LED点阵书写屏的设计.doc

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1、LED点阵书写屏的设计 第1章 绪 论1.1 课题的背景与意义 随着计算机技术的发展,各种硬件设备也是日新月异、层出不穷。在输入设备中,为了应对手写文字输入与绘画输入的需求,出现了各种手写绘画输入设备,包括写字板、绘图板等。随着电脑的普及和网络的流行,人们对网上信息访问量迅速上升,但用键盘快速打字,对还不熟悉电脑的人们来说真是件费力又费心的事。写字板可以免去学习打字的烦恼,目前的写字板在智能识别技术已经相当先进,就算字迹潦草些,也不用担心电脑无法识别。 写字板大到商业广告牌,小到个人使用的电脑用写字板之所以受到广泛重视而得到迅速发展,是与它本身所具有的优点分不开的。这些优点概括起来是:手写,可

2、以发挥创造性,目前许多人为了更好的体现自身的风格,多运用手写这种新的方式,手写形式多样化,随意中体现出别致,刻意营造不同的特点。可擦拭:针对目前大多广告招牌是一次性的,写字板具有可反复多次使用功能,适用于各种需要经常更换内容。发光效果:颜色绚丽,传统白板或黑板的广告到夜间即使打上灯光效果也很一般。 和写字板类似的是绘图板,绘图板可以让你找回拿着笔在纸上画画的感觉,不仅如此,它还能做很多意想不到的事情。它可以模拟各种各样的画家的画笔,例如模拟最常见的毛笔,当我们用力的时候毛笔能画很粗的线条,当我们用力很轻的时候,它可以画出很细很淡的线条,它可以模拟喷枪,当你用力一些的时候它能喷出更多的墨和更大的

3、范围,而且还能根据你的笔倾斜的角度,喷出扇形等等的效果除了模拟传统的各种画笔效果外,它还可以利用电脑的优势,作出使用传统工具无法实现的效果,例如根据压力大小进行图案的贴图绘画,你只需要轻轻几笔就能很容易绘出一片开满大小形状各异的鲜花的芳草地1.2 写字板的特点和应用 写字板一般是使用一只专门的笔,或者手指在特定的区域内书写文字。写字板通过各种方法将笔或者手指走过的轨迹记录下来,然后识别为文字。对于不喜欢使用键盘或者不习惯使用中文输入法的人来说是非常有用的,因为它不需要学习输入法。写字板还可以用于精确制图,例如可用于电路设计、CAD设计、图形设计、自由绘画以及文本和数据的输入等。 写字板一般分为

4、电阻压力式、电磁压感式、电容触控式。 电阻压力式:阻式写字板是由一层可变形的电阻薄膜和一层固定的电阻薄膜构成,中间由空气相隔离。其工作原理是: 当用笔或手指接触写字板时,上层电阻受压变形并与下层电阻接触,下层电阻薄膜就能感应出笔或手指的位置。 优点:原理简单、工艺不复杂、成本较低、价格也比较便宜。 缺点:(1)由于通过感应材料的变形判断位置,感应材料易疲劳,使用寿命较短。(2)感触不是很灵敏,使用时压力不够则没有感应,压力太大时又易损伤感应板。 电磁压感式:电磁式写字板是通过在写字板下方的布线电路通电后,在一定空间范围内形成电磁场,来感应带有线圈的笔尖的位置进行工作。这种技术目前被广泛使用,主

5、要是由其良好的性能决定的。使用者可以用它进行流畅的书写,手感也很好,绘图很有用。 电磁式感应板也有缺点:(1)对电压要求高,如果使用电压达不到要求,就会出现工作不稳定或不能使用的情况。(2)抗电磁干扰较差,易与其他电磁设备发生干扰。(3)手写笔笔尖是活动部件,使用寿命短(一般为一年左右)。(4)必须用手写笔才能工作,不能用手指直接操作。 电容触控式:电容式写字板的工作原理是通过人体的电容来感知手指的位置,即当使用者的手指接触到触控板的瞬间,就在板的表面产生了一个电容。在触控板表面附着有一种传感矩阵,这种传感矩阵与一块特殊芯片一起,持续不断地跟踪着使用者手指电容的“轨迹”,经过内部一系列的处理,

6、从而能够每时每刻精确定位手指的位置(X、Y坐标),同时测量由于手指与板间距离(压力大小)形成的电容值的变化,确定Z坐标,最终完成X、Y、Z坐标值的确定。因为电容式触控板所用的手写笔无需电源供给,特别适合于便携式产品。这种触控板是在图形板方式(Graphic Table Mode)下工作的,其X、Y坐标的精度可高达每毫米40点(即每英寸1000点)。 谈到写字板就不能不说说LED显示屏。1.3 LED显示屏的特点和应用 1970年代最早的GaP、GaAsP同质结红、黄、绿色低发光效率的LED已开始应用于指示灯、数字和文字显示。 从此LED开始进入多种应用领域,包括宇航、飞机、汽车、工业应用、通信

7、、消费类产品等,遍及国民经济各部门和千家万户。到1996年LED在全世界的销售额已达到几十亿美元。尽管多年以来LED一直受到颜色和发光效率的限制,但由于GaP和GaAsP LED具有长寿命、高可靠性,工作电流小、可与TTL、CMOS数字电路兼容等许多优点因而却一直受到使用者的青眯。 最近十年,高亮度化、全色化一直是LED材料和器件工艺技术研究的前沿课题。超高亮度UHB是指发光强度达到或超过100mcd的LED,又称坎德拉cd级LED。高亮度A1GaInP和InGaN LED的研制进展十分迅速,现已达到常规材料GaA1As、GaAsP、GaP不可能达到的性能水平。我国发展LED起步于七十年代,产

8、业出现于八十年代。全国约有100多家企业,95%的厂家都从事后道封装生产,所需管芯几乎全部从国外进口。通过几个“五年计划”的技术改造、技术攻关、引进国外先进设备和部分关键技术, 使我国LED的生产技术已向前跨进了一步。 LED显示屏分为数码显示屏、图文显示屏和视频显示屏,均由LED矩阵块组成。LED数码显示屏的显示器件为7段码数码管,适于制作时钟屏、利率屏等,显示数字的电子显示屏。 图文显示屏可与计算机同步显示汉字、英文文本和图形;视频显示屏采用微型计算机进行控制,图文、图像并茂,以实时、同步、清晰的信息传播方式播放各种信息,还可显示二维、三维动画、录像、电视、VCD节目以及现场实况。LED显

9、示屏显示画面色彩鲜艳,立体感强,静如油画,动如电影,广泛应用于金融、税务、工商、邮电、体育、广告、厂矿企业、交通运输、教育系统、车站、码头、机场、商场、医院、宾馆、银行、证券市场、建筑市场、拍卖行、工业企业管理和其它公共场所。LED交通信号灯与白炽灯相比,工作寿命较长,一般可达到10年,考虑到户外恶劣环境的影响,预计寿命要减少到5-6年。 LED之所以受到广泛重视而得到迅速发展,是与它本身所具有的优点分不开的。这些优点概括起来是:亮度高、工作电压低、功耗小、小型化、寿命长、耐冲击和性能稳定。 a、亮度高:户外LED显示屏的亮度大于8000mcd/m2,是目前唯一能够在户外全天候使用的大型显示终

10、端;户内LED显示屏的亮度大于2000md/m2。 b、寿命长:LED寿命长达100,000小时(十年)以上,该参数一般都指设计寿命,亮度暗了也算; c、视角大:室内视角可大于160度,户外视角可大于120度。视角的大小取决于LED发光二极管的形状。 d、屏幕面积可大可小,小至不到一平米,大则可达几百、上千平米; e、易与计算机接口,支持软件丰富。 LED的发展前景极为广阔, LED显示屏采用了低电压扫描驱动,具有耗电省、使用寿命长、成本低、亮度高、视角大、可视距离远、防水、规格品种多等优点,可以满足各种不同应用场景的需求,发展前景非常广阔,被公认为最具增长潜力也是发展最快的的LED应用市场。

11、目前正朝着更高亮度、更高耐气候性、更高的发光密度、更高的发光均匀性,可靠性、全色化方向发展。1.4 写字板的现状和发展 随着科技的进步,写字板已经发展得非常完善,和键盘鼠标一起成为了人们的主要输入设备之一,而写字板的使用者,除了一些不熟悉键盘的老年人、专业的数码工作者外,还有很多年轻的潮流一族。中国写字板产业发展出现的问题中,许多情况不容乐观,如产业结构不合理、产业集中于劳动力密集型产品;技术密集型产品明显落后于发达工业国家;生产要素决定性作用正在削弱;产业能源消耗大、产出率低、环境污染严重、对自然资源破坏力大;企业总体规模偏小、技术创新能力薄弱、管理水平落后等。 从什么角度分析中国写字板产业

12、的发展状况?以什么方式评价中国写字板产业的发展程度?中国写字板产业的发展定位和前景是什么?中国写字板产业发展与当前经济热点问题关联度如何诸如此类,都是写字板产业发展必须面对和解决的问题?中国写字板产业发展已到了岔口;中国写字板产业生产企业急需选择发展方向。 纵观以上信息,依据当前LED的显示优势和写字板的流行,在本设计中采用了LED点阵显示屏和光敏三极管感应光笔,来设计一个模拟的写字板。1.5 毕业设计任务一、任务 设计并制作一个基于3232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

13、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(如图1中光笔接触处的深色LED点已被点亮),从而在屏上实现“点亮、划亮、反显、整屏擦除、笔画擦除、对象拖移”等书写显示功能。 图1 LED点阵书写显示屏系统结构示意图二、要求 (1)在“点亮”功能下,当光笔接触屏上某点LED时,能即时点亮该点LED,并在控制器上同步显示该点LED的行列坐标值(左上角定为行列坐标原点)。 (2)在“划亮”功能下,当光笔在屏上快速划过时,能同步点亮划过的各点LED。 (3)在“反显”功能下,能对屏上显示的信息实现反相显示(

14、即:字体笔画处不亮,无笔画处高亮)。 (4)在“整屏擦除”功能下,能实现对屏上所显示信息的整屏擦除。 (5)在“笔画擦除”功能下,能用光笔擦除屏上所显汉字的笔画。 (6)在“对象拖移”功能下,能用光笔将选定显示内容在屏上进行拖移。先用光笔以“划亮”方式在屏上圈定欲拖移显示对象,再用光笔将该对象拖移到屏上另一位置。 (7)当光笔连续未接触屏面的时间超过15min时此时间可由控制器设定,能自动关闭屏上显示,并使整个系统进入休眠状态。 第2章 方案的选择与实现2.1方案选择 系统的扩展和配置应遵循以下原则: 1.尽可能选择典型电路,并符合写字板常规用法。为硬件系统的标准化、模块化打下良好的基础。 2

15、.系统扩展与外围设备的配置水平应充分满足应用系统的功能要求,并留有适当余地,以便进行二次开发。 3.硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。硬件结构与软件方案会产生相互影响,考虑原则是:软件能实现的功能尽可能由软件实施,以简化硬件结构。但必须注意,由软件实现的硬件功能,一般响应时间比硬件实现长,且占用CPU时间。 4.系统中的相关器件要尽可能做到性能匹配。如选用CMOS芯片单片机构成低功耗系统时,系统中所有芯片都应尽可能选择低功耗产品。 5.可靠性及抗干扰设计是硬件设计必不可少的一部分,它包括芯片、器件选择、去耦滤波、印刷电路板布线、通道隔离等。 6.必须考虑其驱动能力。驱动能力不足时,系统工作不

16、可靠,可通过增设线驱动器增强驱动能力或减少芯片功耗来降低总线负载。 7.尽量朝“单片”方向设计硬件系统。系统器件越多,器件之间相互干扰也越强,功耗也增大,也不可避免地降低了系统的稳定性。 硬件是软件的基础,好的电子产品硬件设计是关键,也是各种集成功能的物质载体。一个硬件电路设计包含两部分内容:一是系统扩展,当硬件内部元件不能满足应用系统的要求时,必须在片外进行扩展,选择适当的芯片,设计相应的电路。二是系统的配置,即按照系统功能要求配置外围设备,如键盘、驱动、显示器等,要设计合适的接口电路。点阵显示屏由16个88点阵LED显示模块,易于更换,行信号选择译码器74LS154、驱动器三极管8550、

17、数据移位寄存器74HC595和行驱动器组成。单元显示屏可以接收控制器(主控制电路板)或上一级显示单元模块传输下来的数据信息和命令信息,并可将这些数据信息和命令信息不经任何变化地再传送到下一级显示模块单元中,因此显示屏可扩展至更多的显示单元,用于显示更多的内容。软件方面,串行方式显示。这种方式可同时显示16个88点阵汉字、字符或数字。采用外部中断的方式响应光笔的感应。当光敏三极管正对的LED发光时,光笔就传送一个中断信号给控制器,中断响应后,改变程序中的数据,使得显示器的内容发生变化。 控制器的控制方式是:当光笔感应无效时,一直显示原有的数据,采用动态扫描的方式显示,由定时器控制屏幕的扫描,即以

18、一定的频率对屏幕进行整屏扫描,这样显示和扫描交替进行。扫描开始时才判断光笔的感应是否有效,以免在显示的时候也产生中断。在省电模式中,也由定时器来控制,其中扫描定时中断和省电定时中断在开机时就一直工作,省电模式就是在设定的时间内光笔没有感应到LED发光时,就会取消显示的功能,同时关闭省电定时器,就剩下定时扫描。当光笔感应有效时,产生外部中断,同时开启省电计时器,而且使显示功能生效,此时又是显示和扫描交替进行。 对于51系列单片机,现有四种语言支持,即汇编、PL/M,C和BASIC?BASIC通常附在PC机上,是初学编程的第一种语言。一个新变量名定义之后可在程序中作变量使用,非常易学,根据解释的行

19、可以找到 错误而不是当程序执行完才能显现出来。BASIC由于逐行解释自然很慢,每一行必须在执行时转换成机器代码,需要花费许多时间不能做到实时性。BASIC为简化使用变量,所有变量都用浮点值。BASIC是用于要求编程简单而对编程效率和运行速度要求不高的场合。 PL/M是Intel从8080微处理器开始为其系列产品开发的编程语言。它很像PASCAL,是一种结构化语言,但它使用关键字去定义结构。PL/M编译器好像汇编器一样可产生紧凑代码。PL/M总的来说是高级汇编语言,可详细控制着代码的生成。但对51系列,PL/M不支 持复杂的算术运算、浮点变量而无丰富的库函数支持。学习PL/M无 异于学习一种新语

20、言。 C语言是一种源于编写UNIX操作系统的语言,它是一种结构化 语言,可产生压缩代码。C语言结构是以括号而不是子和特殊符 号的语言。C可以进行许多机器级函数控制而不用汇编语言。与汇 编相比,有如下优点:对单片机的指令系统不要求了解,仅要求对51的存储器结构有 初步了解寄存器分配、不同存储器的寻址及数据类型等细节可由编译器管理程序有规范的结构,可分为不同的函数。这种方式可使程序结构化将可变的选择与特殊操作组合在一起的能力,改善了程序的可读性编程及程序调试时间显著缩短,从而提高效率 提供的库包含许多标准子程序,具有较强的数据处理能将已编好程序可容易的植入新程序,因为它具有方便的模块化编程技术C语

21、言作为一种非常方便的语言而得到广泛的支持,C语言程序本身并不依赖于机器硬件系统,基本上不做修改就可根据单片机的不同较快地移植过来。 51的汇编语言非常像其他汇编语言。指令系统比第一代微处理器要强一些。51的不同存储区域使得其复杂一些。尽管懂得汇编语言不是你的目的,看懂一些可帮助你了解影响任何语言效率的51特殊规定。例如,懂得汇编语言指令就可以使用在片内RAM作变量的优势,因为片外变量需要几条指令才能设置累加器和数据指针进行存取。要求使用浮点和启用函数时只有具备汇编编程经 验才能避免生成庞大的、效率低的程序,这需要考虑简单的算术运算或先算好的查表法。最好的单片机编程者应是由汇编转用C而不是原来用

22、过标准C语言的人。 所以,在本设计中使用的是C语言编写的程序。2.2系统原理和结构 硬件包括控制器(芯片采用AT89s52)、驱动电路(74HC154和74HC595)、显示屏和光笔。点阵的32行和32列分别由74HC154和74HC595驱动。由于驱动芯片的驱动电流较弱,所以用专用的电源,再加一级驱动,即用驱动芯片来驱动三极管,再由三极管s8550来驱动点阵,为了实现每一行不因点亮的LED数量多而使得LED亮度变暗,三级管的电源是从5V电源经过四个串联的二极管1N4007,再连接到s8550的发射极作为点阵的真正的驱动电源。 用AT89s52的四个引脚模拟两个串口,即两个发送串行数据,另两个

23、发送时钟脉冲。一个模拟串口用来使数码管显示LED点的坐标,另一个用来给显示屏发送数据进行显示和扫描。 扫描和显示的原理类似,都是通过一行一行的实现,只是发送的数据不同;显示是依次的发送字库里的数据;扫描是先发送一个使得LED点亮的数据,接着连续的发送31个相反的数据,直到该行的LED逐个点亮一次,然后向下一行发送相同的数据,实现对整个屏扫描一次。显示和扫描的交替是整屏显示、整屏扫描,而不是逐行的扫描、显示交替。 擦除和划线的原理是相似的,当光笔的感应有效时,中断程序会把字库中和改点对应的二进制数据置位(LED熄灭/擦除)或清零(LED点亮/划线)。 拖动功能中,对字库并不进行修改,只是对显示中

24、变量进行修改。上下拖拽中,是使每一行显示下一行/上一行的数据,每一行都要发送32个二进制数据;左右拖拽是该行还是显示该行的内容,只是每行发送的二进制数据不是32个,向左拖拽时,每行发送的二进制数少于32个,即用显示不全的方式实现向左拖拽,向右拖拽是,每行发送的二进制数多于32个。 扫描和省电都是由定时器来控制,扫描的频率要大于50Hz,使得人眼看起来不闪烁,本设计中用到了两个定时器T0和T1。T0控制扫描,定时时间到时,启动外部中断,同时启动扫描功能,扫描结束后,关闭外部中断,实现周期性的扫描;T1控制省电模式,由于省电的定时时间比较长,所以T1用方式1,定时时间到时,关闭T1定时器,同时关闭

25、显示功能,只有T0周期性的调用扫描。外部中断产生时,开启T1定时器并赋予初值,在省电规定的时间内又有外部中断产生时,同样给T1定时器赋予初值,即让T1定时器每次都是从外部中断开始时计时。 这样设计的优点是: 简单性 由于系统最为复杂的数据转换部分都以芯片内部逻辑的形式实现,使系统变得非常简单.单元化、结构化设计 与目前行业的发展方向相一致,大型显示屏系统在屏体结构上采用单元化设计,系统连线直观简便,不但保证了显示屏体的大小可以根据需要拼接调整,而且使系统的安装、调试与维护变得极为简便,从而最大程度地降低显示屏系统的不可见故障率.工业化可靠性设计 系统采用单元化设计,取代了传统设计中大量的分离器

26、件,使系统的可靠性与稳定性大幅度提高 全套方案组成 系统包含数据源、传输设备、数据处理、数据分配及软件管理工具等,使LED显示屏的建设变为简单标准化.第3章 写字板的硬件设计3.1硬件系统总体设计 硬件包括控制器(芯片采用At89s52)、驱动电路(74HC154和74HC595)、坐标显示(74HC164和数码管)8*8点阵显示屏和光敏三极管光笔。图3.0 系统总体设计框图3.2控制器AT89S52电路 控制器电路包括单片机芯At89s52电路、数码管显示电路、驱动电路和按键。At89s52 是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高

27、密度非易失性存储器技术制造,与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器。在单芯片上,拥有灵巧的8 位CPU和在系统可编程Flash,使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能:8k字节Flash,256字节RAM,32位I/O口线,看门狗定时器,2个数据指针,三个16 位定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口,片内晶振及时钟电路。另外,AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作,支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中

28、断继续工作。掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。 图3.1 单片机电路图端口功能定义P00点阵显示数据端P01点阵显示时钟脉冲发送端P0274HC595驱动输出锁存使能控制端P03 P07功能切换按键端P10数码管显示数据端P11数码管显示时钟脉冲端P20P2374HC154驱动数据发送端P24P2574HC154驱动数据输出使能控制端P32外部中断INT0端 图3.2 单片机端口分配图 3.3数码管显示电路 数码管显示电路中采用的是74HC164和8段数码管。74HC164是高速硅门CMOS 器件,与低功耗肖特基型TTL LSTT

29、L器件的引脚兼容。74HC164是8位边沿触发式移位寄存器,串行输入数据,然后并行输出。时钟CP每次由低变高时,数据右移一位,输入到Q0,Q0是两个数据输入端(DSA 和 DSB)的逻辑与,它将上升时钟沿之前保持一个建立时间的长度。主复位MR输入端上的一个低电平将使其它所有输入端都无效,同时非同步地清除寄存器,强制所有的输出为低电平。 8段数码管又称为8字型数码管,分为8段:A、B、C、D、E、F、G、P。其中P为小数点。数码管常用的有10根管脚,每一段有一根管脚,另外两根管脚为一个数位管的公共端COM,两根之间相互连通。可以显示:时间、日期、温度等。 设计中,左边的两个数码管显示感应点的横坐

30、标,右边的两个数码管显示感应点的纵坐标,将要发送的数据以串行的方式发送给74HC164,在由74HC164的并行输出端控制8段数码管,由于74HC164没有输出所存功能,所以当发送显示的数据很快时,数码管显示的就是8888,不能观察具体的数据,所以在软件的编写中当要发送相同的数据时,实际并不发送,只有要发送的数据不同时才真正的发送数据。 图3.3 数码管显示电路图3.4驱动和点阵电源电路 点阵的横纵驱动由74HC154和74HC595控制。74HC154解码器采用先进的silicon-gate CMOS技术,并适合内存地址译码的应用。它具有抗噪能力强、低功耗和速度类似晶体管电路。74HC154

31、有4个二进制选择输入A、B、C、D。16个输出端正常输出是高电平,如果使能这个装置则这些输入就决定16个输出端对应的一个端输出低电平。 G1和G2是两个使能端,低电平有效。 74HC595是硅结构的CMOS器件,兼容低电压TTL电路,遵守JEDEC标准。74HC595是具有8位移位寄存器和一个存储器,三态输出功能。移位寄存器和存储器是分别的时钟。数据在SCHcp的上升沿输入,在STcp的上升沿进入的存储寄存器中去。如果两个时钟连在一起,则移位寄存器总是比存储寄存器早一个脉冲。移位寄存器有一个串行移位输入(Ds),和一个串行输出(Q7),和一个异步的低电平复位,存储寄存器有一个并行8位的,具备三

32、态的总线输出,当使能OE时(为低电平),存储寄存器的数据输出到总线。8位串行输入/输出或者并行输出移位寄存器,具有高阻关断状态。 图3.4 74HC154驱动电路图 图3.5 74HC595驱动电路图 由于74HC154和74HC595的驱动能力比较弱,点阵的亮度比较弱,所以增加一级驱动即三极管驱动。74HC154是416译码器,输出只有一个是低电平直接控制PNP三极管s8550的基极,三极管能饱和导通,对应的行可以被点亮,该行中具体哪个点亮要看74HC595的并行输出端哪些是低电平。 电源VCC是+5V电压,由于LED的工作电压是2V左右,所以经过4个二极管降压后,三极管的输出电压接近2V,

33、由于二极管对电流没有限制,所以当点亮的LED数量多时,电源电流增加,儿不会影响整体的亮度。 图3.6 三极管局部驱动和电源电路图3.5扫描光笔电路及按键电路 光敏三极管和普通三极管相似,也有电流放大作用,只是它的集电极电流不只是受基极电路和电流控制,同时也受光辐射的控制。通常基极不引出,但一些光敏三极管的基极有引出,用于温度补偿和附加控制等作用。当具有光敏特性的PN 结受到光辐射时,形成光电流,由此产生的光生电流由基极进入发射极,从而在集电极回路中得到一个放大了相当于倍的信号电流。与光敏二极管相比,光敏三极管具有很大的光电流放大作用,即很高的灵敏度。可以完全驱动下一级的普通的三极管,使普通的三

34、极管饱和导通,处于开关状态。设计中采用的光敏三极管型号是3DU33(NPN型)。图3.7 扫描光笔电路图 为了实现写字板的各功能之间能够进行切换,在系统的设计中采用了独立式键盘,因为在系统的功能中并不需要输入很多的数据,所以没有选用矩阵式键盘,单片机的I/O口仍可使用,同时在编写程序时减少了工作量,减去了键盘扫描的程序,但同时达到了相同的功能。图3.8 按键电路图3.6时钟电路 片内电路与片外器件就构成一个时钟产生电路,CPU的所有操作均在时钟脉冲同步下进行。片内振荡器的振荡频率非常接近晶体振荡频率,一般多在1.2MHz12MHz之间选取。C1、C2是反馈电容,其值在5pF30pF之间选取,典

35、型值为30pF。本电路选用的电容为30pF,晶体振荡频率为12MHz。这样就确定了单片机的3个周期分别是:振荡周期=1/12;机器周期(SM)=;指令周期=;图3.9 单片机时钟产生电路 XTAL1和XTAL2:片内振荡电路输入线,这两个端子用来外接石英晶体和微调电容。在石英晶体的两个管脚加交变电场时,它将会产生一定频率的机械变形,而这种机械振动又会产生交变电场,上述物理现象称为压电效应。一般情况下,无论是机械振动的振幅,还是交变电场的振幅都非常小。但是,当交变电场的频率为某一特定值时,振幅骤然增大,产生共振,称之为压电振荡。这一特定频率就是石英晶体的固有频率,也称谐振频率。即用来连接AT89

36、S51片内OSC的定时反馈回路,如上图所示。石英晶振起振后要能在XTAL2线上输出一个3V左右的正弦波,以便使AT89S51片内的OSC电路按石英晶振相同频率自激振荡。通常,OSC的输出时钟频率为0.5MHz-16MHz,典型值为12MHz或者11.0592MHz。电容C1和C2可以帮助起振,典型值为30pF,调节它们可以达到微调时钟频率的目的。3.7单片机复位电路 单片机在开机时都需要复位,以便中央处理器CPU以及其他功能部件都处于一个确定的初始状态,并从这个状态开始工作。单片机的复位后是靠外部电路实现的,在时钟电路工作后,只要在单片机的RST引脚上出现24个时钟振荡脉冲(2个机器周期)以上

37、的高电平,单片机便可实现初始化状态复位。AT89S52单片机的RST引脚是复位信号的输入端。例如:若AT89S52单片机时钟频率为12MHz,则复位脉冲宽度至少应该为2s。图3.10 单片机复位电路图3.8单片机的电源设计 单片机的工作电压范围:Vcc可为2.7V -6V。单片机系统工作电源由网压220V经过降压变压器T1、整流桥D2降为直流9V,通过三端稳压管L7805稳压,电容C7,C8滤波将电压稳定在5V左右。电源电路如图3.11所示:图3.11 单片机的电源设计系统的软件设计4.1系统软件总体结构图 软件结构跟硬件是相对应的,即每一个硬件部分都有相应的软件代码这是因为大多数的硬件部分都

38、是数字可编程控制的。本设计中主要有两个整体的程序,主程序和中断程序。主程序的任务是按键的扫描和调用点阵显示程序。主程序在初始化程序后就一直循环调用按键扫描和点阵显示程序。中断程序主要是当发生中断时,按照预先设定好的优先级来响应中断。 图4.0 主程序结构图 4.1 中断程序结构图 在硬件中有很多的电路都是模块化的,比如CPU控制电路,驱动电路,按键电路和显示电路等,既然程序的编写和硬件是相对应的,那么程序中也应该要用到模块化的思想。没错,一个完整完善的程序要包括很多的子程序,如果我们把这些子程序都编写成一个一个的模块的话,那么如果我们想再次利用时就可以直接调用子程序了,这样一个大的程序就有很多

39、的小的模块组成了。模块化的思想的另一个优点是它的可移植性强,比如事先我们已经编写好了一个关于串行数码管显示的字模块,当我想再次使用时,就可以直接的把程序拷贝过来使用,只需修改最初的变量就可以了,大大减少了开发的周期,提高了效率,在调试时也非常的方便。 接下来就让我们来看看本设计中是如何实现上面所说的内容的。4.2系统软件及子程序的流程图图4.2主程序流程图 图4.3 T0中断程序流程图图4.4T1中断程序流程图图4.5 外部中断程序流程图图4.6屏幕扫描程序流程图 图4.7按键程序流程图 图4.8 屏幕显示程序流程图 图4.9行扫描程序流程图图4.10行显示程序流程图系统调试5.1调试方案 (

40、1)在“点亮”功能下,当光笔接触屏上某点LED时,能即时点亮该点LED,并在控制器上同步显示该点LED的行列坐标值 (2)在“反显”功能下,能对屏上显示的信息实现反相显示(即:字体笔画处不亮,无笔画处高亮)。 (3)在“笔画擦除”功能下,能用光笔擦除屏上所显汉字的笔画。 (4)在“对象拖移”功能下,能用光笔将选定显示内容在屏上进行拖移。先用光笔以“划亮”方式在屏上圈定欲拖移显示对象,再用光笔将该对象拖移到屏上另一位置。5.2调试结果 (1)寻坐标时,发现当光笔不动时数码管的显示一直是“8888”,移动时有改变,之后仍然显示“8888”,经查看软件和硬件,修改了软件部分,即在调用数码管显示程序之

41、前先判断要显示的数据是否与前一次的数据相同,如果相同则不调用显示,相反就要调用。改后显示正常。 (2)在划线和擦除功能调试中,当光笔划过LED时,正对的LED和附近的LED都会亮或是都熄灭,原来是光敏三极管的灵敏度较高,能感应到附近的光的亮,由于降低LED的亮度影响视觉,所以降低光敏三极管的响应范围,改进方法是在光笔的前端加上一个遮光罩,即光敏三极管只能感应正对的LED的发光。总结 在LED点阵书写屏的设计过程中,虽然发现不少问题,但却因此学到很多东西,基本了解了整个嵌入式开发的流程。最初在练习设计一些功能简单的电路时,从电源到主控制器,驱动及外围电路,尽管都是功能单一的模块,但却因为核心芯片

42、不同要采用不同的上电电压及上下拉电阻及滤波电容,原理图做好时PCB布线又会让人身临线路的迷宫。总体来说,这次设计开发让我感觉到动手实践与理论联合的重要性,综合能力有所提高,这些都促使我们向电子设计迈进了一步。 这次设计让我感触最深的应该是软件的调试,控制器的功能越多,程序的内容就越复杂,在编写程序时,最好不要把整体的功能都写好了之后再去和硬件结合调试,这样如果出现了问题将非常的不好排除故障;最好的方法是编好了某一个功能之后,就要和硬件结合起来,去验证程序的对错,这样检测起来就大大降低了检错的范围,同时也提高了工作的效率,逐步的把这些功能累加起来,就能很好的完成我们的目标了。 对我来说,最大的收

43、获就是查阅芯片资料或从网上查询元器件的信息,后应用到电路中,如果以后再有用到新的元器件,就不会不知所措,而会有方向,知道从哪里入手,更快的掌握芯片。比如,一个元器件的资料中重要的是它的额定参数,以前对这些只是概念上的认识,经常混淆额定电流,额定电压,最大值,峰峰值。但是当你要把这些元器件应用到实际电路中的话,你就不得不考虑那些电气参数了,如果直接焊接上,不是元件烧掉,就是工作不正常。以前遇到同样的问题,可能就只能放弃了,可现在不一样了,我知道从它的资料中找到它的工作条件和使用范围,然后通过简单的计算便可以搭建一个合适的电路,让元件正常的工作。还有就是对电路中电流电压的理解更加深入了。 其实,在

44、我们的背后,老师的指导是我们坚实的后盾,感谢老师对我们的细心指导。通过这次毕业设计,我的能力有了很大的提高,认识也有加深,我觉得它就像给我敞开了一扇门,让我有方向,有动力,有信心。我知道我应该坚持下去,要不然,这扇门也会朝我关闭!致谢 首先,感谢我的学校。大学三年,我学到了很多新的知识,同时我也改变了很多进步了很多。而这些应该归功于我的学校。 其次,感谢所有授过我课的老师,无论是基础课老师还是专业课老师。对基础课的学习为我在以后的学习打下了良好的基础-通过学习英语知识,我基本掌握了外文阅读和翻译的能力;通过学习计算机知识,我能够熟练使用多种基本软件和专业软件的使用方法,包括基本办公软件ms w

45、ord,excell,powerpoint,绘图工具软件auto cad,以及自己查询到并自学的一些专业软件,如电路仿真软件multisim和电路图绘制软件protel。 最后,感谢赵亚峰、代自彬等同学对我的帮助和指点。没有他们的帮助和提供资料对于我一个人来说要想在短短的几个月的时间里完成毕业论文是几乎不可能的事情。特别感谢我的指导老师张雷老师。在张老师的悉心指导下,我对毕业设计的认识从一团糟到有了初步的认识到明确了任务目标,再到基本工作的组织和完成以及对工作任务的检查和整理。通过这样一个过程,使我更深一步地了解了嵌入式系统及单片机的原理和应用。 参 考 文 献 1 田效伍. 电气控制与PLC应用技术. 北京: 机械工业出版社,20062 邵惠鹤. 工业过程高级控制. 上海:上海交通大学出版社,19973 田希晖.C51单片机技术教程. 北京: 人民邮电出版社,20074 段晨东.单片机原理及接口技术. 北京: 清华大学出版社,20045 唐颖单片机原理与应用及C51程序设计. 北京: 北京大学出版社,20086 赵文博.单片机语言C51程序设计. 北京: 人民邮电出版社,20057 张义和.例说51单片机(C语言版). 北京: 人民邮电出版社,20088 李友善.自动控制原理. 北京: 国防工业出版社,1999