。光敏二极管在微亮下的电阻为300K，当光笔检测到微光时，电压比较器LM393的正输入端比负输入端低，所以输出为低电平，在没遇到微光时，输出为高电平。通过改变R5、R3的阻值，改变电压比较器的负输入端电压，从而提高光笔的灵敏度。
信号输出

图3 光笔电路图

（2）16×16LED点阵的连接及驱动控制电路
通过74HC164驱动点阵的列和运用74HC595驱动点阵的行，再经过三极管进行电流放大，电路图见附表电路图。

图4 74HC164控制LED点阵屏的列

图5 74HC595控制LED点阵屏的行

（3）键盘的使用及设计
键盘是使用比较简单的独立式键盘，而且具有发光二极管指示功能模块。在程序中采用中断扫描的方式，在没有键操作时CPU执行正常程序，只在有键操作时才处理键盘程序。其电路如图6所示：
MCU控制芯片
复位电路
12864液晶菜单模块

图6 独立式键盘电路图
按键功能：
按键一：实现各菜单功能的切换，其可以分别在
点亮模式；画亮模式；连写模式；对象拖移之间切换；同时按键一还是
可以实现从各个界面退回初始界面的的功能；
按键二：确认键；实现进入各个界面的功能；
按键三：光标移动按键，实现各个界面的选择；

（4）无线收发模块A7125

图7 无线收发模块

A7125模块2M的速率下,空旷地的距离为50米左右,1M的速率下,空旷地的距离为80米左右,A7125使用FSK调变于2400～2483MHz之间的ISM Band；A7125的控制接口为常见的SPI，MCU通过SPI控制A7125的输出功率，读写FIFO，读取8-bit Digital RSSI，以及传输速率等设定。
项目中，无线模块A7125传输距离达到差不多50米。

5 软件设计
5.1 主程序流程图
主程序采用了基于消息驱动的状态机软件设计思路，通过状态机来合理划分系统各工作状态，将原来复杂的问题简单话；并采用模块化的方法将各个功能细化。整个程序清晰、简单、可读性高、移植性强。系统菜单程序图下图7所示，通过划分不同工作状态，合理建立各状态模型。详细的程序功能流程图如图8。

图8 系统菜单程序图

图9 程序功能流程图
5.2 子程序流程图
如图9所示为光笔检测流程图。

图10所示为光笔检测流程图

6 测试结果
测试项目
基本要求
发挥要求
电路测试要求
点亮及显示坐标
即时点一个点并显示坐标

实现，并直接利用LED屏显示坐标
划亮
2S点亮40个点

2S点亮35个点，有点慢
反显
能对屏上显示的信息实现反相显示

实现
整屏擦除
能实现对屏上所显示信息的整屏擦除

实现
笔画擦除

能用光笔擦除屏上所显示汉字的笔画
实现
连写多字

在30S内在屏上以“划亮”方式逐个写出4个汉字
实现
无线发送数据
距离50米
可以传输并显示4个字
实现

7 总结
首先，感谢洪老师的指导，在我们遇到困难的时候能帮助我们解决难题。
在整个制作过程中，我们在网上查阅了大量的资料。虽然网上有关我们这个课题的资料很多，但很多核心技术是没有写上去的。所以，我们一步一步摸索。
在用光敏三极管做成我们的第一个光笔，虽然能检测的到光信号，但灵敏度达不到要求，对环境的光线的抗干扰能力差。电路图简单，原理简单，我们试着通过添加一下抗干扰的元件，去除电源干扰，在光敏三极管加上二极管等手段，终于把光笔的功能完善了。在项目中，我们通过使用面包板，构建元器件电路图，从而节约了设计的成本。
在最关键的技术难题上，是如何确定点阵屏光点的坐标，通过改进光笔的性能，参考网上程序编写的思路，通过反复试验点阵屏的亮度与延时的时间，通过不断的摸索和更新程序，更换比51处理速度更快的12系列单片机，终于在技术上做到了抗干扰更强，处理速度更快，书写更流畅。
本作品虽然完成了基本功能，但是无线遥控LED点阵显示屏的技术还没有成熟，还有待完善。现在技术只是做到了无线控制16*16LED点阵显示屏，更新其内容，而且发送只能小于4个字符，数据量不大，如果要无线控制LED点阵广告屏，还需要更高的技术开发，存储数据更大，需要对LED书写点阵屏的书写数据进行处理压缩。
LED书写点阵屏遥控器的应用，我们总结如下：
1、技术特点和优势：突破LED点阵屏传统输出模式，只能输出固定的程序字符，而该点阵不需要重新擦鞋程序就可以随时更改显示内容，方便快捷，同时输出的内容多样化，突破传统的字符。
2、作品适应范围及推广前景：该作品适用于LED点阵广告屏，可应用该技术制作一个改变LED点阵显示屏的内容的远程控制器，随时随地更新LED点阵屏的内容，方便快捷。同时，可以应用于教学的“黑板”，解决传统的反光问题，让教师上课更加轻松。
3、市场分析和经济效应预测：市场上，LED点阵广告牌应用广泛，但广告的内容是固定不变的，而我们的产品可以改变这种局面。广告牌挂在高空中，改变内容十分困难，所以该技术成熟时，能随时随地改变广告的内容。

参考文献
[1] 李华．MCS-51系列单片机实用接口技术．北京：北京航航天大学出版社，1993
[2] 金庆发． 传感器技术与应用[M]　北京：机械工业出版社，　 2002.1
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[6] 高吉祥 . 模拟电子技术（第二版） . 电子工业出版社 . 2009
[7] 胡乾斌等．单片微型计算机原理与应用．武汉：华中科技大学出版社，1997
[8] 高吉祥 . 全国大学生电子设计竞赛系列教程 . 电子工业出版社.2007
[9] 高锋．单片微型计算机原理与接口技术． 北京：科学出版社，2003年2月

附件
实物图

图1实物整体
点阵屏电路图

图1 16*16点阵屏

图2 点阵行控制电路

图3电流放大电路

图4 输入端与列控制电路

LED点阵屏微控制器的最小系统

图5 LED点阵屏微控制器的最小系统

图6光笔电路图

图7 无线收发模块