基于STM32的LED点阵光笔设计方案

1 基于 第一章 绪论 随着计算机技术的发展，各种硬件设备也日新月异，在输入设备中，为了应对手写文字输入与绘画输入的需要，出现了各种手写绘画输入设备，包括写字板、绘画板等。 字板可以免去学习打字的烦恼，使用起来相当方便。目前写字板在智能识别技术已相当成熟，就算字迹潦草些也不用担心电脑无法识别。 示屏面积可以根据需要由单元模块任意拼装，以其变化丰富的色彩，图案实时动态的显示模式，完美的多媒体效果，强大的视觉冲 击力将信息、文字、图片、动画、视频等多种方式显示出来 ,成为信息传播的划时代产品 ,在铁路民航、体育场馆、会议厅、高速公路、广场、大型商场、证券市场以及多种监控调度中得到了广泛的应用。 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。发展前景极为广阔，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。 当前， 示屏的应用已涉及社会经济的许多领域。 示屏主要应用领域为广告业，它的出现为广告产业带来了一种新的视觉冲击，广告业的蓬勃发展带动了 渐的 示屏的一些不足也开始进入了人们的“视线”，所谓谁把握先机谁就离成功越近，这就突出了广告的实时性。由于 以为其中内容修改带来了不便。 为了解决 需要设计一种可以在其上写字的光笔，这样不仅可以把 不影响其工作，而且直接在 告人的创作灵感 往往就在那么一瞬间，如果这种带手写笔的 们就可以看到在广场上的艺术展。 手写识别技术是指通过手写板等轨迹捕获设备获得书写者的书写信息，将手写字转换输入计算机。用户在手写板和触摸屏上书写的笔画以类似于矢量图的形式被计算机存储下来，通过对文字图像的抬笔、落笔、笔迹上各像素的空间位置等信息进行处理与对照，系统将数据转化为计算机所使用的文字代码进行输出。 手写汉字识别技术发展至今，无论在识别率（几个大厂商几乎都可以达到 98%以上）还是识别速度方面都可以称之为相当成熟的技术了，完全能够满 足实际应用的要求。 本课题综合运用 示屏和手写技术，设计了一款可以在 32 32阵上写字的光笔，可以实现在点阵上书写，满足人们的手写输入需要。 阵可以实现扫描微亮和显示点亮，用 制，使 阵能逐点高速程控 2 点亮熄灭，即工作在人眼不易察觉的扫描微亮情况下。当光笔在点阵上划过时，通过编程检测获得光笔所在位置的行列坐标，并记录行列坐标。运算之后点亮位置坐标处的 实现了书写功能。光笔采用光敏三极管为核心设计制作完成，通过三极管感应光强的变化，从而引 起电压变化获得光笔所在位置，实现点亮。在设计中，我们运用了 4译码器 744控制点阵的行和列，通过 控制实现书写显示功能。同时，我们还设计了 显示光笔位置的精确坐标。通过按键来实现系统不同的功能。 本课题实现一种小型的光笔输入装置，应达到以下要求： 设计并制作一个规模为 32阵 ,该 阵能逐点高速程控点亮熄灭；设计并制作一支光电感应画笔，画笔在 阵上随意移动，系统能实时捕捉画笔笔尖在 阵上的位置 信息； 阵能显示出由画笔描绘的图案。系统结构如 图表 1 所示 图表 1 3 第二章 系统结构设计 本设计主要由软件部分和硬件部分构成。 根据课题要求， 阵光笔由主控模块、笔电路、 统框图如 图表 2 所示 图表 2 系统框图 心控制模块的设计 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。“ 测精度要求高且数据存储容量大，选择适合的控制模块， 能确保其快速实现稳定及达到系统要求的基本条件。 列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的 核。 时钟频率为 72是同类产品中性能最高的产品 。内置 3228K 的闪存 ，运行速度快、低功耗（在 726有外设处 4 于工作状态 )，待机时下降到 2 高集成度（集成了复位电路、低电压检测、调压器、精确的 荡器等），功能和性能都要比 51 系列强大很多。所以我们选择 核心控制模块。 笔设计 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：采用核心部件为光敏电阻制成的光笔检测系统。光敏电阻是将光能转换为电能的一种传感器件，它是构成光电式传感器的主要部件。光敏电阻结构简单、使用方便、价格便宜，但经调试发现其响应时间长，不易检测。 方案二：采用光敏二极管，与光敏电阻相比有较好的高频特性，具有一定的可靠性，功耗低 要较高倍数的放大器才能实现精准识别的效果。 方案三：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。所以其灵敏度更高，响应时间快。 基于以上分析，我们采用光敏三极管作为光笔的检测部件。 阵屏设计 点阵屏采用 16 块 8 X 8 的点阵，连接成一个 32 X 32 的点阵，将每一行对应的引脚相连，使每一行的 32个 一列的 32 个 将点阵的驱动电路设成两种状态，一种为正常电压，可以正常显示；另一种通过硬件电路调节恰好能使点阵处于微亮状态。当书写前，点阵处于微亮扫描状态，光笔划过后，正常显示划过的点，结合软件实现点阵的 正常显示。这样节省了资源的同时，也节约了时间。 示设计 采用 晶显示器来显示光笔的精确位置，使系统更直观。 明显的优点：微功耗、尺寸小，超薄轻巧、显示信息量大、字迹清晰、美观、视觉舒适。使整个控制系统更加人性化。采用 1602A 液晶显示器，焊接电路时较为方便。 键设计 系统采用四个独立式按键来实现不用功能之间的切换。独立式键盘，简单，使用方便。能很好的完成设计要求。 5 本设计的主要作用是通过 控制点阵和光笔，实现手写输入的功能。想要 实现此功能，就需要对软件部分、硬件部分有很多的了解。其中软件部分通过 C 语言在 编译完成，硬件部分由 7474阵、光敏三极管、晶显示屏和独立按键等部分完成。本设计的关键是完成 阵和光笔的设计，这样就能实现手写输入的功能。 6 第三章 统 述 成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的 性能分成两个不同的系列： 增强型 ” 系列和 基本型 ” 系列。增强型系列时钟频率达到 72同类产品中性能最高的产品；基本型时钟频率为 36 16位产品的价格得到比 16位产品大幅提升的性能，是 16位产品用户的最佳选择。两个系列都内置 3228同的是 钟频率 72，从闪存执行代码， 耗 36 32位市场上功耗最低的产品，相当于 这里我们选用 利用 先，要求具有一定的硬件基础知识；其次，要求具有一定的软件设计能力，能够根据系统的要求，设计出所需要的程序；再次，要具有综合运用知识的能力。 能概述 要特点 列属于中等容量增强型， 32 位基于 心的带 64 或者 128K 字节闪存的微控制器 ，具有 个定时器， 2 个 个通信接口 。其主要特点有： 2 位的 2作频 率，在存储器的 0 的等待周期访问时可达 4K 或者 128K 字节的闪存程序存储器 0K 字节的 位和电源管理 电和 I/O 引脚 断电复位（ 可编程电压监测器（ 振振荡器 7 荡器 0 荡器 钟的 2 荡器 机和待机模式 后备寄存器供电 12 位模数转换器， 1换时间（多达 16 个输入通道） 0 至 道 制器 时器、 I 平方 C 和 0 个快速 I/O 端口 7/51/80 个 口，所有 I/O 口一 颗映像到 16 个外部中断；几乎所有的端口均可容忍 5V 信号 口 个定时器 16 位定时器，每个定时器有多达 4 个用于输入捕获 /输出比较 /脉冲计数的通道和增量编码器输入 16 位带死区控制和紧急刹车，用于电机控制的 级控制定时器 看门狗定时器（独立的和窗口型的） 24 位自减型计数器 个通信接口 个 I 平方 C 接口 (支持 个 口（支持 口， 口和调制解调控制） 个 口 (18M 位 /秒） 口（ 动） 速接口 算单元， 96 位的新批唯一代码 装 脚图及功能概述 1、引脚图 8 如 图表 3 所示 图表 3 2、引脚功能 1 5、 15 18、 24 26、 29 48、 51 72、 76 93、 95 98 为 ，实现输入输出功能。 电源 电源地 控模块原理图 9 图表 4 主控模块原理图 10 第四章 硬件设计 笔的设计 光笔 采 用 光敏三极管检测点阵屏发光的强弱变化电压信号， 当光笔检测到光强的变化后，电压发生变化，系统接收信号后迅速定位光笔所在位置的行列值，经过运算后，点亮该处 实现显示功能。 光笔原理 图如 图表 5 图表 5 光笔原理图 在一空的笔壳内，将光敏三极管放置在笔壳底端，光敏三极管的引脚从一个与其直径等宽的空管引出至空管的顶部，并在其中一引脚中接一弹片，在接近的地方用铜片贯穿空管且正好卡在笔管的内部。与此同时，用一弹簧套在空管外部，并将其底部固定，这样，当笔管在点阵屏上上下抖动时，内部光敏三极管就能很好的检测了。其结构如 图表 6 11 图表 6 光笔结构图 敏三极管 功能概述 光敏三极管与普通半导体三极管一样，是采用半导体制作工艺制成的具有 构的半导体管。它在结构上与半导体三极管相似，它的引出电极通常只有两个，也有三个的。 有电流（ 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。不同材料制成的光敏三极管具有不同的光谱特性，与光敏二极管相比，具有很大的光电流放大作用，即很高的灵敏度。 我们就是利用光 敏三极管的这种特性来实现光笔的功能。 光敏三极管的结构如图所示。为适应光电转换的要求，它的基区面积做得较大，发射区面积做得较小，入射光主要被基区吸收。和光敏二极管一样，管子的芯片被装在带有玻璃透镜金属管壳内，当光照射时，光线通过透镜集中照射在芯片上。 12 当具有光敏 特性的 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。 压比较器功能概述 1. 述 双电压比较器集成电路 。 该电路的 主要 特点如下： 比较器数 :2 工作温度范围 :0C 70C 通道数 :2 工作电源电压范围宽，单电源、双电源均可工作，单电源： 2 36V， 双电源： 1 18V； 消耗电流小， 输入失调电压小， 2 共模输入电压范围宽， 输出与 兼容； 输出可以用开路集电极连接 “或 ”门； 采用双列直插 8 脚塑料封装（ 微形的双列 8 脚塑料封装（ 13 比较器内部结构如 图表 7 图表 7 比较器内部结构图 1 输出端 1 2 ) 反向输入端 1 3 1) 正向输入端 1 4 地 5 2) 正向输入端 2 6 ) 反向输入端 2 7 输出端 2 8 电源 高增益 ,宽频带器件，象大多数比较器一样，如果输出端到输入端有寄生电容而产生耦合，则很容易产生振荡。这种现象仅仅出现在当比较器改变状态时，输出电 压过渡的间隙，电源加旁路滤波并不能解决这个问题，标准 的设计对减小输入 输出寄生电容耦合是有助的。减小输入电阻至小于 10K 将减小反馈信号，而且增加甚至很小的正反馈量 (滞回 0导致快速转换 ,使得不可能产生由于寄生电容引起的振荡，除非利用滞后，否则直接插入 成电路板 写： 并在引脚上加上电阻将引起输入 输出在很短的转换周期内振荡，如果输入信号是脉冲波形，并且上升和下降时间相当快，则滞回将不需要。 比较器的所有没有用的引脚必须接地。 0 通常电源不需要加旁路电容。 差分输入电压可以大于 射极接地的 以用多集电极输出提供或 OR 输出负载电阻能衔接在可允许电源电压范围内的任何电源电压上，不受 电压值的限制 路 (当不用负载电阻没被运用 )，输出部分的陷电流被可能得到的驱动和器件 的 值所限制 16，输出晶体管将退出而且输出电压将很快上升。输出饱和电压被输出晶体管大约60 制。当负载电流很小时 ,输出晶体管的低失调电压 (约 许 输出箝位在零电平。 14 2 X 32 阵的连接 经分析要想得到 32 32的点阵需要用 16个 8 8点阵（其引脚图如 图表 8所示）来构建。其方法是将点阵对应的行线和列线分别进行连接，使每一条行线引脚接一行 32个 线也相同。当行给高电平，列给低电平时 ，对应的二极管点亮。 图表 8 点阵图 15 阵显示屏概述 示屏是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式，用来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等 各种信息的显示屏幕 。 阵显示屏特点： 可实现超高密度：室内可高达 /平米（ 混色好：利用发光器件本身的微化处理和光的波粒二象性，使得红光粒子，纯绿光粒子，蓝光粒子三种粒子都将得到充分地相互混合搅匀。 抗静电性能优势超强：制作环境有着严格的标准还有产品结构的绝缘设计。 可靠性能强：相对于 说， 整性非常好，很有美学上的观感。 可视角度大： 140 度（水平方向） 通透性高：新一代点阵技术凭借晶片 自身的高度纯度性能，以及几近 100%光通率的环氧树脂材料，达到了接近完美的通透率。 亮度高：相对 0603 或 0805 等形式的分立表贴， 以有更多的光通量被反射出，而且我司目前的 它的 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。 16 2 X 32 阵的驱动控制电路 32 32 片 74成 5 32译码器， 线控制其译码输出。列的点亮分别用 4 片 74制，微亮扫描（ 点亮（ 5V）电源分别通过三极 管构成的开关加到点阵的行控制端。由于整屏显示是 1024 个灯循环亮，为提高显示亮度，限流电阻取 1k 欧姆（取消也可以，但为了防止制作调试过程中烧坏 ，不取消为好），电路如 图表 9所示。 图表 9 驱动电路图 4介 4 线 16 线译码器 ,可以实现地址的扩展。 引脚图如下 17 图表 10 74引脚说明 13输出端。（ 12： 源地 （ 0 V)） 18能输入端、低电平有效 ( 20地址输入端 ( 24： 源正 (全能输入对应输出表 ) 2 D C B A L L L L L L L L L L L L L L L L L L H H L H L H 0Y 1Y 2Y 3Y L L L L L L L L L L L L H H H H L L H H L H L H 4Y 5Y 6Y 7Y L L L L L L L L H H H H L L L L L L H H L H L H 8Y 9Y 10Y 11Y L L L L L L L L H H H H H H H H L L H H L H L H 12Y 13Y 14Y 15Y X H H X X X X X X X X X 表 11 功能真值表 18 注意： H = 高电平（ L = 低电平（ X = 任意电平（ t 只要控制端 意一个为高电平， A、 B、 C、 D 任意电平输入都无效。须都为低电平才能操作芯片。 4介 74一种带清除功能的 8D 触发器， 1D 8D 为数据输入端， 1Q 8Q 为数据输出端，正脉冲触发，低电平清除，常用作数据锁存器 ,地址锁存器。 图表 12 747 ：出入； 7 ：输出 ； ： 1 脚， 主清除端，低电平触发，即当为低电平时，芯片被清除，输出全为0（低电平）； 触发端，上升沿触发，即当 7的数据通过芯片，为 0时将数据锁存， 7的数据不变。 8550 三极管概述 三极管 一种常用的普通三极管。 它是一种低电压 ,大电流 ,小信号的 脚图 19 1、发射极 2、 基极 3、集电极 极管参数 集电极 工作温度： 150 主要用途： 开关应用 射频放大 类型 :开关型 ; 极性 : 材料 :硅 ; 最大集电极电流 (A):; 直流电增益 :10 0; 功耗 :625 最大集电极发射电压（ :25; 频率 :150放大倍数 120160100200为了满足系统在 工作时能准确显示光笔对应亮点所处的行列坐标值，我们采用 1602 20 602A 液晶屏概述 1602A 是一种字符型液晶模块。共可以显示 2 行 X 16 个字符，每个字符是由 5 X 8点阵组成的字符块集。 1602A 采用 构稳定，使用寿命长。主要特性如下 : 配 位并行数据方式 10880位 192种 564种 5字符发生器 512位 8种 54种 5可靠性 逻辑工作电压（ 源地（ 0V 试条件 5, 输入高电平（ ： 入低电平（ 出高电平（ 出低电平 （ 作电流 121 口说明 理简图 图表 13 液晶屏原理图 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 在有键操作时才处理键盘程序。其 电路如 图表 14 22 图表 14 键盘电路图 按键功能： 按键 1：点亮，笔画擦除，连 字 多写 按键 2：休眠时间设置 按键 3，写字保存 按键 4；唤醒 第五章 系统测试与结果 笔的测试 给光笔上电，输出端不与 接，用万用表测量输出端电压，为 5V 输出高电平，把光笔靠近点阵的发光点再次用万用表测量输出端电压，输出低电平，光笔工作正常。 光笔接触点阵屏， 能显示相应的行列值，并且计时功能也能实现， 本功能实现。 给系统上电，按下相应的按键，观察对应指示灯是否能显示按键是否按下，结果 ，对应指示灯能显示按键的按下与否，按键功能测试正常。 光笔离开点阵屏，同时观察 的倒计时，倒计时结束看点阵屏是否关闭，结果点阵屏关闭，定时功能测试正常。 眠唤醒功能的测试 系统进入休眠状态后，按下休眠唤醒功能键，看系统能否再次工作，结果按下休眠唤醒键后，系统再次正常工作，休眠唤醒功能测试正常 体功能的测试 亮功能测试 给系统上电，按相应按键使系统处于点亮模式下，光笔接触 该点是否被点亮，结果该点被点亮，光笔离开 该点熄灭，测试多个点都是如此，点亮功能实现。 24 亮功能的测试 给系统上电，按相应按键使系统处于划亮模式下，光笔接触 示屏上的某点，看该点是否被点亮，结果该点被点亮，光笔离开 该点未熄灭，光笔划过的地方都变亮，划亮功能实现。 画擦除功能的测试 给系统上电，按相应按键使系统处于划亮模式下，光笔接触 示屏上的某点，看该点是否被点亮，结果该点被点亮，光笔离开 该点未熄灭，光笔划过的地方都变亮，再调节相应的按键，使系统处于笔画擦除模式下，光笔划过 应的点熄灭，笔画擦除功能实现。 字多写及存储功能的测试 给系统上电，按相应按键使系统处于写字保