基于STM32的LED点阵光笔设计方案.docx

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基于STM32的LED点阵光笔设计方案

第一章绪论

1.1课题的背景和意义

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。

LED显示屏就是其中一种写字板。

写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。

LED显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。

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。

LED的发展前景极为广阔，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，LED显示屏的应用已涉及社会经济的许多领域。

LED显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LED显示屏技术的创新，渐渐的LED显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LED显示屏必须通过电脑终端控制，所以为其中容修改带来了不便。

为了解决LED显示屏中容修改不便的问题，就需要设计一种可以在其上写字的光笔，这样不仅可以把LED显示屏与电脑终端脱离，而不影响其工作，而且直接在LED显示屏上写字给人的视觉冲击也是相当的震撼。

广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LED显示屏得到发展，人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LED显示屏和手写技术，设计了一款可以在32×32LED点阵上写字的光笔，可以实现在点阵上书写，满足人们的手写输入需要。

1.2课题设计的思路简介

LED点阵可以实现扫描微亮和显示点亮，用STM32控制，使LED点阵能逐点高速程控点亮熄灭，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LED，即实现了书写功能。

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4-16线译码器74HC154和锁存器74LS273来控制点阵的行和列，通过STM32的控制实现书写显示功能。

同时，我们还设计了LCD液晶显示屏，来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。

1.3设计任务及要求

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32x32的LED点阵,该LED点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LED点阵上随意移动，系统能实时捕捉画笔笔尖在LED点阵上的位置信息；LED点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1LED点阵光笔系统结构示意图

第二章系统结构设计

2.1系统的总体设计

本设计主要由软件部分和硬件部分构成。

根据课题要求，LED点阵光笔由主控模块、LED点阵模块、光笔电路、LED点阵驱动、LCD显示和按键电路等部分组成。

系统框图如图表2所示

图表2系统框图

2.2各模块的设计

2.2.1核心控制模块的设计

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。

“LED点阵光笔”检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。

STM32系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ARMCortex-M3核。

时钟频率为72MHz，是同类产品中性能最高的产品。

置32K到128K的闪存，运行速度快、低功耗（在72MHz时消耗36mA（所有外设处于工作状态），待机时下降到2uA）、高集成度（集成了复位电路、低电压检测、调压器、精确的RC振荡器等），功能和性能都要比51系列强大很多。

所以我们选择STM32为核心控制模块。

2.2.2光笔设计

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.相比于光敏电阻而言灵敏度较差，需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。

2.2.3点阵屏设计

点阵屏采用16块8X8的点阵，连接成一个32X32的点阵，将每一行对应的引脚相连，使每一行的32个LED灯相连，每一列的32个LED灯相连。

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。

2.2.4LCD显示设计

采用LCD液晶显示器来显示光笔的精确位置，使系统更直观。

LCD有明显的优点：

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。

2.2.5按键设计

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。

2.3系统作用

本设计的主要作用是通过STM32来控制点阵和光笔，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Keil

uVision4中编译完成，硬件部分由STM32、74HC154、74LS273、LED点阵、光敏三极管、LCD液晶显示屏和独立按键等部分完成。

本设计的关键是完成LED点阵和光笔的设计，这样就能实现手写输入的功能。

第三章STM32系统

3.1STM32概述

STM32系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ARMCortex-M3核。

按性能分成两个不同的系列：

STM32F103“增强型”系列和STM32F101“基本型”系列。

增强型系列时钟频率达到72MHz，是同类产品中性能最高的产品；基本型时钟频率为36MHz，以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。

两个系列都置32K到128K的闪存，不同的是SRAM的最大容量和外设接口的组合。

时钟频率72MHz时，从闪存执行代码，STM32功耗36mA，是32位市场上功耗最低的产品，相当于0.5mA/MHz。

这里我们选用STM32F103系列作为控制系统。

要利用STM32设计点阵光笔，首先，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。

3.2STM32F103功能概述

3.2.1主要特点

STM32F系列属于中等容量增强型，32位基于ARM核心的带64或者128K字节闪存的微控制器，具有USB,CAN,7个定时器，2个ADC,9个通信接口。

其主要特点有：

1.核

　　--ARM32位的Cortex-M3CPU

--最高72MHZ工作频率，在存储器的0的等待周期访问时可达1.25DMisp、MHZ（DhrystONe2.1）

　　--单周期乘法和硬件除法

2.存储器

　　--从64K或者128K字节的闪存程序存储器

　　--高达20K字节的SRAM

3.时钟、复位和电源管理

　　--2.0-3.6V供电和I/O引脚

　　--上电/断电复位（POR/PDR）、可编程电压监测器（PVD）

　　--4-16MHZ晶振振荡器

　　--嵌经出厂调教的8MHZ的RC振荡器

　　--嵌带校准的40KMZ的RC振荡器

　　--产生CPU时钟的PLL

　　--带校准的32KMZ的RC振荡器

4.低功耗

　　--睡眠、停机和待机模式

　　--Vbat为RTC和后备寄存器供电

5.模数转换器

　　--2个12位模数转换器，1us转换时间（多达16个输入通道）

　　--转换围：

0至3.6V

　　--双采样和保持功能

　　--温度传感器

6.DMA

　　--7通道DMA控制器

　　--支持的外设：

定时器、ADC、SPI、I平方C和USRT

7.多达80个快速I/O端口

--26/37/51/80个II/O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

8.调试模式

　　--串行单线调试（SWD）和JTAG借口

9.多达7个定时器

--3个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/PWM或脉冲计数的通道和增量编码器输入

　　--1个16位带死区控制和紧急刹车，用于电机控制的PWM高级控制定时器

　　--2个看门狗定时器（独立的和窗口型的）

　　--系统时间定时器：

24位自减型计数器

10.多达9个通信接口

　　--多达2个I平方C接口（支持SMBus/PMBus）

　　--多达3个USART接口（支持ISO7816接口，LIN，IrDA接口和调制解调控制）

　　--多达2个SPI接口（18M位/秒）

　　--CAN接口（2.0B主动）

　　--USB2.0全速接口

11.计算单元

　　CRC计算单元，96位的新批唯一代码

12.封装

ECOPACK封装

3.2.2引脚图及功能概述

1、引脚图

如图表3所示

图表3STM32F103引脚图

2、引脚功能

1—5、15—18、24—26、29—48、51—72、76—93、95—98为GPIO口，实现输入输出功能。

VDD为电源

VSS为电源地

3.3主控模块原理图

图表4主控模块原理图

第四章硬件设计

4.1光笔的设计

光笔采用PT333-3C型光敏三极管检测点阵屏发光的强弱变化电压信号，LM393为比较器。

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LED灯，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，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，部光敏三极管就能很好的检测了。

其结构如图表6

图表6光笔结构图

4.1.1光敏三极管功能概述

1.光敏三极管概述

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NPN或PNP结构的半导体管。

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（Current）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。

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。

2.光敏三极管结构

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，当光照射时，光线通过透镜集中照射在芯片上。

3.光敏三极管的工作原理

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β倍的信号电流。

4.1.2LM393电压比较器功能概述

1.LM393概述

LM393是双电压比较器集成电路。

该电路的主要特点如下：

　比较器数:

　工作温度围:

0°C--+70°C

　通道数:

工作电源电压围宽，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，ICC=0.8mA；

　输入失调电压小，VIO=±2mV；

　共模输入电压围宽，VIC=0～VCC-1.5V；

　输出与TTL，DTL，MOS，CMOS等兼容；

　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（DIP8）和微形的双列8脚塑料封装（SOP8）。

2.比较器结构

比较器部结构如图表7

图表7比较器部结构图

3.引脚功能

1OUT1输出端1

2IN-

（1）反向输入端1

3IN+

（1）正向输入端1

4GND地

5IN+

（2）正向输入端2

6IN-

（2）反向输入端2

7OUT2输出端2

8VCC电源

4.应用说明

LM393是高增益,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PC板的设计对减小输入—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1.0~10mV）能导致快速转换,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IC（集成电路板integratedcircuit，缩写：

IC）并在引脚上加上电阻将引起输入—输出在很短的转换周期振荡，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。

　　LM393偏置网络确立了其静态电流与电源电压围2.0~30V无关。

　　通常电源不需要加旁路电容。

　　差分输入电压可以大于Vcc并不损坏器件，保护部分必须能阻止输入电压向负端超过-0.3V。

LM393的输出部分是集电极开路，发射极接地的NPN输出晶体管，可以用多集电极输出提供或ORing

5.主要功能

输出负载电阻能衔接在可允许电源电压围的任何电源电压上，不受Vcc端电压值的限制.此输出能作为一个简单的对地SPS开路（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β值所限制.当达到极限电流（16mA）时，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60ohm的γSAT限制。

当负载电流很小时,输出晶体管的低失调电压（约1.0mV）允许输出箝位在零电平。

4.232X32LED点阵的连接

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LED，列线也相同。

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

4.2.1LED点阵显示屏概述

LED显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。

　　LED点阵显示屏特点：

　　可实现超高密度：

室可高达62.500点/平米（P4）。

　　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SMD和LEDLAMP来说，LEDDOT-MATRIX平整性非常好，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，LED可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。

4.332X32LED点阵的驱动控制电路

32×32LED点阵的行信息控制用2片74HC154构成5—32译码器，STM32口线控制其译码输出。

列的点亮分别用4片74LS273控制，微亮扫描（2.5V）、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LED灯，不取消为好），电路如图表9所示。

图表9驱动电路图

4.3.174HC154简介

1.74HC154是4线—16线译码器,可以实现地址的扩展。

引脚图如下

图表1074HC154引脚图

引脚说明

　　1-1113-17：

输出端。

（outputs（activeLOW））

　　12：

Gnd电源地（ground（0V））

　　18-19：

使能输入端、低电平有效（enableinputs（activeLOW））

　　20-23：

地址输入端（addressinputs）

24：

VCC电源正（positivesupplyvoltage）

2.地址/全能输入对应输出表

INPUT

SELECTED

OUTPUT（L）

NONE

图表11功能真值表

　　注意：

　　H=高电平（HIGHvoltagelevel）

　　L=低电平（LOWvoltagelevel）

　　X=任意电平（don’tcare）

只要控制端G1、G2任意一个为高电平，A、B、C、D任意电平输入都无效。

G1、G2必须都为低电平才能操作芯片。

4.3.274LS273简介

74LS273是一种带清除功能的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。

1.引脚图及功能

图表1274LS273引脚图

D0~D7：

出入；

Q0~Q7：

输出；

WR：

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）；

CP（CLK）：

触发端，上升沿触发，即当CP从低到高电平时，D0~D7的数据通过芯片，为0时将数据锁存，D0~D7的数据不变。

4.3.3S8550三极管概述

三极管S8550是一种常用的普通三极管。

它是一种低电压,大电流,小信号的PNP型硅三极管。

1.S8550管脚图

1、发射极　2、基极　3、集电极

2.S8550三极管参数

　　集电极-基极电压Vcbo：

-40V

　　工作温度：

-55℃to+150℃

　　主要用途：

开关应用射频放大

类型:

开关型;

极性:

PNP;

材料:

硅;最大集电极电流（A）:

0.5A;

直流电增益:

10to60;

功耗:

625mW;

最大集电极发射电压（VCEO）:

25;

频率:

150MHz

放大倍数B85-160C120-200D160-300L100-200H200-350.

4.4显示部分设计

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1602A液晶显示器显示。

LCD液晶显示器的电路图如图

4.4.11602A液晶屏概述

1602A是一种字符型液晶模块。

共可以显示2行X16个字符，每个字符是由5X8点阵组成的字符块集。

1602A采用COB工艺制作，结构稳定，使用寿命长。

主要特性如下:

1.8位并行数据接口，适配M6800系列时序；

2.可选4位并行数据方式

3.具有字符发生器ROM，含10880位

192种5X8点字体字符

64种5X10点字体字符

4.具有字符发生器RAM，含512位

8种5X8点字体字符

4种5X10点字体字符

5.低功耗、高可靠性

6.最大工作围

逻辑工作电压（VDD）：

4.5V-5.5V

电源地（VSS）：

LCD驱动电压（Vop）：

-0.2V-+0.3V

7.电气特性（测试条件Ta=25,VDD=5.0V+\-0.5V）

输入高电平（Vih）：

2.2~VDD

输入低电平（Vil）：

-0.3V~0.6V

输出高电平（Voh）：

2.4V~VDD

输出低电平（Vol）：

0.4VMax

工作电流1mA

4.4.2接口说明

4.4.3原理简图

图表13液晶屏原理图

4.5键盘的使用及设计

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CPU执行正常程序，只在有键操作时才处理键盘程序。

其电路如图表14

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

5.1光笔的测试

给光笔上电，输出端不与STM32连接，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。

5.2LCD模块的测试

光笔接触点阵屏，LCD上能显示相应的行列值，并且计时功能也能实现，LCD基本功能实现。

5.3按键盘

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