毕业设计（论文）-基于89C52RC硬件的红外触摸屏设计及研究.pdf

深深圳圳大大学学本科毕业论文（设计）题目:基于基于89C52RC89C52RC硬件的红外触摸屏设计及研究硬件的红外触摸屏设计及研究姓名:叶业叶业专业:光电光电信息工程信息工程学院:光电工程学院光电工程学院学号:20091700562009170056指导教师:偰正才偰正才职称：研究员研究员2013年5月3日基于89C52RC硬件的红外触摸屏设计及研究2深圳大学本科毕业论文（设计）诚信声明深圳大学本科毕业论文（设计）诚信声明本人郑重声明：所呈交的毕业论文（设计），题目基于89C52RC硬件的红外触摸屏设计及研究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。除此之外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。本人完全意识到本声明的法律结果。毕业论文（设计）作者签名：日期：年月日基于89C52RC硬件的红外触摸屏设计及研究3目录目录摘要.51引言.62系统框架.63电路设计.73.1单片机电路.73.2红外发射电路.83.3一体化红外接收头电路.93.4AD红外接收管电路.114PCB印刷电路板设计.134.1原理图及封装.134.2原理图文件导入.144.3布线规则.144.4覆铜.165单片机程序设计.175.1基本循环扫描函数体.175.2AD转换函数.185.3数码管显示函数.215.4主函数.226时序逻辑.247仿真.257.1IR-LED发射接收电路.25基于89C52RC硬件的红外触摸屏设计及研究47.2AD转换环节电路.257.3单片机和数码管单元.267.4仿真结果.278硬件调试.288.1PCB适用性修改.288.2程序调试.298.3延时调试.319光学设计.339.1透镜计算.339.2光学模拟.3310产品应用.3510.1户外触摸屏.3510.2桌面数位板.3611系统优化.39结语.42参考文献.43附录程序.46基于89C52RC硬件的红外触摸屏设计及研究5基于基于89C52RC89C52RC硬件系统的红外触摸屏设计及研究硬件系统的红外触摸屏设计及研究YeYe1，光电工程学院，深圳大学518060电子邮件：yeye0922摘要摘要本文使用89C52RC单片机系统实现了简单的红外触摸屏应用，采用了38Khz码率的红外发射以及接收电路，为了节省单片机IO接口，使用74LS164作为开关序列信号控制CD4066模拟开关来实现44路红外发射管的通断，防止串扰。此外，选用了255级双路ADC0832模数转换器，通过选通脉冲序列实现对多路接收管强度的AD转换功能，大大提高触摸屏的分辨率。为了防止外界环境光的干扰，设计了一套检测并记录环境光强度的算法，有效提高了系统的稳定性。硬件设计是一个循序渐进的过程，为此要遵循一定的方法和顺序，本实验从原理设计，到电路图绘制，以及后期的硬件程序调试等一套的方法都是相互依赖，每一个环节都是不可或缺的，正是这严谨的过程使实验最终的结果接近设计的意图。触摸屏的广泛应用引起了业界的广泛关注，尤其是在大面积触摸领域，红外触摸屏更是以其安装简便，可靠性强以及维修简单等特点独占鳌头。然而，红外触摸有其抗干扰能力弱，稳定性差等缺点，本文设计了一种相对高精度的桌面级红外触摸屏，在一般的室内以及非日光直射的环境下都有很好的效果，可以应用于廉价的触摸设备以及绘图板等领域。关键词关键词：触控屏、单片机、红外、算法、IR-LED应用效果示例基于89C52RC硬件的红外触摸屏设计及研究61引言引言作为一项重要的人机交互技术，触摸技术已经发展成为一项独立的且有前景的学科。近几年来，随着MID以及SmartPhone等智能终端设备的不断普及和发展，触摸技术更焕发出其独特的魅力，其直观、简易且富有变换性的操作体验迅速成为广大消费者追捧的对象，尤其是诸如APPLE、SAMSUNG等智能终端厂商对触摸技术的不断探索和推广，触摸技术更显得尤为新鲜和重要。一般认为，具有ITO导电氧化物涂层的电容式触摸屏是小面积设备实现触摸功能的首选，事实也证明了这一点，轻便、灵敏、高精度、可靠、抗干扰，以及完善的多点触摸体验都充分验证了其在手持设备上的霸主地位。然而，在更大面积的人机交互应用中，ITO材料触摸屏暴露了其昂贵以及易损坏等劣势。可以预见，伴随着多媒体技术的不断发展，公共设备以及大面积的人机交互（HCI）技术将会日趋广泛，开发廉价且耐用的触摸设备将是大势所趋。本文选用了具有红外IR-LED发射以及接收装置的触摸屏作为研究对象，配以廉价的89C52RC作为处理单元，以及相关的转换开关设备单元，可以实现大面积的红外触摸应用，可靠性较强，具有一定的开发前景。2系统框架系统框架红外触摸屏通过循环扫描一对一的红外接收管的电平数据来判断光路的通断，被遮挡表示有触摸动作，反之亦然。为了保证接收光信号不受外界的红外噪声干扰，选用了由555定时器产生的38Khz脉冲信号驱动红外发射管，再配以带有滤光放大功能的一体化红外接收头来接收红外信号。此外，为了防止串扰，引入了模拟开关控制发射管的通断，使单次扫描仅有一个红外管工作，保证系统正常工作。而后进一步通过搭载的红外接收管和AD转换器获取光照强度，计算出触摸的准确位置，流程如图1所示。图1触摸屏工作原理框图基于89C52RC硬件的红外触摸屏设计及研究73电路设计电路设计使用PROTEL软件设计电路，它是Altium公司在80年代末推出的EDA软件，在电子行业的CAD软件中，它当之无愧地排在众多EDA软件的前面，是电子设计者的首选软件，它较早就在国内开始使用，在国内的普及率也最高，有些高校的电子专业还专门开设了课程来学习它。本文根据每一部分的功能，分别划分为：单片机电路、红外发射电路、一体化红外接收头电路、AD红外接收管电路，分别将于下文逐一介绍。需要特别指出的是，电路设计是一个循序渐进的过程，一个完善的电路需要不断的改进修改，并且根据经验加以优化，本文给出的是一个设计以及改善的过程，并在最后得到较为理想的结果。3.1单片机电路单片机电路单片机使用标准的52系列单片机，兼容Intel8031指令系统。该系列单片机的始祖是Intel的8031单片机，后来随着Flashrom技术的发展，8031单片机取得了长足的进展，成为目前应用最广泛的8位单片机之一，其代表型号是ATMEL公司的AT89系列，它广泛应用于工业测控系统之中。目前很多公司都有51系列的兼容机型推出，在目前乃至今后很长的一段时间内将占有大量市场。52单片机是基础入门的一个单片机，还是应用最广泛的一种。电路为单片机设置了12Mhz的外部晶振，P0口接有排阻方便连接LED数码管，如图2所示。图2单片机电路由触摸屏获得的坐标数据需要通过数码管显示，设置P0口为数码管段码数据接口，P1口为数码管选通数据接口，在设计后期，将考虑通过该两个接口搭配串口转换模组，实现PC通信，在PC上显示和使用坐标。数码管的连接示意图标于图3。基于89C52RC硬件的红外触摸屏设计及研究8图3数码换模块连接示意3.2红外发射电路红外发射电路选用5mm的红外IR-LED发射管，中心波长为940nm，约0.8V的正向导通阈值电压，可以发现，直接加载5V的VCC正向电压将导致IR-LED的烧毁。然而，实验中使用38khz中频信号直接驱动LED闪烁，并引入选通脉冲，实际LED所承受的电压大大降低。实验表明，5V的输入电压经过38khz划分实际加载电压约为2.3V。555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件，其成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。通过计算，可以确定555外围电路的电容以及电阻的值，本文选择使用10pF的电容以及560和2k的电阻组成38khz的多谐震荡电路，为了方便微调，其中一个电阻选用三端可调电位器。为了保证每一个时刻仅有一组LED红外发射管工作，需要使用模拟开关控制每一颗发射管的通断，本文选用CD4066模拟开关实现这个功能，它是四双向模拟开关，主要用作模拟或数字信号的多路传输，由四个相互独立的双向开关组成，每个开关有一个控制信号，开关中的p和n器件在控制信号作用下同时开关。这种结构消除了开关晶体管阈值电压随输入信号的变化，因此在整个工作信号范围内导通阻抗比较低。与单通道开关相比，具有输入信号峰值电压范围等于电源电压以及在输入信号范围内导通阻抗比较稳定等优点，其管脚定义如图4所示。图4CD4066元件电路管脚图基于89C52RC硬件的红外触摸屏设计及研究9每个红外IR-LED接有单独的限流电阻，由于其单向流通电流往往只有几十毫伏，故需要选用k级的电阻达到限流的目的，防止其烧毁。此处仅标注1k的电阻示意，实际测试中需要综合使用环境等多种因素，合理使用电阻，通过实验发现在R=1.5k时可以较好的控制LED电流大小。红外发射电路如图5所示。图5红外发射电路3.3一体化红外接收头电路一体化红外接收头电路由于使用38khz的发射信号，故需要使用特定的接收设备接收该红外调制信号。选用HX1838一体化红外接收头图6，可以免去复杂的内部电路设计环节，并且可以有效提高系统的稳定性，其具有如下特性：小型设计内置专用IC宽接收角度及长接收距离抗干扰能力强能抵挡环境干扰光线广泛使用于视听器材(音箱电视录影机机顶盒)，家庭电器(冷气机电风扇电灯)以及其它红外线遥控产品中，可以大大节省设计的时间。图6HX1838一体化红外接收头尺寸基于89C52RC硬件的红外触摸屏设计及研究10HX1838已经内置了多个放大器和运放，使用是只需接入2.75V的驱动电压，即可在OUT端读取接收电平信号。无接收信号时OUT端输出高电平，有接收信号时则输出低电平。需要特别指出的是，和大多数一体化红外接收头一样，HX1838也属于电平型接收头，即需要连续接收间断的38Khz红外信号才可以一直维持低电平图7。故在检测电平信号的时候需要合理调整延迟响应时间，防止误检测。图7HX1838红外接收时序图综上，红外接收电路的设计并不复杂，由于本文的测试频率不高，使用环境并不恶劣，不需要外接滤波电容，只需要直接连接VCC和GND，8个OUT端口则分别输入单片机的信号接收端。为了节省端口的使用，而且每一个LED的通断信号均可以通过时序表示出来，故8个接收管检测口可用门电路实现合并，只需要占用一个单片机端口即可实现检测，具体方法如下。可以预知：HX1838无接收信号时输出高电平，即8个接收器均无信号时，检测端应输出高电平；其中一个HX1838有接收信号时，输出低电平，其余7端均为高电平，检测端口应该输出低电平以表示有检测信号输入。显然，只需要引入一个与门电路，即可实现以上的功能，如图8所示。基于89C52RC硬件的红外触摸屏设计及研究11图8一体化红外检测电路3.4AD红外接收管电路红外接收管电路通过红外接收头接收的坐标信号，仅为44的分辨率，不足以满足实际应用的需要。在触摸屏开发的初期，提高分辨率的做法往往只是简单地增加红外对管的数量。这无论对于硬件设计的难度，还是成本控制都有十分不利的影响。从第二代的触摸屏开始，已经引入了光照模拟量这个概念，通过检测“遮挡量”的大小，可以精确测定触摸点的位置，这无疑大大提高了红外触摸屏的精确度。本文使用了红外二极管作为模拟光照度的测量单元。红外线接收管是将红外线光信号变成电信号的半导体器件，它的核心部件是一个特殊材料的PN结，外界红外光信号的照射实现关注入，通过PN节的结效应导致外部电阻的明显变化，使用外部电路的反偏可以实现对光照亮度的检测。由于AD转换器测量的是电压值，故使用了一个分压电路来实现对电压的检测，通过串联一个电阻与红外接收管分压，可以使光照强度改变分压电压，进而测试遮挡量的大小，实现对触摸点的检测。红外接收管电路如图9所示。基于89C52RC硬件的红外触摸屏设计及研究12图9红外接收管电路由于ADC0832仅有2个转换通道，可以使用一个数模转换器加上模拟开关的方式实现转换信道的切换，从而节省数模转换器的使用。ADC0832是美国国家半导体公司生产的一种8位分辨率、双通道AD转换芯片，芯片转换时间仅为32S，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。由于它体积小，兼容性，性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎，其目前已经有很高的普及率。由于芯片转换时间仅为32S，故对响应度的影响不大，此外，通过移位寄存器可以实现3路端口控制8路模拟开关通断的功能，节约单片机接口的使用。74LS164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。数据通过两个输入端（DSA或DSB）之一串行输入，任一输入端可以用作高电平使能端，控制另一输入端的数据输入。部分电路如下图所示。图10AD转换开关电路基于89C52RC硬件的红外触摸屏设计及研究134PCB印刷电路板印刷电路板设计设计4.1原理图及封装原理图及封装PCB（PrintedCircuitBoard）的使用可以大大减少系统测试的时间，在以往的实验中，常常使用万用板进行电路实验，连线复杂，可靠性差，费时费力。使用PCB制作的电路，可以在小面积内集成丰富的电路布局，完成复杂的电路布线任务，同时使电路更加的可靠。使用Protel的内置电路设计软件，可以很方便的导入上一步所设计的原理图，根据实际情况修改元器件的封装，以及自动布线功能，完成PCB的制作过程。在实际的制作中，需要修改封装以达到PCB的via孔尺寸符合实际器件管脚尺寸的目的。大部分的器件封装都可以在Protel以及相关的元件库插件中找到，然而，一些特殊的器件是无法找到的，需要手动完成封装。本文中使用的HX1838红外一体接收头在库文件中不存在，需要手动封装。通过查看HX1838的尺寸设计图可以找到其三个管脚的间距约为2.53mm，在原理图中该接收头使用一个三极管符号替代图11，而封装则选用“MiscellaneousDevices.IntLibFootprintView”库文件下的SFM-T3X1.6V三端插件封装，测量PCB中该封装的管脚间距为并排的2.54mm(100mil)，符合设计要求，如图12所示。图11使用三极管符号替代HX1838接收头图12管脚距离以及接口封装图基于89C52RC硬件的红外触摸屏设计及研究144.2原理图文件导入原理图文件导入设计PCB大小为10cm10cm，转换为米尔单位制即为3900mil3900mil，这个大小可以在一般的工厂进行批量加工，合理方便。Layer的构成为常见的双层板结构，分别为支撑作用的机械层(Mechanical)、顶部和底部的布线层(TopLayer和BottomLayer)、以及顶部丝印层(TopOverlay)，如图13所示。图13PCB层结构导入原理图就可以看到每一个器件对应的封装，本文把X、Y轴的红外发射器放置在PCB的左侧和顶部，右侧和下侧则放置接收管，中间部分放置集成插件，由于空间有限，单片机等电路环节不在本PCB放置，通过排针的方式引出，VCC以及GND分别放置在左上角和右下角。放置好的PCB部分电路如图14所示。图14尚未布线的部分PCB4.3布线规则布线规则放置好元器件的位置即可开始布线，在布线之前需要对规则做一些修改，使电路符合设计要求，同时保证电路的稳定性。4.3.1VCC和和GND网络网络VCC电源和GND地线网络应该要有一定的距离限制，防止意外导通，使电路瘫痪。在Clearance选项卡下新建名为“VccT”的新布线规则，可以分别设置两种不同网络的最小间距限制，如图15，本文设置最小间隙为20mil，普通信号网络间距则为13mil。基于89C52RC硬件的红外触摸屏设计及研究15图15布线间距设置4.3.2线宽线宽信号网络传递的一般是小信号电流，而VCC以及GND网络需要形成回路，并且要为PCB内的集成元器件提供工作电流，故需要修改合适大小的线宽，保证它们有充足的电流供应。在“Routing”下的“Width”可以新建“VCC”和“GND”网络线宽限制，如图16，设置为20mil即可。图16网络线宽设置4.3.3布线优先级布线优先级需要设置电源网络的优先布线等级才可以在自动布线环节中使VCC电源网络的布线达到预期的效果，通过设置“RoutingPriority”可以设置优先级，如下图图17布线优先级设置当布线规则全部设定完成后，就可以启动自动布线，对全部器件进行布线操作。布线结果如下图所示。基于89C52RC硬件的红外触摸屏设计及研究16图18PCB布线结果4.4覆铜覆铜覆铜，就是将PCB上闲置的空间作为基准面，然后用固体铜填充，这些铜区又称为灌铜。覆铜的意义在于减小地线阻抗，提高抗干扰能力，同时降低压降，提高电源效率。此外，还可以与地线相连，减小环路面积。覆铜操作完成后的电路板BOM文件就可以交给PCB生产商打样，得到成品，进行下一步的手动插件焊接操作，使所有零部件按照预期的顺序连接起来。基于89C52RC硬件的红外触摸屏设计及研究175单片机程序设计单片机程序设计单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种IO口和中断系统、定时器计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、AD转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域的广泛应用。从上世纪80年代，由当时的4位、8位单片机，发展到现在的32位300Mhz的高速单片机。本文使用STC的烧录工具“STC_ISP.”进行单片机程序的烧录，编译工具使用常用的“KeiluVision”。5.1基本循环扫描函数基本循环扫描函数体体实现触摸屏的基本功能是循环依次通断IR-LED发射管，并且同时检测接收口的信号，达到检测阻挡物的目的。下文是名为“KeyScan（）”的函数，实现对红外接收管的通断扫描功能，通过位定义sbitdet=P27使检测端口设定为P2.7。voidKeyScan()intijintflag1行反馈标记符0为行扫描无反馈flag1=0Reset=1Sign=1Clock=0for(i=0i0k-)基于89C52RC硬件的红外触摸屏设计及研究257仿真仿真计算机仿真是应用电子计算机对系统的结构、功能和行为以及参与系统控制的人的思维过程和行为进行动态性比较逼真的模仿。它是一种描述性技术，是一种定量分析方法。通过建立某一过程和某一系统的模式，来描述该过程或该系统，然后用一系列有目的、有条件的计算机仿真实验来刻画系统的特征，从而得出数量指标，为决策者提供有关这一过程或系统得定量分析结果，作为决策的理论依据。7.1IR-LED发发射接收电路射接收电路选用Proteus仿真软件可以模拟程序的实际运行情况，大大缩短调试周期，大部分软件都可以在Proteus的元件库中找到，由于光电耦合器没有特定的开关设定选项，红外触摸屏的发送接收部分使用一个单刀双掷开关代替。当其闭合的时候，移位寄存器的开关有效，单片机可以检测到接收信号，而当其开启的时候，输出电平一直为高，则单片机可以检测到阻挡信号。同理，输出端需要设置与门电路，与单片机的P2.7检测端口连接，排阻提供上拉电位，确保按预期效果工作，如图20所示。图20触摸仿真电路7.2AD转换转换环节电路环节电路设计电路中放置了8个红外二极管，根据光强的变化其电阻将会有明显的起伏，通过设置如图所示的分压电路，配以ADC0832转换器就可以检测出其所处的光强强度，得到光照阻挡量的大小。基于89C52RC硬件的红外触摸屏设计及研究26图21模拟转换环节电路使用一个滑动变阻器模拟采样的电压，同上，开关切换仍旧使用74LS164和CD4066的配合实现，ADC0832的接线如图，三个输出端口接入单片机的P3.0P3.2，实现数模转换。7.3单片机和数码管单元单片机和数码管单元如上文所述，使用P0和P2端口控制四位数码管显示，接入P0口的上拉电阻防止单片机的逻辑错误，同时给数码管提供工作点，如下图所示。图22数码管电路基于89C52RC硬件的红外触摸屏设计及研究277.4仿真结果仿真结果如图23所示，数码管显示出四位数字，左为X的坐标，右为Y坐标，通过加减权重实现坐标缩放，示例如下：voidADConvert(intflag)AD转换执行函数，flag=0转换X，flag=1转换yif(flag=0)AD=(Get_AD_Result()500.0255)105key0=(key0-1)10+ADdelay(20)if(flag=1)AD=(Get_AD_Result()500.0255)105key1=(key1-1)10+ADdelay(20)通过开关模拟一体化接收器的阻挡信号，可以看到数码管的坐标发生10的坐标变化，这是因为量化的时候根据10作为一个档位，整个触摸屏被划分为44的大区域，每个区域的坐标精度为1010，即实现4040分辨率的触摸屏功能。拖动响应滑动变阻器可以修改AD的输入模拟量大小，同时可以观察到数码管的坐标会响应的变大和缩小。图23数码管输出仿真仿真结果正确有效，但是在仿真环节中，所有元件的响应时间都近似于0，这是不符合现实情况的，在下一步的硬件设计环节中需要多次修改参数，达到预期效果。基于89C52RC硬件的红外触摸屏设计及研究288硬件调试硬件调试8.1PCB适用性修改适用性修改PCB是高度集成的硬件，本文使用的10cm10cmPCB的制作费用较为昂贵，而且实际可利用空间相当大，故引入单片机电路环节，引出IO口，并且设置跳线，通过跳线的开关闭合可以断开以及连接板上的单片机，同时保留了触摸屏的外部调试功能，除了方便程序的调试外，还为日后的单片机集成提供了便利。STC-89C52RC系列单片机有内部集成晶体震荡环节，可以提供12Mhz的震荡频率，但受电流和电压影响较大，频率不稳定，为了保证系统的稳定工作，在单片机外部接入晶体振荡电路，为其提供时钟源。此外，还设置了复位电路，方便系统重启调试。图24片上单片机电路此外，还要为PCB覆铜，使用最小图元长度3mil的影线化45填充，连接到GND网络为PCB电路提供稳定的GND环节，保证系统稳定。以下分别展示了成品PCB的正面和反面示例图。图25正面PCB效果基于89C52RC硬件的红外触摸屏设计及研究29图26反面PCB效果8.2程序程序调试调试安放元件后，检测电路的通断，便可以进入下一个调试环节。在实际环境中测试触摸屏的触摸效果，录入仿真环节通过测试的程序文件，发现触摸屏可以感知一体化接收管的接收数据，但是AD转换数据错误，无法感知感应区内的具体触摸位置，需要对程序进行修改。voidADConvert(intflag)AD转换执行函数，flag=0转换X，flag=1转换yif(flag=0)AD=(Get_AD_Result()500.0255)105key0=(key0-1)10+ADdelay(20)if(flag=1)AD=(Get_AD_Result()500.0255)105key1=(key1-1)10+ADdelay(20)基于89C52RC硬件的红外触摸屏设计及研究30问题出现在以上的函数中，可以发现在模拟环节中，红外接收管的初始电压偏值为5V，即当接收管被完全遮挡时接收管的分压为5V。然而，在实际环境中，由于环境外光照的影响以及分压电阻的存在，即使是被完全遮挡，红外接收管的电压值也无法达到5V，故需要加入环境光采集环节，目的是使红外接收管被完全遮挡时偏值归一化为5V。可以想象以下的情形，当触摸发生时，检测到其中一个X坐标的红外接收管的光强偏压为30，这个偏压值被寄存器所记录，则在触摸仍旧发生在同一个坐标区域（坐标宽度为10）的情况下，电压偏值将在30100之间浮动，此时的任务是需要把30的偏压值约化为0，同时保证100的偏压值为100，期间实现线性过渡即可，公式如下：100()100YXSS其中X为转换偏压值，Y为转换后的结果偏压值，S为初始值。通过这个变化，就可以实现动态的光强检测显示了，具体实现函数如下。uintCurrentXCurrentYvoidCurrentADConvert(intflag)光强检测执行函数，flag=0转换X，flag=1转换yif(flag=0)CurrentX=(Get_AD_Result()500.0255)105delay(20)if(flag=1)CurrentY=(Get_AD_Result()500.0255)105delay(20)voidADConvert(intflag)AD转换执行函数，flag=0转换X，flag=1转换yfloatabif(flag=0)AD=(Get_AD_Result()500.0255)105a=AD1.00b=(10.00(10.00-CurrentX)(a-CurrentX)基于89C52RC硬件的红外触摸屏设计及研究31key0=(key0-1)10+bdelay(20)if(flag=1)AD=(Get_AD_Result()500.0255)105a=AD1.00b=(10.00(10.00-CurrentY)(a-CurrentY)key1=(key1-1)10+bdelay(20)voidCurrentADConvert为缓存函数，CurrentXCurrentY分别记录X和Y坐标的初始光强亮度，即式中的S变量，voidADConvert为修改后的AD转换函数，需要注意的是AD变量和CurrentXCurrentY变量默认都是无符号整形(unsignedint)，在运算过程中小数位会被舍弃，如果不加以处理会使程序报错，这里使用单精度浮点型，取小数点后两位作为浮点变换，保证运算结果的准确性。同理，需要在main函数加入以下代码。if(FlagAD=0)初始化光强Reset=0ResetAD=0ADSwitchX()CurrentADConvert(0)ADSwitchY()CurrentADConvert(1)FlagAD=1下次扫描不再初始化其中FlagAD为缓存量标记符，0时表示需要进行光照偏压初始化，而1时表示触摸点存在，不需要进行偏压初始化，其余函数和AD转换函数相类似。8.3延时调试延时调试如第6节所述，需要调试IR-LED的发射时长以及HX1838的接收延时，以确保准确接收到红外信号，在硬件调试阶段，在正常的晴天室内环境下（照度约为700lx），通过多次调整delay()函数，确定了一个较为稳定的延时参数。接收管的响应参数设定为delay(8)，一体化红外接收头电平回复延时设定为基于89C52RC硬件的红外触摸屏设计及研究32delay(50)，没有使用定时器。实际测试数据如下，由于系统的不稳定性以及电路的多次谐波干扰，导致了某些时候电平判断的失误，即使在以上的延时设定中依旧存在着不确定的判断失误情况，但并不影响这个触摸屏的正常使用，这在最后的优化环节中会有简单的讨论。接收延时参数delay(t1）3456789101112准确次数(测试10次)0267988788电平回复延时参数delay(t2)102030405060708090100准确次数(测试10次)003810101091010基于89C52RC硬件的红外触摸屏设计及研究339光学设计光学设计一般的红外触摸屏没有光学设计环节，这大大降低了该类触摸屏在小面积领域的应用，可以看出来，以上对触摸点的计算都是基于平行光的原理。然而在实际情况中，通过子弹头封装的LED所呈现出来的是类似于郎伯发光体的点光源，通过二次透镜设计，可以实现近似于平行光的发射，对于提高触摸屏的可靠性有一定的作用。9.1透镜计算透镜计算计算基于四阶龙格-库塔(Runge-Kutta)法求解以下方程组。212sin()cos()()arctan(tan()sin()ndrrdnn其中r为发光源到镜面的距离半径，计算方法如下：1213243()()22()22()nnnnnnnnKfrhhKfrKhhKfrKKfhrhK()drfrd通过EXCEL或者MATLAB等软件就可以计算出透镜形状。9.2光学模拟光学模拟使用TracePro进行光学分析，导入计算的薄透镜，LED发光中心定位原点，设定为环数100的1W光源，剖面光源密度为高斯分布，近似等于朗伯体，透镜安放在距离光源10mm处，即距离LED封装外壳约3mm处。此外，在距离透镜100mm的地方设定接收平面，如下图所示。基于89C52RC硬件的红外触摸屏设计及研究34图27光学建模进行光线追踪，并设定接收面为全吸收，分析接收面即可得到以下的辐照度分析图，设定平滑渲染，分辨率为512512，假彩色显示。图28辐照度分析图光斑为圆形，半径为2cm，在实际应用中基本可以完全覆盖触摸区域，此外光斑辐射度分布较为均匀，可以保证触摸的过渡平滑。光学透镜的设计并非必要，而且透镜的设计制作较为繁琐，实际效果也是不可预计的。由于目前LED工艺的限制，使用传统pn结发光的LED大多制作成小型的正方形发光体结构，无法制作大面积的均匀发光体，故本实验并没有对透镜进行安装调试，仅做理论阐述。相信随着有机发光二极管（OLED）工艺技术的进步成熟，平面发光的IR-LED也会在不久的将来进入市场，选用此类的LED设备定可以大幅度提高红外触摸屏的实际工作性能。基于89C52RC硬件的红外触摸屏设计及研究3510产品应用产品应用10.1户外触摸屏户外触摸屏公共户外触摸屏可以使用在车站、宣传栏，以及相关的公共信息点等地方，可以为公众提供及时有效的信息，其丰富的互动性能可以大大提升广告的宣传效果。应用的公共设施的触摸屏除了覆盖面积大的特点外，还要保证系统的稳定性和可维修性。由于传统使用ITO玻璃的电阻和电容触摸屏，其触摸区域与触摸物体直接物理接触，而且由于ITO对玻璃表面平整度要求高，无法集成到大面积的厚玻璃上，故大面积的传统触摸屏无法承受大的外部物理冲击，一旦损坏就要更换整块触摸屏。红外触摸屏的发射和接受区域均在显示区域外，故可以在显示区域上覆盖高强度的玻璃保护显示器件，同时在四周放置红外触摸屏模模组实现触摸控制，保证器件的完整性。此外，红外发射以及接收管的环境可靠性强，维修方便，价格低廉。图29麦当劳的创意互动触摸广告一般情况下，阴天的室外照度范围是50500lx，而夏季正午太阳下的照度可以达到10的9次方数量级，可以想象，如此大的照度会把红外LED的发射信号完全淹没，若不加以控制，将导致触摸屏的工作瘫痪。本文主要在理论上加以分析，使用亮度调节、偏振片两种方法改善红外触摸屏的户外性能。10.1.1亮度调节亮度调节由于红外发射管受38Khz矩形波调制，加上模拟开关的通断控制，在5V的驱动下亮度大打折扣。使用占空比为1:1的调制波，5V的电压等效为2.5V负载驱动，程序运行周期约为80ms而当个IR-LED的点亮时间约为1ms，其余时间均关闭，故可以推测出其等效负载电压为2.580=0.03125V。现假设加载0.5V的实际负载电压驱动红外发射管，根据以上推测，大概需要0.550.03125=80V，可以通过内置的电压变换器把市电220V转换为所需要的80V电压加载在驱动端，可以实现高亮度驱动，提高户外触摸性能，但要注意三极管的选用以及放置二极基于89C52RC硬件的红外触摸屏设计及研究36管防止电流回流。此外，可以使用锁相放大器有效提高背景信号提取能力，这种硬件方法在实践中证明是有效可行的，将在下文加以介绍。10.1.2偏振片偏振片自然光经电介质界面反射后，反射光为线偏振光所应满足的条件，有当入射角为某特定角时反射光才是线偏振光，其振动方向与入射面垂直，此特定角称为布儒斯特角或起偏角，用b表示。此规律称为布儒斯特定律。光以布儒斯特角入射时，反射光与折射光互相垂直。如下图所示。图30布鲁斯特角如上述，由于太阳光属于无偏振的自然光，存在着各个方向的偏振态，经过地面的反射后，大部分光都呈现平行于地面的偏振态，通过在触摸屏接收区域的垂直地面光轴的偏振片，可以过滤掉大部分经过地面反射的太阳光，从而获得更高可靠性的触摸效果。偏振片可以加装在一体化红外接收头的外部固定槽内，入射的光线一律需要经过偏光片才可以被接收头探测，由于红外发射LED的光线没有明显的偏振态，可以顺利通过偏光片，而地面反射和阳光直射的自然光只有一部分满足偏振条件可以进入接收装置内，减小了地面反射光干扰，整个系统的稳定性可以得到提高。10.2桌面数位板桌面数位板数位板，又名绘图板、绘画板、手绘板等等，是计算机输入设备的一种，通常是由一块板子和一支压感笔组成，它和手写板等作为非常规的输入产品相类似，都针对一定的使用群体。与手写板所不同的是，数位板主要针对设计类的办公人士，用作绘画创作方面，就像画家的画板和画笔，我们在电影中常见的逼真的画面和栩栩如生的人物，据说就是通过数位板基于89C52RC硬件的红外触摸屏设计及研究37一笔一笔画出来的。数位板的这项绘画功能，是键盘和手写板无法媲美之处。数位板主要面向设计、美术相关专业师生、广告公司与设计工作室以及Flash矢量动画制作者。众所周知，目前只有Wacom公司可以实现在数位板上的图形多点缩放，并且目前市面上A4大小以上的数位板产品不仅数量稀少，而且价钱也相当昂贵。使用此方法实现的数位板是红外触摸技术在这个领域的一次尝试，可以轻松实现手势的操作以及大面积化和低廉的价格，具有一定的前景。如下图，使用1111cm的底座，切除一个1010cm的金属槽放置PCB板，上面覆盖一层用于书写的硬质书写板，可以配以不同的的粗糙度模拟不同的书写环境，相关的更换书写板套件可以随机附送或者另外购买。预留了数据输入口以及两个灵敏度调节按钮。图31数位板方案底座而上部则是一个镂空的顶盖，四周有凹槽用于放置发射器和接收管，配以薄透镜则可以实现近似于平行光的光源输出，通过安放多组的红外发射对管装置可以提高系统的精度。图32数位板方案前盖通过固定装置组合两部分零件，就可以组合为一个数位板模型，此外，还需要配有压力传感器的数位板模拟画笔，可以使用无线或者有线的形式，把压力传感器的数据实时传送到单片机上，单片机可以多路输出坐标数据以及压力数据，通过计算机分析就可以准确得到画基于89C52RC硬件的红外触摸屏设计及研究38笔的坐标以及画笔施加的压力大小。压力传感器是一种将压力转换成电流电压的器件，可用于测量压力、位移等物理量。压力传感器的种类很多，其中硅半导体传感器因其体积小、重量轻、成本低、性能好、易集成等优点得到广泛的应用。Motorola公司生产的X型硅压力传感器，其压敏电阻元件呈X型，因而称为X型压力传感器。该X型电阻其模拟输出电压正比于输入的压力值和电源偏置电压，具有极好的线性度，且灵敏度高，长期重复性好。此系列中的MPX10DP作为压力传感器，可以很好地满足系统的要求。使用这种方案的数位板实际性能尚在讨论当中，在小面积的应用中红外设备先天不足，灵敏度和分辨率都大不如传统的手持触摸技术，这里仅提供一个可行的方案，实际效果有待进一步研究和探索。图33MPX10DP-4ZIP压力传感器基于89C52RC硬件的红外触摸屏设计及研究3911系统优化系统优化本次实验设计并制作了一个基于单片机系统的简易红外触摸屏，基本达到了预期的目的，可以实现一般光强环境下的正常使用，由于C52单片机的系统资源问题，没有加入预先设计的串口通信模块，相信改用诸如ARM和DSP等快速片上系统可以轻易实现以上功能，可以让本触摸屏更具有实用价值。关于硬件的优化是一个漫长的经验积累和尝试过程，正如上文调试一体化红外接收头的接收响应时间一样，对触摸屏的优化也需要耐心和细心。基于篇幅和时间的原因，在这里提出以下几点系统优化的建议，可供参考。直接使用红外接收管接收触摸信号直接使用红外接收管接收触摸信号可以直接使用红外接收管判断触摸信号的位置，原理是通过记录每个接收管的光强信号，通过AD转换得到光强值，计算平均光强，然后判断哪个管的光强值低于平均水平，即可得到一个触摸点。此外，可以比较相邻接收管的光强值大小确定具体的触摸位置。这样做的好处是可以节省系统资源，免去了555定时器以及一体化红外接收头电路，大大减轻了系统的设计难度。缺点是可能使外界的干扰强烈，稳定性变差。事实上，这也是现在实用化的红外触摸屏普遍使用的方案之一。贴片小型化贴片小型化考虑到系统的组装和实验条件，本次没有使用任何贴片式的元器件，这无疑加大了成品的尺寸，实际生产中常常使用贴片式的元件，则可以让系统小型化，同时紧凑排列的LED以及接收器可以提高触摸屏的分辨率，实现小面积准确化识别，有相当大的实用意义。引入引入锁相放大器锁相放大器环节环节锁相放大器的基本结构如图34所示包括信号通道、参考通道、相敏检测器(PSD)和低通滤波器(IpF)等。信号通道对调制信号输入进行交流放大，将微弱信号放大到足以推动相敏检测器工作的电平，并且要滤除部分干扰和噪声，以提高相敏检测的动态范围。参考输入一般是等幅正弦信号或方波开关信号。它可以是从外部输入的某种周期信号，也可以是系统内原先用于调制的载波信号或用于斩波的信号。参考通道对参考输入进行放大或衰减，以适应相敏检测器对幅度的要求。PSD相敏检测器是锁定放大器的核心部件，它以参考信号r(t)为基准，对有用信号x(t)进行相敏检测，从而实现频谱迁移过程，再经过LPF滤除噪声。根据三角函数系的正交变化，任意满足狄里赫利条件的信号都可以通过傅里叶展开为三角正交函数集的线性组合的形式，而且只有两个相同频率的正弦或是余弦三角函数相乘后再经过无线积分可得到两者幅值与sin或是cos（中为两者相位差）的乘积，而不同频率的正弦或是余弦三角函数相乘后再经过无限积分得到的都为0.因此可以用一基于89C52RC硬件的红外触摸屏设计及研究40个同频率的正弦或是余弦三角函数与光电转换后的信号相乘，然后再将乘积无限积分，这样转换后的信号中与调制信号频率不同的信号分量（干扰噪声分量）就会在与调制信号相乘后积分为0，而将与调制信号相同频率的信号分量（有用信号分量）幅值从干扰信号中提取出来，这就实现了锁相解调。当输入信号x(t)为正弦波，参考信号r(t)为正弦波时，即00()cos()()()cos()trxtVtntrtVt则两者通过模拟乘法器后的输出为000()()()cos()()cos()0.5cos0.5cos(2)ptrrtrtutxtrtVtntVtVVVVt两者通过PSD后，原来频率为0的信号迁移到0和两倍相位之间，相敏检测器的输出经过低通滤波器LPF后，和频分量被滤除，LPF通带之处的噪声也被滤除，得到的输出为u0(t)=0.5VtVrcos，此输出正比于被检测型号的幅度，同时正比于被检测信号与参考信号的相位差的余弦函数。具有锁相放大器环节的红外接收电路能有效地提取出有用信号，并具有中心频率稳定，通频带窄，品质因数高等特点，非常有利于将微弱的调制光信号从很强的背景噪声中提取出来，将其用在红外触摸屏上能有效地提高其抗强光干扰的性能，为红外触摸屏在强光下的正常工作提供了一种可行的