基于PIC16F877A單片機(jī)的LED點(diǎn)陣手寫屏設(shè)計(jì)
黃舒
摘要： 本文采用PIC 16F877A單片機(jī)為主要核心控制元件，設(shè)計(jì)了一個(gè)32×32 LED點(diǎn)陣模塊的書寫顯示屏。它主要由光筆模塊和點(diǎn)陣顯示模塊組成，光筆模塊利用光敏電阻的光電特性，實(shí)現(xiàn)微亮檢測(cè)功能。光筆反饋信號(hào)經(jīng)放大器LM324 比較后，送給單片機(jī)處理。32×32點(diǎn)陣顯示模塊、驅(qū)動(dòng)模塊由74HC595外設(shè)驅(qū)動(dòng)陣列和8位串行輸入/輸出移位寄存器ULN2803A組成。光筆通過顯示屏微亮掃描尋找坐標(biāo)值，按鍵和LED指示燈可實(shí)現(xiàn)“點(diǎn)亮、劃亮、反顯、整屏擦除、筆畫擦除、連寫多字、對(duì)象拖移”等書寫顯示功能。
Abstract：
Key words :
本文采用PIC16F877A單片機(jī)為主要核心控制元件，設(shè)計(jì)了一個(gè)32×32 LED點(diǎn)陣模塊的書寫顯示屏。它主要由光筆模塊和點(diǎn)陣顯示模塊組成，光筆模塊利用光敏電阻的光電特性，實(shí)現(xiàn)微亮檢測(cè)功能。光筆反饋信號(hào)經(jīng)放大器LM324 比較后，送給單片機(jī)處理。32×32點(diǎn)陣顯示模塊、驅(qū)動(dòng)模塊由74HC595外設(shè)驅(qū)動(dòng)陣列和8位串行輸入/輸出移位寄存器ULN2803A組成。光筆通過顯示屏微亮掃描尋找坐標(biāo)值，按鍵和LED指示燈可實(shí)現(xiàn)“點(diǎn)亮、劃亮、反顯、整屏擦除、筆畫擦除、連寫多字、對(duì)象拖移”等書寫顯示功能。
系統(tǒng)系統(tǒng)總體構(gòu)成
本系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括三大部分：PIC16F877A單片機(jī)主控器、光筆控制器、點(diǎn)陣顯示屏。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
PIC系列單片機(jī)是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片，具有與8051兼容的微控制器內(nèi)核，與MCS-51指令集完全兼容。其內(nèi)部還集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其他數(shù)字外設(shè)及功能部件，并包括A/D和D/A模塊，執(zhí)行速度快，功能強(qiáng)大。
光筆選用光敏電阻作為感應(yīng)器件，根據(jù)光敏電阻的光電特性，光敏電阻兩瑞電壓因光電阻的變化而變化。電壓值經(jīng)電壓比較器LM324比較后可輸出高/低電平。光電特性非線性易調(diào)節(jié)，且靈敏度較好。
LED與數(shù)碼管同步使用，LED 用于功能指示燈，數(shù)碼管用于32×32點(diǎn)陣LED模塊書寫顯示屏當(dāng)前光筆所在的行/列坐標(biāo)值。
分析與計(jì)算
（1）光筆選取與參數(shù)設(shè)計(jì)
點(diǎn)陣用微亮的光進(jìn)行掃描，光筆用來感應(yīng)。當(dāng)光筆感應(yīng)到光時(shí)，通過程序可獲當(dāng)前點(diǎn)陣光對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)值。從而做出相對(duì)應(yīng)的處理。光筆起著關(guān)鍵作用，其感應(yīng)器件是光敏電阻。光敏電阻的光電特性如圖2所示。
圖2 光敏電阻光電特性
光敏電阻安裝在光筆筆頭，用于感應(yīng)點(diǎn)陣掃描光。光筆電路圖如圖3所示。電路經(jīng)過放大器LM324進(jìn)行正相輸入/反相輸入電壓比較,輸出高低電位。經(jīng)測(cè)量可知，在光照條件下，LM324輸出端為 0V（RB0），光敏電阻兩端電壓為0V；無光時(shí)，光敏電阻兩端電壓為2.8V，LM324輸出端為高電位。由分壓公式可得出RP阻值為7360Ω。當(dāng)光筆接收到不同光線時(shí)，只需調(diào)節(jié)電位器，光筆正常工作。所以，在不同環(huán)境下，只需調(diào)節(jié)電位器，點(diǎn)陣顯示屏一樣正常工作。
圖3 光筆電路圖
點(diǎn)陣屏驅(qū)動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì)無現(xiàn)成的32×32點(diǎn)陣LED模塊，因此采用16塊8×8點(diǎn)陣拼成 32×32點(diǎn)陣。但這樣占用單片機(jī)I/O過多，必須對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)展。點(diǎn)陣工作電壓在1.5V~2.2V左右，驅(qū)動(dòng)電流較大。
（2）屏亮自動(dòng)調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)
屏亮自動(dòng)調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)采用光敏電阻和LM317（三端可調(diào)正電壓穩(wěn)壓器）實(shí)現(xiàn)屏亮自動(dòng)調(diào)節(jié)。由光敏電阻光電特性原理可知，光敏電阻在不同光線照射下，阻值不一樣。根據(jù)此原理，光敏電阻與LM317可調(diào)電阻并聯(lián)。當(dāng)光線不一樣時(shí)，LM317輸出不一樣的電壓阻值。屏亮自動(dòng)調(diào)節(jié)電路如圖4 所示。
圖4 LID屏亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)電路
LM317輸出電壓計(jì)算，Vout由調(diào)節(jié)端的總電阻R和電流I共同決定。其輸出電壓計(jì)算公式為：
。這里通過改變電阻而改變電壓。
（3）超時(shí)關(guān)顯示節(jié)電設(shè)計(jì)
當(dāng)光筆長(zhǎng)時(shí)間（1~5min時(shí)間可由控制器輸入設(shè)定）未接觸顯示屏，能自動(dòng)關(guān)閉顯示并進(jìn)入休眠狀態(tài)。進(jìn)入休眠狀態(tài)由程序控制，單片機(jī)進(jìn)入休眠后，消耗電流在2mA 以下。
電路設(shè)計(jì)
（1）點(diǎn)陣顯示屏電路設(shè)計(jì)
32×32點(diǎn)陣LED顯示屏共有32個(gè)端口，如不驅(qū)動(dòng)點(diǎn)陣，占用單片機(jī)I/O過多。這里采用74HC595（八外設(shè)驅(qū)動(dòng)陣列）、ULN2803A（8位串行輸入/輸出移位寄存器）點(diǎn)陣行驅(qū)動(dòng)和74HC154、 7404點(diǎn)陣列驅(qū)動(dòng)。共同完成32×32點(diǎn)陣LED顯示屏驅(qū)動(dòng)。顯示屏行驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示、列驅(qū)動(dòng)電路圖如圖6所示。僅僅用到8個(gè)I/O口，點(diǎn)用資源少，易控制并且顯示效果很好。
圖5 顯示屏行驅(qū)動(dòng)電路圖
圖6 顯示屏列驅(qū)動(dòng)電路圖
（2）坐標(biāo)顯示電路設(shè)計(jì)
根據(jù)題目要求，在“點(diǎn)亮”功能下，光筆接融到顯示屏某點(diǎn)時(shí)，控制板同步顯示該點(diǎn)的坐標(biāo)值。坐值標(biāo)為數(shù)字，所以可采用四個(gè)數(shù)碼管作為顯示器件。采用 74LS164擴(kuò)展單片機(jī)I/O口，其電路如圖7所示。共有四套這樣的電路，其中兩套用于X軸顯示，另外兩套用于Y軸顯示。
圖7 坐標(biāo)顯示電路
軟件設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)對(duì)軟件設(shè)計(jì)要求高，大部分功能只能由軟件完成。因程序量大，時(shí)間有限，采用C語言編程，這樣就大大提高了程序移值性問題，提高了編程效率。編程關(guān)鍵點(diǎn)在于微亮掃描與捕捉儲(chǔ)存，如圖8所示。
圖8 掃描與儲(chǔ)存部分流程圖
總結(jié)
本文所設(shè)計(jì)的32×32 點(diǎn)陣LED模塊書寫顯示屏，應(yīng)用光敏電阻的光電特性，對(duì)光進(jìn)行檢測(cè)感應(yīng)，反饋給單片機(jī)，通過處理可實(shí)現(xiàn)“點(diǎn)亮、劃亮、反顯、整屏擦除、筆畫擦除、連寫多字、對(duì)象拖移”等書寫顯示功能。
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