第7題 LED點(diǎn)陣書(shū)寫(xiě)顯示屏

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1、青島大學(xué) 電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心 全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽 LED點(diǎn)陣書(shū)寫(xiě)顯示屏 (H題) 殷凱 李健 李文超 2015年5月26日 LED點(diǎn)陣書(shū)寫(xiě)顯示屏(H題) 摘要 本設(shè)計(jì)基于16位超低功耗單片機(jī)MSP430G2553，使用74HC595串行驅(qū)動(dòng)一塊16×16的LED點(diǎn)陣屏，由單片機(jī)控制LED點(diǎn)陣屏逐行逐點(diǎn)進(jìn)行掃描，通過(guò)光敏三極管構(gòu)成的光筆將LED點(diǎn)陣屏上掃描產(chǎn)生的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并將其送入單片機(jī)自帶的ADC10模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，根據(jù)設(shè)定的閾值電壓可以判斷光筆的接觸點(diǎn)坐標(biāo)，并實(shí)現(xiàn)“點(diǎn)亮、擦除、劃亮、反顯、整屏擦除、筆畫(huà)擦除、連寫(xiě)多字、對(duì)象拖移”等功

2、能，此外還可以使用上位機(jī)顯示并控制LED點(diǎn)陣屏的運(yùn)行狀態(tài)，本設(shè)計(jì)具有功耗低、使用簡(jiǎn)單、可靠性高等特點(diǎn)。 關(guān)鍵詞 MSP430 LED點(diǎn)陣 光敏三極管 74HC595 Abstract The design of ultra low power 16 bit microcontroller based on MSP430G2553, using the 74HC595 serial driver a 16 x 16 LED dot matrix screen, controlled by the microcontroller LED dot matrix screen line p

3、oint by point scanning, a light pen through the phototransistor will have a scan LED dot matrix screen light signals into electrical signals, and sends it to ADC10 SCM module for analog-to-digital conversion, the threshold voltage can be judged according to the contact point of the light pen coordin

4、ate, and the realization of "light, erase, strike, anti significant, erase screen, erase, write more words, strokes object dragging" function, also can use the computer to display and control the running state of LED dot matrix screen, has the characteristics of low power consumption, high reliabili

5、ty, easy to use this design. Keywords MSP430 LED Dot Matrix Photosensitive Transistor 74HC595 目錄 1 設(shè)計(jì)背景及意義 1 2 方案比較與選擇 1 2.1 主控制器的選擇與比較 1 2.2 光筆檢測(cè)的選擇與比較 1 2.3 操作方式的選擇與比較 1 3 總體設(shè)計(jì) 2 4 硬件設(shè)計(jì) 2 4.1 光筆檢測(cè)電路 2 4.2 LED點(diǎn)陣顯示屏 3 4.3 主控制器MSP430G2553 3 5 軟件設(shè)計(jì) 4 5.1 主程序設(shè)計(jì) 4 5.2 擴(kuò)展設(shè)計(jì) 4 5.3上位機(jī)設(shè)

6、計(jì) 5 5.4 軟件流程框圖 5 6 系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果 6 6.1 基本要求的測(cè)試與結(jié)果 6 6.2 擴(kuò)展要求的測(cè)試與結(jié)果 6 6.3 其他擴(kuò)展要求的測(cè)試與結(jié)果 6 7 設(shè)計(jì)總結(jié) 6 8 參考文獻(xiàn) 6 1 設(shè)計(jì)背景及意義 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，各種硬件設(shè)備也是日新月異、層出不窮。在輸入設(shè)備中，為了應(yīng)對(duì)手寫(xiě)文字輸入與繪畫(huà)輸入的需求，出現(xiàn)了各種手寫(xiě)繪畫(huà)輸入設(shè)備，包括手寫(xiě)板、繪圖板等。隨著電腦的普及和網(wǎng)絡(luò)的流行，人們對(duì)網(wǎng)上信息訪問(wèn)量迅速上升，但用鍵盤(pán)快速打字，對(duì)還不熟悉電腦的人們來(lái)說(shuō)真是件費(fèi)力又費(fèi)心的事。 LED顯示器分為圖文顯示器和視頻顯示器，均由LED矩陣塊組成。圖文顯示屏

7、可與計(jì)算機(jī)同步顯示漢字、英文文本和圖形；視頻顯示屏采用微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，圖文、圖像并茂，以實(shí)時(shí)、同步、清晰的信息傳播方式播放各種信息，還可顯示二維、三維動(dòng)畫(huà)、錄像、電視、VCD節(jié)目以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)況。LED顯示屏顯示畫(huà)面色彩鮮艷，立體感強(qiáng)，靜如油畫(huà)，動(dòng)如電影，廣泛應(yīng)用于車站、碼頭、機(jī)場(chǎng)、商場(chǎng)、醫(yī)院、賓館、銀行、證券市場(chǎng)、建筑市場(chǎng)、拍賣行、工業(yè)企業(yè)管理和其它公共場(chǎng)所。 2 方案比較與選擇 2.1 主控制器的選擇與比較 方案一：采用低功耗的MSP430G2553為主控制器，內(nèi)置具有基準(zhǔn)、采樣與保持以及自動(dòng)掃描功能的10位200-ksps的A/D轉(zhuǎn)換器，晶振頻率達(dá)到32kHz，運(yùn)行速度較快。內(nèi)置的

8、16位定時(shí)器、多達(dá)24個(gè)支持觸摸感測(cè)的I/O引腳，一個(gè)通用型模擬比較器以及采用通用串行通信接口的內(nèi)置通信能力。 方案二：采用STC89C52單片機(jī)，成本低，程序書(shū)寫(xiě)簡(jiǎn)單易控制，晶振頻率為12MHz，其運(yùn)行速度相對(duì)較慢，需外接AD，且為8位CPU，內(nèi)存空間相對(duì)較少。 方案三：采用STM32單片機(jī)為主控制器，速度快，具有72MHz的CPU工作頻率和很強(qiáng)的運(yùn)算能力，可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)陣屏的高速掃描的一些復(fù)雜控制，但其功率相對(duì)較高，功能實(shí)現(xiàn)起來(lái)相對(duì)復(fù)雜。 經(jīng)比較，選擇方案一為主控制器。 2.2 光筆檢測(cè)的選擇與比較 方案一：采用循環(huán)掃描LED點(diǎn)陣顯示屏，光筆通過(guò)光敏三極管檢測(cè)光信號(hào)的方式。LED點(diǎn)陣顯

9、示屏在CPU的控制下不斷掃描，當(dāng)光筆檢測(cè)到所在點(diǎn)處的光信號(hào)時(shí)產(chǎn)生電流，傳回單片機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)的電壓值且與程序所設(shè)定的電壓值相比較，單片機(jī)對(duì)LED點(diǎn)陣顯示屏上的點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的操作。 方案二：采用點(diǎn)陣顯示屏檢測(cè)光筆所帶LED產(chǎn)生的光信號(hào)的方式。串行驅(qū)動(dòng)只占用一個(gè)I/O口但速度相對(duì)較慢且亮度較低。并行驅(qū)動(dòng)占用大量I/O口且功耗大，且MSP430無(wú)法提供足夠的I/O口，因此采用串行驅(qū)動(dòng)。而串行驅(qū)動(dòng)下LED點(diǎn)陣無(wú)法實(shí)現(xiàn)測(cè)光。 經(jīng)比較，采用方案一作為光筆檢測(cè)的方案。 2.3 操作方式的選擇與比較 方案一：采用獨(dú)立按鍵與上位機(jī)結(jié)合。獨(dú)立按鍵編程簡(jiǎn)單但每個(gè)按鍵占用一個(gè)I/O口，因此結(jié)合上位機(jī)來(lái)擴(kuò)展功能，同時(shí)

10、實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)對(duì)本系統(tǒng)的操作。 方案二：為了節(jié)省I/O口，通常將按鍵排列成矩陣形式，每條水平線和垂直線在交叉處不直接連通，而是通過(guò)一個(gè)按鍵加以連接。采用矩陣按鍵，提高了I/O口利用率但軟件編程較為復(fù)雜，且本設(shè)計(jì)并不需要很多按鍵。 第1頁(yè)，共6頁(yè) 經(jīng)比較，采用方案一作為本設(shè)計(jì)的操作方式。 3 總體設(shè)計(jì) 控制器的控制方式是：當(dāng)光筆感應(yīng)無(wú)效時(shí)，一直顯示原有的數(shù)據(jù)，采用動(dòng)態(tài)掃描的方式顯示，由定時(shí)器控制屏幕的掃描，即以一定的頻率對(duì)屏幕進(jìn)行整屏掃描，這樣顯示和掃描交替進(jìn)行。掃描開(kāi)始時(shí)才判斷光筆的感應(yīng)是否有效，以免在顯示的時(shí)候也產(chǎn)生中斷。在省電模式中，也由定時(shí)器來(lái)控制，其中掃描定時(shí)中斷和省電定時(shí)中

11、斷在開(kāi)機(jī)時(shí)就一直工作，省電模式就是在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)光筆沒(méi)有感應(yīng)到LED發(fā)光時(shí)，就會(huì)取消顯示的功能，同時(shí)關(guān)閉省電定時(shí)器，就剩下定時(shí)掃描。當(dāng)光筆感應(yīng)有效時(shí)，產(chǎn)生外部中斷，同時(shí)開(kāi)啟省電計(jì)時(shí)器，而且使顯示功能生效，此時(shí)又是顯示和掃描交替進(jìn)行。 光筆檢測(cè)LED點(diǎn)陣顯示屏的光信號(hào)，單片機(jī)對(duì)接收到的產(chǎn)生的電壓信號(hào)分析后對(duì)LED點(diǎn)陣顯示屏進(jìn)行相應(yīng)的操作。開(kāi)啟上位機(jī)操作程序后將顯示進(jìn)行操作的點(diǎn)同時(shí)可控制LED點(diǎn)陣顯示屏完成相應(yīng)的功能?？傮w設(shè)計(jì)框架如下： 4 硬件設(shè)計(jì) 4.1 光筆檢測(cè)電路 光筆檢測(cè)電路由光敏三極管構(gòu)成，光電流大，響應(yīng)時(shí)間短，且其靈敏度非常高，易判斷所在處LED在點(diǎn)陣屏中的坐標(biāo)，而光

12、敏電阻及光敏二極管靈敏度相對(duì)較低且響應(yīng)速度慢，此設(shè)計(jì)具有一定的速度要求，故采用光敏三極管檢測(cè)光信號(hào)。 第2頁(yè)，共6頁(yè) 光敏三極管應(yīng)用電路 光敏三極管特性曲線 4.2 LED點(diǎn)陣顯示屏 本設(shè)計(jì)所采用16×16LED點(diǎn)陣顯示屏，由4個(gè)8×8的共陽(yáng)型點(diǎn)陣構(gòu)建。由于其自帶4片74HC595，故此設(shè)計(jì)直接采用74HC595進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，避免外加芯片使電路復(fù)雜。74HC595是一個(gè)8位串入并出的移位寄存器和一個(gè)8位輸出鎖存器的結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)在SH_CP（移位寄存器時(shí)鐘輸入）的上升沿輸入到移位寄存器中，在ST

13、_CP（存儲(chǔ)器時(shí)鐘輸入）的上升沿輸入到存儲(chǔ)寄存器中去，兩部分互不干擾，可輸出數(shù)據(jù)的同時(shí)移入數(shù)據(jù)。由于74HC595為8位并行輸出，因此16×16點(diǎn)陣顯示屏分別需要2片控制行，2片控制列。 74HC595外形圖 74HC595引腳定義 74HC595應(yīng)用電路 4.3 主控制器MSP430G2553 MSP430系列單片機(jī)是美國(guó)德州儀器（TI）1996年開(kāi)始推向市場(chǎng)的一種16位超低功耗、具有精簡(jiǎn)指令集（RISC）的混合信號(hào)處理器（Mixed Signal Processor）。之所以

14、稱之為混合信號(hào)處理器，是由于其針對(duì)實(shí)際應(yīng)用需求，將多個(gè)不同功能的模擬電路、數(shù)字電路模塊和微處理器集成在一個(gè)芯片上，以提供“單片機(jī)”解決方案。 第3頁(yè)，共6頁(yè) MSP430G2553系列是超低功耗混合信號(hào)微控制器，具有內(nèi)置的16位定時(shí)器、多達(dá)24個(gè)支持觸摸感測(cè)的I/O引腳、一個(gè)通用型模擬比較器以及采用通用串行通信接口的內(nèi)置通信能力。此外，MSP430G2553系列成員還具有一個(gè)10位模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器。 MSP430G2553引腳圖 MSP430G2553功能框圖 5 軟件設(shè)計(jì) 5.1 主程序設(shè)計(jì) 主程序包括對(duì)系統(tǒng)初始化且進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃

15、描，液晶顯示，以及“反顯”、“擦除”、“睡眠”基本要求功能下數(shù)據(jù)處理程序。其中點(diǎn)陣不斷被掃描，在極短的時(shí)間內(nèi)被點(diǎn)亮，完成一次AD轉(zhuǎn)換后立即熄滅，由于掃描時(shí)間極短，只會(huì)產(chǎn)生人眼幾乎不可見(jiàn)的掃描微亮。檢測(cè)按下控制下的功能，當(dāng)單片機(jī)內(nèi)部AD檢測(cè)到產(chǎn)生的電壓值大于設(shè)定值時(shí)，視為光筆與LED點(diǎn)陣相接觸，按照預(yù)先編寫(xiě)的程序完成相應(yīng)操作。 5.2 擴(kuò)展設(shè)計(jì) 第4頁(yè)，共6頁(yè) 本設(shè)計(jì)完成了“反顯”、“連寫(xiě)多字”、“對(duì)象拖移”、“休眠”等功能并可實(shí)現(xiàn)上位機(jī)操作?！胺达@”功能下，當(dāng)光筆接收到光信號(hào)所在的點(diǎn)已被點(diǎn)亮?xí)r，再次被檢測(cè)到后所在點(diǎn)熄滅?！斑B寫(xiě)多字”功能下，分別書(shū)寫(xiě)四個(gè)字存儲(chǔ)后可進(jìn)行回放。“對(duì)象拖移”功

16、能下，用光筆在LED點(diǎn)陣屏上進(jìn)行拖動(dòng)即可進(jìn)行各個(gè)方向上的畫(huà)面拖移?！靶菝摺惫δ芟庐?dāng)未進(jìn)行操作達(dá)到所設(shè)定的時(shí)間時(shí)，顯示屏?xí)Ｖ箳呙璨⒈３制湫菝咔暗膱D像。 5.3上位機(jī)設(shè)計(jì) 上位機(jī)與下位機(jī)之間通過(guò)MSP430G2553自帶的USCI模塊中的硬件串口進(jìn)行通信，上位機(jī)通過(guò)C#語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)。每當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到光筆的觸發(fā)信號(hào)后，便會(huì)將實(shí)際的觸發(fā)位置發(fā)送給電腦，上位機(jī)程序接收到數(shù)據(jù)后將對(duì)其進(jìn)行解析，并在電腦屏幕上顯示出觸發(fā)點(diǎn)的坐標(biāo)和圖形化表示的實(shí)際位置。同理，上位機(jī)程序也可以對(duì)單片機(jī)進(jìn)行控制，通過(guò)發(fā)送預(yù)先編制的指令代碼，用戶便可以使用電腦對(duì)LED點(diǎn)陣進(jìn)行控制。單片機(jī)接受到來(lái)自串口的數(shù)據(jù)后會(huì)觸發(fā)串口接收中斷

17、，根據(jù)收到的指令不同將會(huì)相應(yīng)響應(yīng)的函數(shù)執(zhí)行不同的操作。 5.4 軟件流程框圖 第5頁(yè)，共6頁(yè) 6 系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果 6.1 基本要求的測(cè)試與結(jié)果 軟件調(diào)試無(wú)誤后對(duì)搭建好的系統(tǒng)供電，初始化復(fù)位進(jìn)入“書(shū)寫(xiě)”模式。當(dāng)光筆觸碰LED點(diǎn)陣顯示屏后可顯示光筆所走過(guò)的路徑，同時(shí)上位機(jī)顯示走過(guò)點(diǎn)的坐標(biāo)?？焖俜€(wěn)定劃過(guò)后可實(shí)現(xiàn)1s點(diǎn)亮16個(gè)點(diǎn)，“劃亮”功能未精確實(shí)現(xiàn)。選擇按鍵二進(jìn)入“反顯”模式可看到被點(diǎn)亮的地方變暗而為點(diǎn)亮的地方變亮，再次按鍵可退出此模式?！罢敛脸笨赏ㄟ^(guò)復(fù)位鍵實(shí)現(xiàn)也可通過(guò)按鍵三實(shí)現(xiàn)。 經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)工作正常。 6.2 擴(kuò)展要求的測(cè)試與結(jié)果 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行上電初始化復(fù)位后進(jìn)行書(shū)

18、寫(xiě)，然后再次經(jīng)過(guò)所書(shū)寫(xiě)過(guò)的路徑可發(fā)現(xiàn)被點(diǎn)亮的燈熄滅，“擦除”模式下工作正常。清屏后分別書(shū)寫(xiě)四個(gè)字并且保存，選擇進(jìn)入“連寫(xiě)多字”模式后可以進(jìn)行四個(gè)字的復(fù)現(xiàn)。選擇按鍵一進(jìn)入“拖移”模式后利用光筆上下左右拖動(dòng)，屏幕圖像隨之移動(dòng)且跟隨性較好。預(yù)先設(shè)置休眠時(shí)間，當(dāng)控制器檢測(cè)到一定時(shí)間后LED點(diǎn)陣未進(jìn)行一定的操作時(shí)會(huì)進(jìn)入“休眠”模式，退出此模式可以通過(guò)復(fù)位或者上位機(jī)“喚醒”功能。 經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)工作正常。 6.3 其他擴(kuò)展要求的測(cè)試與結(jié)果 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行上電初始化復(fù)位后進(jìn)行書(shū)寫(xiě)后，上位機(jī)能夠準(zhǔn)確顯示所在點(diǎn)的坐標(biāo)并顯示其在屏幕上的動(dòng)態(tài)位置?；疽蠹皵U(kuò)展要求中的內(nèi)容上位機(jī)均可實(shí)現(xiàn)。選擇進(jìn)入“貪吃蛇”游戲后

19、LED點(diǎn)陣顯示屏進(jìn)入游戲模式，通過(guò)四個(gè)獨(dú)立按鍵操作控制游戲。 經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)工作正常。 7 設(shè)計(jì)總結(jié) 在LED點(diǎn)陣書(shū)寫(xiě)屏的設(shè)計(jì)過(guò)程中，雖然發(fā)現(xiàn)不少問(wèn)題，但卻因此學(xué)到很多東西，基本了解了整個(gè)嵌入式開(kāi)發(fā)的流程。最初在練習(xí)設(shè)計(jì)一些功能簡(jiǎn)單的電路時(shí)，從電源到主控制器，驅(qū)動(dòng)及外圍電路，盡管都是功能單一的模塊，但卻因?yàn)楹诵男酒煌捎貌煌纳想婋妷杭吧舷吕娮杓盀V波電容，原理圖做好時(shí)PCB布線又會(huì)讓人身臨線路的迷宮?？傮w來(lái)說(shuō)，這次設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)讓我感覺(jué)到動(dòng)手實(shí)踐與理論聯(lián)合的重要性，綜合能力有所提高，這些都促使我們向電子設(shè)計(jì)邁進(jìn)了一步。 這次設(shè)計(jì)讓我感觸最深的應(yīng)該是軟件的調(diào)試，控制器的功能越多，程序的內(nèi)

20、容就越復(fù)雜，在編寫(xiě)程序時(shí)，最好不要把整體的功能都寫(xiě)好了之后再去和硬件結(jié)合調(diào)試，這樣如果出現(xiàn)了問(wèn)題將非常的不好排除故障；最好的方法是編好了某一個(gè)功能之后，就要和硬件結(jié)合起來(lái)，去驗(yàn)證程序的對(duì)錯(cuò)，這樣檢測(cè)起來(lái)就大大降低了檢錯(cuò)的范圍，同時(shí)也提高了工作的效率，逐步的把這些功能累加起來(lái)，就能很好的完成我們的目標(biāo)了。 8 參考文獻(xiàn) [1] 吳運(yùn)昌. 模擬電子線路基礎(chǔ)[M]. 廣州：華南理工大學(xué)出版社，2004. [2] 李建忠. 單片機(jī)原理及應(yīng)用[M]. 西安：西安電子科技大學(xué)，2002. [3] 賈立新. 電子設(shè)計(jì)與實(shí)踐[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2007. [4] 童詩(shī)白. 模擬電子技術(shù)基

21、礎(chǔ)[M]. 北京：高等教育出版社，2003. 第6頁(yè)，共6頁(yè) [5] 胡壽松. 自動(dòng)控制原理[M]. 北京：科學(xué)出版社，2007. 附錄 #define LED_DRAW(x,y) tab[y]|=seg[x+1] #define LED_WIPE(x,y) tab[y]&=~seg[x+1] #define LIGHT_ON (ADC10MEM>23) #define STOP_TIME (tap*2350) void LED_SEND(char dat){ char i=0; for(i=0;i<8;i++){ P2OUT&=~BIT4; if(da

22、t&0x80)P2OUT|=BIT5; else P2OUT&=~BIT5; dat<<=1; P2OUT|=BIT4; } } void LED_LINE(char a){ unsigned int t=seg[a+1]; LED_SEND(t>>8); LED_SEND(t); P2OUT|=BIT3; _NOP(); P2OUT&=~BIT3; } void LED_DATA(char dat1,char dat2){ LED_SET(dat1); LED_SET(dat2); P2OUT|=BIT1; _NOP();

23、 P2OUT&=~BIT1; } void LED_SET(char dat){ char i=0; for(i=0;i<8;i++){ P2OUT&=~BIT0; if(dat&0x80)P2OUT|=BIT2; else P2OUT&=~BIT2; dat<<=1; P2OUT|=BIT0; } } void LED_CHECK(char j,char k){ static char jx=0,kx=0; ADC10CTL0|=ENC+ADC10SC; if(LIGHT_ON){ if((k!=kx)||(j!=j

24、x)){ if(mode){ if(j==jx-1){ for(j=1;j<16;j++)tab[j-1]=tab[j]; tab[15]=0; } else if(j==jx+1){ for(j=0;j<15;j++)tab[15-j]=tab[14-j]; tab[0]=0; } if(k==kx+1)for(j=0;j<16;j++)tab[j]=tab[j]<<1; else if(k==kx-1)for(j=0;j<16;j++)tab[j]=tab[j]>>1; } if((tab[j]&seg[k])!=seg[k])tab[j]|=seg[k]; else tab[j]&=~seg[k]; } } }