基于51系列單片機的16乘16點陣LED手寫屏的設計與實現(xiàn)

遼東學院本科畢業(yè)論文（設計）題目成員姓名：專業(yè)：網(wǎng)絡工程班級學號：信息技術學院獨創(chuàng)性說明作者鄭重聲明：本畢業(yè)論文（設計）是我個人在指導教師指導下進行的研究工作及取得研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，畢業(yè)論文（設計）中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫的研究成果，也不包含為獲得遼東學院或其他單位的學位或證書所使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的貢獻均已在論文中做了明確的說明并表示了謝意。作者簽名：___________日期：____1摘要本設計是基于51系列單片機的16*16點陣LED手寫屏的設計與實現(xiàn)。系統(tǒng)主要要包括單片機控制系統(tǒng)模塊、點陣LED顯示模塊、手寫筆模塊和電源模塊等幾部分組成。通過軟件算法實現(xiàn)了LED點陣顯示屏的手寫功能的設計與實現(xiàn)。本文給出了系統(tǒng)具體的硬件設計方案，軟件流程圖和C語言程序等幾個方面。是一種價格低廉的圖文顯示方案。本設計主要以51系列單片機作為核心，采用串行傳輸、動態(tài)掃描技術，制作的一款擁有多功能的模塊化16×16LED點陣的多功能顯示屏。關鍵詞：51單片機；LED點陣；驅動電路；手寫屏

目錄一、緒論 1（一）課題的研究意義 1（二）設計任務及要求 1（三）單片機的發(fā)展史 2（四）單片機的發(fā)展趨勢 3二、系統(tǒng)的整體結構 5三、單片機介紹 61、單片機引腳介紹 92、復位電路設計 92．時鐘電路設計 11四、點陣電路介紹 12（一）LED點陣顯示部分簡介 12（二）LED驅動方式 14（三）手寫筆電路設計 16五、軟件設計 17（一）系統(tǒng)軟件流程圖 17（二）程序函數(shù)介紹 181、延時函數(shù) 182、行掃描函數(shù) 183、手寫筆中斷函數(shù) 18（三）編程環(huán)境介紹 19六、仿真與調試 21（一）系統(tǒng)的整體實物圖 21總結 23參考文獻 24附錄A 25（一） 硬件電路原理圖 25附錄B 26（二） 系統(tǒng)程序源代碼 26致謝 38PAGE43 1一、緒論（一）課題的研究意義LED顯示屏是隨著計算機及相關的微電子、光電子技術的迅猛發(fā)展而形成的一種新型信息顯示媒體。它利用發(fā)光二極管構成的點陣模塊或像素單元組成可變面積的顯示屏幕,并可基于LED點陣顯示及光筆檢測輸入實現(xiàn)人機交互功能。LED顯示屏憑借其可靠性高、壽命長、功耗低、應用領域寬泛等優(yōu)勢在顯示領域得到了廣泛地應用，它被大量應用于各類會議、教學、遠程教育、電視直播、設計分析及實時指揮等領域，實現(xiàn)了高效、直觀和無障礙溝通，大大節(jié)省了時間，提高了工作效率，降低了交流成本。在當今的信息時代，便捷高效的信息傳播媒體是成功不可或缺的要素，LED顯示屏技術順應了時代的訴求，將在經(jīng)濟發(fā)展中扮演越來越重要的角色。本設計基于單片機控制的LED點陣書寫顯示屏，在實現(xiàn)基本顯示功能的前提下，可以通過自制光筆，實現(xiàn)點亮，劃亮，反顯，整屏擦除，連寫多字，對象拖移，滾屏顯示等功能。系統(tǒng)硬件電路簡單，軟件功能多樣，控制系統(tǒng)可靠性高，有較高性價比，具有一定的實用性和參考價值。本設計旨在通過設計實現(xiàn)LED點陣書寫顯示屏，綜合應用所學的電子技術知識，豐富個人設計和制造技能，更好地達成知識和實踐的完美契合，并力爭為顯示領域提供一種便捷有效的顯示方案，讓先進的電子科技服務于社會。（二）設計任務及要求控制器控制器16×16點陣模塊筆LED點陣書寫顯示屏系統(tǒng)結構示意圖設計并制作一個基于16×16點陣LED模塊的書寫顯示屏，其系統(tǒng)結構如圖1-1所示。在控制器的管理下，LED點陣模塊顯示屏工作在人眼不易覺察的掃描微亮和人眼可見的顯示點亮模式下；當光筆觸及LED點陣模塊表面時，先由光筆檢測觸及位置處LED點的掃描微亮以獲取其行列坐標，再依據(jù)功能需求決定該坐標處的LED是否點亮至人眼可見的顯示狀態(tài)，從而在屏上實現(xiàn)LED點陣屏的書寫顯示功能。設計的最終要求是：在點亮功能下當光筆接觸屏上某點LED時，能即時點亮該LED；在劃亮功能下當光筆快速劃過時，能同步點亮劃過的各LED，其速度要求2S內能劃過并點亮40點LED；在反顯功能下能對屏上顯示的信息實現(xiàn)反向顯示；在屏幕擦除功能下能實現(xiàn)對屏上所顯示信息整屏擦除；在筆畫擦除功能下，能用光筆擦除屏上所顯漢字的筆畫；在連寫多字功能下，能結合自選的擦除方式，在30S內以劃亮方式寫出四個漢字且存入機內；在對象拖移功能下，能用光筆將選定顯示內容在屏上進行拖移，先用光筆以劃亮方式在屏上圈定欲拖移顯示對象，再用光筆將該對象拖移到屏上另一位置；當光強改變時，能自動連續(xù)調節(jié)屏上顯示亮度。（三）單片機的發(fā)展史單片機誕生于20世紀70年代末，經(jīng)歷了SCM、MCU、SOC三大階段。第一個階段是SCM，即單片微型計算機（SingleChipMicrocomputer）階段，主要是尋求最佳的單片形態(tài)嵌入式系統(tǒng)的最佳體系結構。創(chuàng)新模式獲得成功，奠定了SCM與通用計算機完全不同的發(fā)展道路。在開創(chuàng)嵌入式系統(tǒng)獨立發(fā)展道路上，Intel公司功不可沒。第二個階段是MCU，即微控制器（MicroControllerUnit）階段，主要的技術發(fā)展方向是：不斷擴展?jié)M足嵌入式應用時，對象系統(tǒng)要求的各種外圍電路與接口電路，突顯其對象的智能化控制能力。它所涉及的領域都與對象系統(tǒng)相關，因此，發(fā)展MCU的重任不可避免地落在電氣、電子技術廠家。從這一角度來看，Intel逐漸淡出MCU的發(fā)展也有其客觀因素。在發(fā)展MCU方面，最著名的廠家當數(shù)Philips公司。Philips公司以其在嵌入式應用方面的巨大優(yōu)勢，將MCS-51從單片微型計算機迅速發(fā)展到微控制器。因此，當我們回顧嵌入式系統(tǒng)發(fā)展道路時，不要忘記Intel和Philips的歷史功績。第三個階段是SOC，即單片機嵌入式系統(tǒng)。單片機的嵌入式系統(tǒng)的獨立發(fā)展之路，向MCU階段發(fā)展的重要因素，就是尋求應用系統(tǒng)在芯片上的最大化解決；因此，專用單片機的發(fā)展自然形成了SOC化趨勢。隨著微電子技術、IC設計、EDA工具的發(fā)展，基于SOC的單片機應用系統(tǒng)設計會有較大的發(fā)展。因此，對單片機的理解可以從單片微型計算機、單片微控制器延伸到單片應用系統(tǒng)。

（四）單片機的發(fā)展趨勢CMOS化，近年由于CHMOS技術的進步，大大地促進了單片機的CMOS化。CMOS芯片除了低功耗特性之外，還具有功耗的可控性，使單片機可以工作在功耗精細管理狀態(tài)。這也是今后以80C51取代8051為標準MCU芯片的原因。因為單片機芯片多數(shù)是采用CMOS（金屬柵氧化物）半導體工藝生產(chǎn)。CMOS電路的特點是低功耗、高密度、低速度、低價格。采用雙極型半導體工藝的TTL電路速度快，但功耗和芯片面積較大。隨著技術和工藝水平的提高，又出現(xiàn)了HMOS（高密度、高速度MOS）和CHMOS工藝。CHMOS和HMOS工藝的結合。目前生產(chǎn)的CHMOS電路已達到LSTTL的速度，傳輸延遲時間小于2ns，它的綜合優(yōu)勢已在于TTL電路。因而，在單片機領域CMOS正在逐漸取代TTL電路。低功耗化單片機的功耗已從毫瓦級，甚至1uA以下；使用電壓在3~6V之間，完全適應電池工作。低功耗化的效應不僅是功耗低，而且?guī)砹水a(chǎn)品的高可靠性、高抗干擾能力以及產(chǎn)品的便攜化。低電壓化幾乎所有的單片機都有WAIT、STOP等省電運行方式。允許使用的電壓范圍越來越寬，一般在3~6V范圍內工作。低電壓供電的單片機電源下限已可達1~2V。目前0.8V供電的單片機已經(jīng)問世。低噪聲與高可靠性為提高單片機的抗電磁干擾能力，使產(chǎn)品能適應惡劣的工作環(huán)境，滿足電磁兼容性方面更高標準的要求，各單片廠家在單片機內部電路中都采用了新的技術措施。大容量化以往單片機內的ROM為1KB~4KB，RAM為64~128B。但在需要復雜控制的場合，該存儲容量是不夠的，必須進行外接擴充。為了適應這種領域的要求，須運用新的工藝，使片內存儲器大容量化。目前，單片機內ROM最大可達64KB，RAM最大為2KB。高性能化主要是指進一步改進CPU的性能，加快指令運算的速度和提高系統(tǒng)控制的可靠性。采用精簡指令集（RISC）結構和流水線技術，可以大幅度提高運行速度。現(xiàn)指令速度最高者已達100MIPS（MillionInstructionPerSeconds，即兆指令每秒），并加強了位處理功能、中斷和定時控制功能。這類單片機的運算速度比標準的單片機高出10倍以上。由于這類單片機有極高的指令速度，就可以用軟件模擬其I/O功能，由此引入了虛擬外設的新概念。小容量、低價格化與上述相反，以4位、8位機為中心的小容量、低價格化也是發(fā)展動向之一。這類單片機的用途是把以往用數(shù)字邏輯集成電路組成的控制電路單片化，可廣泛用于家電產(chǎn)品[1]。外圍電路內裝化這也是單片機發(fā)展的主要方向。隨著集成度的不斷提高，有可能把眾多的各種處圍功能器件集成在片內。除了一般必須具有的CPU、ROM、RAM、定時器/計數(shù)器等以外，片內集成的部件還有模/數(shù)轉換器、DMA控制器、聲音發(fā)生器、監(jiān)視定時器、液晶顯示驅動器、彩色電視機和錄像機用的鎖相電路等。串行擴展技術在很長一段時間里，通用型單片機通過三總線結構擴展外圍器件成為單片機應用的主流結構。隨著低價位OTP（OneTimeProgramble）及各種類型片內程序存儲器的發(fā)展，加之處圍接口不斷進入片內，推動了單片機“單片”應用結構的發(fā)展。特別是I/C、SPI等串行總線的引入，可以使單片機的引腳設計得更少，單片機系統(tǒng)結構更加簡化及規(guī)范化。單片機作為當前應用廣泛的嵌入式系統(tǒng)的核心部分之一，具有體積小、速度快、功耗低、價格低廉等特點，在儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設備、航空航天、專用設備的智能化管理及過程控等諸多領域得到廣泛的應用。例如，在冰箱、微波爐、洗衣機等家用電器中使用單片機控制系統(tǒng)，可以使它們更加智能地工作；電話、傳真、打印機中可以使用單片機系統(tǒng)控制撥號打??；單片機還可以在工業(yè)控制和機電一體化系統(tǒng)中作為核心控制部件[1]。為了順應市場需求，世界上各大芯片制造公司都推出了自己的單片機，從8位、16位到32位，低功耗、高性能，它們各具特色，為單片機的應用提供了廣闊的天地。在此文中所運用的是MCS-51系列單片機，MCS-51單片機卓越的性能深受廣大單片機愛好者的喜愛。本文運用的即是MCS-51單片機。

二、系統(tǒng)的整體結構（一）控制芯片的確定方案一：采用STC公司生產(chǎn)的STC125A60S28位單片機。該單片機具有成本低，性價比高的優(yōu)點，且編程較方便，其外部具有32個可編程I/O口、內部含有3個16位定時器/計數(shù)器、可使用八個中斷源、并且可進行全雙工的串行通信。但是其內部模塊較少、功能局限性大，并且內部沒有集成模/數(shù)轉換模塊、脈沖寬度調制模塊，如果需要使用AD模塊和脈沖寬度調制模塊的話不需加這些外圍電路，內部有八路10位AD，兩路PWM輸出單片機的運行速度非常的快是普通51單片機的8-12倍。給系統(tǒng)的點陣刷新提供了有力的保證。方案二：采用飛思卡爾半導體公司生產(chǎn)的MK10DN512系列32位單片機。該單片機內部具有128K的RAM和128K的ROM、512K可編程Flash存儲器、16路精度為8bit/10bit/12bit的AD轉換模塊、16路脈沖寬度調制（PWM）通道、8個定時器/計數(shù)器、2個全雙工UART串行通道、看門狗定時器、80個可編程I/O口、16個外部事件觸發(fā)中斷引腳、超過150個中斷輸入源。是一款性能十分強大的綜合性單片機，并且內部自帶PLL模塊，總線頻率最高可以設置成256MHz，運算速度快并穩(wěn)定。100引腳的MK10DN512芯片的質量僅為50g。不過其做工復雜，成本較高，因此性價比較低，一般應用在汽車，航天等高精度控制領域。在本次設計中，流量計回傳為脈沖型，因此不必采集模擬量，且控制方式為電平式，從成本的角度出發(fā)，STC125A60S2單片機完全可以滿足要求，因此本次設計中選擇性價比更高的STC125A60S2單片機。（二）點陣驅動方案論證方案一：串行顯示此種顯示方式由主要由74HC138譯碼器單元、數(shù)據(jù)移位寄存器74HC595和列驅動器組成，這種控制方式是單片機的I/O口得到了縮減不影響接收控制器傳輸下來的大量數(shù)據(jù)，此方案為點陣顯示屏系統(tǒng)中比較常用的，所用器件也比較常用，價格便宜。方案二：并行顯示可以通過鎖存器芯片來增強單片機的I/O口的驅動能力，將8位寬的數(shù)據(jù)同時輸入到LED點陣列中，達到并行控制LED點陣的目的。方案中運用4片鎖存器74HC373來組成雙緩沖寄存器，來驅動LED點陣行線，用5片3-8譯碼器74HC138組合成5-32譯碼器對LED點陣的32列進行選取。這樣就避免了各行數(shù)據(jù)顯示不同步的問題。由于并行數(shù)據(jù)傳輸速度非常快，所以高速度的地址編碼信息可以同步發(fā)出。但由于單片機的引腳資源有限無法實現(xiàn)綜上所述，本設計最終選擇了第一個方案。（三）光筆設計的方案選擇光筆設計的關鍵是選擇合適的傳感器件，只有具有很高的靈敏度和一定的響應時間的傳感器才能完成系統(tǒng)的要求及功能。方案一：采用核心部件為光敏電阻制成的光筆檢測系統(tǒng)。光敏電阻是將光能轉換為電能的一種傳感器件，它是構成光電式傳感器的主要部件。光敏電阻結構簡單、使用方便、價格便宜，但經(jīng)調試發(fā)現(xiàn)其響應時間長，不易檢測。方案二：采用光敏二極管，與光敏電阻相比有較好的高頻特性，具有一定的可靠性，功耗低.相比于光敏電阻而言靈敏度較差，需要較高倍數(shù)的放大器才能實現(xiàn)精準識別的效果。方案三：采用光敏三極管，其工作原理與光敏二極管相似。但光敏三極管除了具有光敏二極管能將光信號轉換成電信號的功能外，還有對電信號放大的功能。所以其靈敏度更高，響應時間快。基于以上分析，我們采用光敏三極管作為光筆的檢測部件。（四）系統(tǒng)整體方案確立經(jīng)過深思熟慮過后對單片機的選擇以及點陣的掃描方式進行了論證最終確定了系統(tǒng)的基本結構，本設計中系統(tǒng)大致分為五部分：單片機控制單元、點陣驅動單元（行驅動和列驅動）、點陣顯示單元、手寫筆單元和電源五個單元組成。如圖2.1給出系統(tǒng)的整個系統(tǒng)結構圖電源單片機電源單片機點陣驅動點陣屏手寫筆掃描檢測按鍵中斷光電檢測圖2.1系統(tǒng)結構圖三、單片機介紹本設計中要求單片機的頻率必須要快，要不然將會明顯的看出刷屏現(xiàn)象。所以經(jīng)過對比試驗確定選用STC公司的STC12C5A60S2系列單片機這款單片機是單時鐘/機器周期(1T)的單片機，具有高速、低功耗、超強抗干擾等特點是新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但速度比普通的單片機快8-12倍。內部集成MAX810專用復位電路,擁有2路PWM,8路高速10位的A/D轉換(頻率250K/S),適合對電機控制，抗干擾場合。單片機的實物圖如圖3.1所示：圖3.1單片機實物圖STC12C5A60S2基本的特性介紹如下：1.內部集成增強型8051CPU，1T，單時鐘、機器周期，指令代碼完全與8051兼容2.工作電壓：STC12C5A60S2 系列工作電壓：5.5V-3.5V（5V單片機）STC12LE5A60S2系列工作電壓：3.6V-2.2V（3V單片機）3.工作頻率范圍：0～35MHz，相當于普通8051的0～420MHz4.用戶應用程序空間8K/16K/20K/32K/40K/48K/52K/60K/62K字節(jié)5.片上集成1280字節(jié)RAM6.通用I/O口（36/40/44個），復位后為：準雙向口/弱上拉（普通8051I/O口）可設置成四種模式：準雙向口/弱上拉，推挽/上拉，僅為輸入/高阻，開漏每個I/O口驅動能力均可達到20mA，但整個芯片最大不要超過120mA7.ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應用可編程），無需專用編程器，無需專用仿真器可通過串口（P3.0/P3.1）直接下載用戶程序，數(shù)?即可完成一片8.有EEPROM功能(STC12C5A62S2/AD/PWM無內部EEPROM)9.看門狗10.內部集成MAX810專用復位電路（外部晶體12M以下時，復位腳可直接1K電阻到地）11.外部掉電檢測電路:在P4.6口有一個低壓門檻比較器5V單片機為1.33V，誤差為±5%,3.3V單片機為1.31V，誤差為±3%12.時鐘源：外部高精度晶體/時鐘，內部R/C振蕩器(溫漂為±5%到±10%以內)用戶在下載用戶程序時，可選擇是使用內部R/C振蕩器還是外部晶體/時鐘常溫下內部R/C振蕩器頻率為：5.0V單片機為：11MHz～17MHz;3.3V單片機為：8MHz～12MHz精度要求不高時，可選擇使用內部時鐘，但因為有制造誤差和溫漂，以實際測試為準13.共4個16位定時器兩個與傳統(tǒng)8051兼容的定時器/計數(shù)器,16位定時器T0和T1，沒有定時器2，但有獨立波特率發(fā)生器做串行通訊的波特率發(fā)生器,再上2路PCA模塊可再實現(xiàn)2個16位定時器14.3個時鐘輸出口，可由T0的溢出在P3.4/T0輸出時鐘，可由T1的溢出在P3.5/T1輸出時鐘,獨立波特率發(fā)生器可以在P1.0口輸出時鐘15.外部中斷I/O口7路,傳統(tǒng)的下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷,并新增支持上升沿中斷的PCA模塊，PowerDown模式可由外部中斷喚醒，INT0/P3.2,INT1/P3.3,T0/P3.4,T1/P3.5,RxD/P3.0,CCP0/P1.3,CCP1/P1.416.PWM(2路）/PCA（可編程計數(shù)器陣列,2路）也可用來當2路D/A使用也可用來再實現(xiàn)2個定時器也可用來再實現(xiàn)2個外部中斷(上升沿中斷/下降沿中斷均可分別或同時支持)17.A/D轉換,10位精度ADC，共8路，轉換速度可達250K/S(每秒鐘250次)18.通用全雙工異步串行口(UART)，由于STC12系列是高速的8051，可再用定時器或PCA軟件實現(xiàn)多串口19.STC12C5A60S2系列有雙串口，后綴有S2標志的才有雙串口，RxD2/P1.2(可通過寄存器設置到P4.2)，TxD2/P1.3(可通過寄存器設置到P4.3)20.工作溫度范圍：-40~+85℃(工業(yè)級)/0~75℃(商業(yè)級)21.封裝：LQFP-48,LQFP-44,PDIP-40,PLCC-44,QFN-40I/O口不夠時，可用2到3根普通I/O口線外接74HC164/165/595（均可級聯(lián)）來擴展I/O口,還可用A/D做按鍵掃描來節(jié)省I/O口，或用雙CPU,三線通信，還多了串口。

（一）單片機最小系統(tǒng)介紹1、單片機引腳介紹STC12C5A62S2單片機外部引腳圖如圖3.2所示，與89c51單片機的外部引腳圖完全相同只不過功能方面有所提高。圖3.2單片機外部引腳圖2、復位電路設計復位電路的基本功能是：可以使單片機初始化，也可以是死機狀態(tài)下的單片機重新啟動。系統(tǒng)上電時提供復位信號，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷復位信號。為可靠起見，電源穩(wěn)定后還要經(jīng)一定的延時才撤銷復位信號，以防電源開關或電源插頭分-合過程中引起的抖動而影響復位。復位電路分為上電復位和手動復位兩種：不管哪種復位只要在RESET引腳有持續(xù)兩個機械周期以上的高電平就可以是單片機復位。圖3.3上電復位這種上電復位功能是利用電容器充電來實現(xiàn)的，當加電時，電容C充電，電路中有電流流過，構成回路，在電阻R上產(chǎn)生壓降，RESET引腳上為高電平；當電容C充滿電后，電路相當于斷開，RESET的電位與地相同，復位結束?？梢姀臀坏臅r間與充電的時間有關，充電時間越長復位的時間越長，增大電容或電阻都可以增加復位時間。圖3.4按鍵電平復位按鍵式復位電路與上電復位電路的原理相同，但是它還可以通過按鍵實現(xiàn)復位，按下按鍵后，通過R1和R2形成回路，是RESET引腳產(chǎn)生高電平。按鍵時間決定了復位的時間。圖3.5按鍵脈沖復位按鍵脈沖式復位電路是利用RC微分電路在RESET端產(chǎn)生正脈沖來實現(xiàn)復位的。綜合本設計的要求，最終方案選取的是按鍵復位電路。2．時鐘電路設計時鐘電路是單片機的心臟，它控制著單片機的工作節(jié)奏。單片機工作的時候，是在統(tǒng)一的時鐘脈沖控制下一拍一拍地進行的，這個脈沖的來源是單片機控制中的時序電路發(fā)出的，這種時鐘信號可以有兩種方式產(chǎn)生：內部時鐘方式和外部時鐘方式。內部時鐘方式：單片機內部有一個高增益反相放大器，用于構成內振蕩器，引腳XTAL1和XTAL2分別是放大器的輸入端和輸出端。在XTAL1和XTAL2兩端跨接晶體或陶瓷振蕩器，就構成了穩(wěn)定的自激振蕩器，其發(fā)出的脈沖直接送入內部時鐘發(fā)生器。本設計總C1和C2選擇30pF，晶振為12MHz?；驹砣鐖D3.6所示：圖3.6振蕩電路

四、點陣電路介紹（一）LED點陣顯示部分簡介LED點陣顯示器廣為人知主要是以發(fā)光二極管為像素的，LED屏用高亮度LED晶粒進行陣列組合，然后再透過環(huán)氧樹脂和塑模封裝而成。特點是具有較高的亮度、低功耗、外界引腳少、可看視角大、使用壽命長、耐濕、耐冷熱、耐腐蝕等優(yōu)點。如圖4.1所示為LED點陣的實物圖：圖4.1點陣實物圖LED點陣顯示器有單色和彩色兩類，最常見是紅的單色的了的點陣屏。本設計就是使用單色的紅色點陣屏。LED點陣常見的規(guī)格有4×4、8×8、16×16、32×32等多種；根據(jù)所能顯示的圖素的數(shù)目分為，單色、雙原色、三原色三種。顯示圖素顏色即可顯示的文字、圖像等內容的顏色也有所不同，顧名思義單原色點陣只能顯示固定色彩如紅、綠、黃等單種顏色，雙原色和三原色點陣顯示內容的顏色由圖素內不同顏色發(fā)光二極管點亮的組合方式?jīng)Q定，例如紅綠都亮時可顯示黃色，如果按照脈沖方式控制二極管的點亮時間，則可實現(xiàn)256高級灰度顯示，即可實現(xiàn)彩色顯示。本設計是基于單片機的LED點陣手寫顯示器的設計與實現(xiàn)其使用的內部電路結構和外型規(guī)格，即為單紅色LED點陣屏?？蓵鴮懳淖忠部捎糜趫D形顯示。用多塊點陣顯示器組合則可構成大熒幕顯示器，通過手寫筆的點觸即可實現(xiàn)手寫。由LED點陣顯示器的內部結構可知，器件宜采用動態(tài)掃描驅動方式工作，由于LED管芯大多為高亮度型，因此M行或N列的單體LED驅動電流可選用窄脈沖，但其平均電流應小于20mA，否則將對點陣的壽命起到影響，絕大多數(shù)點陣顯示器的單體LED的正向壓降都在2V上下。當所需顯示的屏幕較大時一般會將多個LED點陣組成的小模組合點陣的方式組合而成，每一個組合都有自己的獨立的控制系統(tǒng)，組合在一起后只要一個通信系統(tǒng)將所有的組合聯(lián)系來用一個總控制器控制即可。LED點陣顯示系統(tǒng)中各模組的顯示方式有靜態(tài)和動態(tài)顯示兩種。本設計中采用動態(tài)掃描的方式進行顯示應為數(shù)據(jù)需要不斷的刷新，在實際應用中也是一般采用動態(tài)顯示方式，動態(tài)顯示采用掃描的方式工作，從上到下逐次對LED屏幕的各行進行掃描點亮，同時又向各列送出表示圖形或文字資訊的脈沖信號，反復以上操作,就可顯示各種圖形或文字等。本設計中采用四塊8*8點陣組合成16*16的點陣組合屏如圖4.2所示：圖4.216×16點陣LED實物圖8×8點陣LED的工作原理。其等效電路如圖4.3所示，只要其對應的X、Y軸順向偏壓，即可使LED發(fā)亮。例如如果想使左上角LED點亮，則Y0=1，X0=0即可。應用時限流電阻可以放在X軸或Y軸。而16×16就是在8×8原理的基礎上將四塊8×8級聯(lián)而成[5]，如圖4.4所示。

圖4.38×8點陣LED電路圖4.416×16點陣LED電路（二）LED驅動方式LED點陣的驅動方式可分為靜態(tài)驅動和動態(tài)驅動兩種。靜態(tài)驅動方式：在靜態(tài)驅動的有機發(fā)光顯示器件上，一般各有機電致發(fā)光像素的陰極是連在一起引出的，各像素的陽極是分立引出的，這就是共陰的連接方式。若要一個像素發(fā)光只要讓恒流源的電壓與陰極的電壓之差大于像素發(fā)光值的前提下，像素將在恒流源的驅動下發(fā)光，若要一個像素不發(fā)光就將它的陽極接在一個負電壓上，就可將它反向截止。但是在圖像變化比較多時可能出現(xiàn)交叉效應，為了避免我們必須采用交流的形式。靜態(tài)驅動電路一般用于段式顯示屏的驅動上。動態(tài)驅動方式：在動態(tài)驅動的有機發(fā)光顯示器件上人們把像素的兩個電極做成了矩陣型結構，即水平一組顯示像素的同一性質的電極是共用的，縱向一組顯示像素的相同性質的另一電極是共用的。如果像素可分為N行和M列，就可有N個行電極和M個列電極。行和列分別對應發(fā)光像素的兩個電極。即陰極和陽極。在實際電路驅動的過程中，要逐行點亮或者要逐列點亮像素，通常采用逐行掃描的方式，行掃描，列電極為數(shù)據(jù)電極。實現(xiàn)方式是：循環(huán)地給每行電極施加脈沖，同時所有列電極給出該行像素的驅動電流脈沖，從而實現(xiàn)一行所有像素的顯示。該行不再同一行或同一列的像素就加上反向電壓使其不顯示，以避免“交叉效應”，這種掃描是逐行順序進行的，掃描所有行所需時間叫做幀周期。本設計的驅動電路由行驅動和列驅動構成。為了充分利用單片機外部接口資源，行驅動電路中采用兩個個3-8線譯碼器74LS138，然后由A、B、C三腳為輸入端，形成16種不同的輸入狀態(tài)值，行驅動電路如圖4.5所示。設計中列驅動由集成電路74HC595構成，74HC595具有一個8位串入并出的移位寄存器和一個8位輸出鎖存器的機構，可以實現(xiàn)在顯示本行列數(shù)據(jù)的同時，傳送下一行的列數(shù)據(jù)，即達到重疊處理的目的，列驅動電路如圖4.6所示。圖3.7點陣LED行驅動電路圖3.8點陣LED列驅動電路（三）手寫筆電路設計手寫筆中用光電三極管做為的感光元件，LM393運放作為比較器。由于點陣的光強相對較弱，通過光電三極管的電流很小，通過串接硅二極管來提升光電三極管發(fā)射極電壓，方便后級比較器作業(yè)手寫筆的設計的基本原理圖如圖3.9所示：圖3.9手寫筆電路

五、軟件設計（一）系統(tǒng)軟件流程圖如圖5.1所示給出系統(tǒng)的主函數(shù)流程圖和中斷服務程序的流程圖。主程序主要對點陣進行掃描，等待手寫筆的中斷到來，若有中斷到來即進入中斷服務程序。中斷服務程序進行現(xiàn)場的保護，并記錄中斷到來時的行列坐標，顯示所記錄坐標。開始開始程序初始化開中斷掃描點陣顯示緩存區(qū)數(shù)據(jù)中斷保護現(xiàn)場記錄當前列坐標y行掃描記錄當前行坐標x點亮緩存區(qū)(x,y)還原現(xiàn)場開啟中斷結束返回圖5.1系統(tǒng)流程圖手寫筆的使用時需要按住按鍵才能進行識別光線的，點陣在屏幕掃描時會有一定的殘余的光，點陣筆一旦檢測到有光線時單片機的中端口將有一個中斷打斷，單片機并將剛剛來中斷時所點亮點陣的行和列記住并存入數(shù)組中。以后將在沒掃描一邊屏幕后調用一邊顯示函數(shù)，顯示函數(shù)的數(shù)據(jù)將來自于之前的鎖存數(shù)組。實現(xiàn)了屏幕的手寫功能。（二）程序函數(shù)介紹1、延時函數(shù)函數(shù)名稱：voiddelay(unsignedintyanshi);主要通過程序的循環(huán)實現(xiàn)延時功能。功能：根據(jù)延時值的大小進行延時等待操作，1默認為2uS入口參數(shù)：延時的值，范圍0-65535voiddelay(unsignedintyanshi){unsignedintl;//定義延時循環(huán)控制變量 for(l=0;l<=yanshi;l++); //根據(jù)延時參數(shù)進行空循環(huán)操作，達到延時功能}2、行掃描函數(shù)函數(shù)名稱：voidhansao(unsignedcharhs);功能：根據(jù)入口參數(shù)hs的值，進行判斷選擇哪一行，選通1-16行的選通入口參數(shù)：hs的值，范圍0-15voidhansao(unsignedcharhs)3、手寫筆中斷函數(shù)光筆中斷程序（選擇外中斷1，下降沿觸發(fā)）記錄光筆的行列坐標voidexint1()interrupt2{ EX1=0; //進入中斷之后馬上關閉中斷會造成識別不了列1-16的數(shù)據(jù)guangbi=1; if(dm<16) {lieyouxiao=1; adr_j=dm;}}4、主函數(shù)主函數(shù)首先對各個模塊函數(shù)進行初始化，調節(jié)各個函數(shù)工作，是整個系統(tǒng)的核心。voidmain(void){unsignedcharnum=0;//定義按鍵掃描值的控制變量IT1=1;//setINT1inttype(1:Fallingonly0:Lowlevel)EX1=0;//enableINT1interrupt IE1=0; EA=1; yid=1; ts=1; zimuo=0; //控制字摸數(shù)據(jù)從第一個字模取值 k2=0; while(1) {k2=1; disp();//掃描光筆 shuju_chuli(); k2=0; //數(shù)據(jù)處理完就進行顯示 if(ts==1) {

（三）編程環(huán)境介紹KEILC51標準C編譯器為8051微控制器的軟件開發(fā)提供了C語言環(huán)境,，本站特地制作了一個相對簡單的教程。此軟件能嵌入?yún)R編語言保留了匯編代碼高效,快速的特點。KEILC51編譯器的功能不斷增強,使你可以更加貼近CPU本身,及其它的衍生產(chǎn)品，其效率已經(jīng)達到了相當搞的程度。C51已被完全集成到uVision2的集成開發(fā)環(huán)境中,這個集成開發(fā)環(huán)境包含：編譯器,匯編器,實時操作系統(tǒng),項目管理器,調試器。uVision2IDE可為它們提供單一而靈活的開發(fā)環(huán)境。

KeilC51軟件是眾多單片機應用開發(fā)的優(yōu)秀軟件之一，它集編輯，編譯，仿真于一體，支持匯編,PLM語言和C語言的程序設計，界面友好，易學易用。如圖5.2為打開界面：圖5.2keil打開界面工程新建后保存即可在打開界面進行編程，如圖5.3為編寫程序時的界面圖。

六、仿真與調試（一）系統(tǒng)的整體實物圖經(jīng)過緊張的調試制作后系統(tǒng)的基本模型搭接完成了，如下圖給出了系統(tǒng)的模型圖，系統(tǒng)基本的基本組成為：底板、單片機、四個8*8點陣屏以及與單片機連接的各個驅動部分、其次就是手寫筆部分。驅動電路手寫筆筆驅動電路手寫筆筆單片機點陣屏系統(tǒng)整體實物圖（正面）系統(tǒng)整體實物圖（背面）下圖為系統(tǒng)上電后試驗效果。漢字書寫圖圖案繪制圖

總結本作品完成了題目的基本要求和發(fā)揮部分的全部要求，系統(tǒng)性能良好。通過對作品的各項進行了優(yōu)化，使系統(tǒng)的性能有了提高。應用74HC138譯碼器設計16×16點陣的行列驅動控制信號，掃描速度滿足設計要求。 雖然這次設計滿足了課題的要求，但在很多方面都有許多的不足，還不能滿足正常的書寫需求，但在設計的過程中提高了自己學習思考的能力，讓自己能更好的去面對未來的工作。

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附錄A硬件電路原理圖

附錄B系統(tǒng)程序源代碼 //頭文件名：60SX1-16X16光電筆書寫漢字點陣顯示屏//功能：通電后控制光電筆在點陣顯示模塊上面測試及點亮劃亮顯示漢字內容按鍵1清屏//需要注意第一行劃亮速度不夠，可以采用點亮方式點亮。//硬件連接：帶高速單片機控制器模塊的點陣顯示模塊//晶振:22.1184MHZ//************************************************************************#include"reg52.h"http://單片機頭文件#include"intrins.h"#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint#defineulintunsignedlongintsbitDAT=P2^5; //模擬數(shù)據(jù)發(fā)送端口sbitCLK=P2^6;//模擬時鐘控制端口sbitSUO=P2^7; //模擬鎖存信號端口sbita=P2^0; //行數(shù)據(jù)掃描信號sbitb=P2^1; //行數(shù)據(jù)掃描信號sbitc=P2^2; //行數(shù)據(jù)掃描信號sbitd=P2^3; //行數(shù)據(jù)掃描信號sbiten=P2^4; //行數(shù)據(jù)掃描信號sbitk1_led=P1^0;//K1按鍵和指示燈sbitk2=P1^1; //sbitk3=P1^2; //sbitk4=P1^3; sbitDAT=P1^5; //模擬數(shù)據(jù)發(fā)送端口sbitCLK=P1^6;//模擬時鐘控制端口sbitSUO=P1^7; //模擬鎖存信號端口sbita=P3^4; //行數(shù)據(jù)掃描信號sbitb=P3^5; //行數(shù)據(jù)掃描信號sbitc=P3^6; //行數(shù)據(jù)掃描信號sbitd=P3^7; //行數(shù)據(jù)掃描信號sbiten=P2^0; //行數(shù)據(jù)掃描信號sbitk1_led=P1^0;//K1按鍵和指示燈sbitk2=P1^1; //K2按鍵sbitk3=P1^2; //K3按鍵sbitk4=P1^3; //K4按鍵/////*與編譯器無關的數(shù)據(jù)類型定義*//********************************************************************************************/typedefunsignedcharuint8;//無符號8位整型變量typedefsignedcharint8;//有符號8位整型變量typedefunsignedshortuint16;//無符號16位整型變量typedefsignedshortint16;//有符號16位整型變量typedefunsignedintuint32;//無符號32位整型變量typedefsignedintint32;//有符號32位整型變量typedeffloatfp32;//單精度浮點數(shù)（32位長度）typedefdoublefp64;//雙精度浮點數(shù)（64位長度）/********************************************************************************************///sfrAUXR=0x8e;//Auxiliaryregister unsignedchardk=0,dm=99,dl=0,k=0,m=0,kkk=0; //定義控制顯示一個漢字時間，顯示一屏數(shù)據(jù)時間，亮度控制參數(shù),顯示幾個字kkk正顯暗數(shù)據(jù)unsignedcharh_sel=0;//此變量取值0~15uchardatahuancun[16][2]={0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,};//二維數(shù)組顯示緩存。ucharcunfangadr=0;//存儲位置，用于用戶存放漢字的地址,起始為第0個存儲位置，共5個（hanzi_0-hanzi_4)。ucharhuancun_hang_adr;//掃描到的點所在字節(jié)的行坐標。ucharhuancun_lie_adr; //掃描到的點所在字節(jié)的列坐標。ucharhuancun_bit;//掃描到的點在其所在字節(jié)的位地址，排列從低到高0-7；bitguangbi=0;bitzhuangtai=1;uchari=0;//行掃描動態(tài)坐標。ucharj=0;//列掃描動態(tài)坐標。bithangyouxiao=0;//行掃描有效標志。bitlieyouxiao=0;//列掃描有效標志。ucharadr_i=12;//中斷記錄行緩存坐標。ucharadr_j=23;//中斷記錄列緩存坐標。ucharadr_k=56;//中斷記錄列緩存坐標。uchari,dd=7,gongne=0,huncun32=0,huncun2=0;//dd為移動顯示變量gongne為功能選擇顯示變量0-8控制正顯反顯點亮劃亮ucharyid,h,o=0,ts=0; //YID為移動計數(shù)器，H為行段計數(shù)器。uintzimuo; //字模計數(shù)器ucharcodehanzi[]; //漢字字模ucharBUFF[48]; //緩存voidin_data(void); //調整數(shù)據(jù)voidrxd_data(void); //發(fā)送數(shù)據(jù)voidsbuf_out(); //16段掃描unsignedintcodetab[]=//定義顯示數(shù)據(jù)，根據(jù)取字模軟件進行提取{0xFE,0xFF,0xFD,0xFF,0xFB,0xFF,0xF7,0xFF,0xEF,0xFF,0xDF,0xFF,0xBF,0xFF,0x7F,0xFF,0xFF,0xFE,0xFF,0xFD,0xFF,0xFB,0xFF,0xF7,0xFF,0xEF,0xFF,0xDF,0xFF,0xBF,0xFF,0x7F,//掃描0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,//全滅0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,//全亮};unsignedcharzuhehou[64]={0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,//全滅0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,//全亮};//************************************************************************//函數(shù)名稱：voiddelay(unsignedintyanshi);//功能：根據(jù)yanshi值的大小進行延時等待操作，1默認為2uS//入口參數(shù)：yanshi的值，范圍0-65535//出口參數(shù)：無//修改歷史：V1.0//************************************************************************voiddelay(unsignedintyanshi){ unsignedintl; //定義延時循環(huán)控制變量 for(l=0;l<=yanshi;l++); //根據(jù)延時參數(shù)進行空循環(huán)操作，達到延時功能}//************************************************************************//函數(shù)名稱：voidhansao(unsignedcharhs);//功能：根據(jù)入口參數(shù)hs的值，進行判斷選擇哪一行，選通1-16行的選通//入口參數(shù)：hs的值，范圍0-15//出口參數(shù)：無//************************************************************************voidhansao(unsignedcharhs){ if(hs<16) //判斷hs的值是否在行掃描的值范圍內，不在范圍內不執(zhí)行任何操作 { if(hs==0) //選通第1行 { a=0;b=0;c=0;d=0;return; } if(hs==1) //選通第2行 { a=1;b=0;c=0;d=0;return; } if(hs==2) //選通第3行 { a=0;b=1;c=0;d=0;return; } if(hs==3) //選通第4行 { a=1;b=1;c=0;d=0;return; } if(hs==4) //選通第5行 { a=0;b=0;c=1;d=0;return; } if(hs==5) //選通第6行 { a=1;b=0;c=1;d=0;return; } if(hs==6) //選通第7行 { a=0;b=1;c=1;d=0;return; } if(hs==7) //選通第8行 { a=1;b=1;c=1;d=0;return; } if(hs==8) //選通第9行 { a=0;b=0;c=0;d=1;return; } if(hs==9) //選通第10行 { a=1;b=0;c=0;d=1;return; } if(hs==10) //選通第11行 { a=0;b=1;c=0;d=1;return; } if(hs==11) //選通第12行 { a=1;b=1;c=0;d=1;return; } if(hs==12) //選通第13行 { a=0;b=0;c=1;d=1;return; } if(hs==13) //選通第14行 { a=1;b=0;c=1;d=1;return; } if(hs==14) //選通第15行 { a=0;b=1;c=1;d=1;return; } if(hs==15) //選通第16行 { a=1;b=1;c=1;d=1;return; } }}/*#######################################################################//函數(shù)名稱：voidsendbyte(unsignedintbyte);//功能：根據(jù)byte值的大小，取出對應tab數(shù)組中的值，模擬SPI發(fā)送出去一個字節(jié)//入口參數(shù)：byte值，范圍0-65535//出口參數(shù)：無voidsendbyte(unsignedintbyte){unsignedcharnum; //定義需要發(fā)送的數(shù)據(jù)unsignedcharc; //定義發(fā)送一個字節(jié)的變量num=tab[byte]; //根據(jù)byte值取出tab數(shù)組中的數(shù)據(jù)，存入發(fā)送數(shù)據(jù)變量中for(c=0;c<8;c++) //循環(huán)發(fā)送一個字節(jié){CLK=0; //時鐘置低電平啟動DAT=num&0x80; //取出需要發(fā)送數(shù)據(jù)的最高位CLK=1; //時鐘置高電平結束數(shù)據(jù)發(fā)送num<<=1; //將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)左移一位}}voidsendbyte1(unsignedintbyte){unsignedcharnum; //定義需要發(fā)送的數(shù)據(jù)unsignedcharc; //定義發(fā)送一個字節(jié)的變量num=zuhehou[byte]; //根據(jù)byte值取出tab數(shù)組中的數(shù)據(jù)，存入發(fā)送數(shù)據(jù)變量中for(c=0;c<8;c++) //循環(huán)發(fā)送一個字節(jié){CLK=0; //時鐘置低電平啟動DAT=num&0x80; //取出需要發(fā)送數(shù)據(jù)的最高位CLK=1; //時鐘置高電平結束數(shù)據(jù)發(fā)送num<<=1; //將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)左移一位}}voiddelay2us(void)//誤差-0.010706018519us{unsignedchara;for(a=30;a>0;a--);}/*****光筆中斷程序（選擇外中斷1，下降沿觸發(fā)）記錄光筆的行列坐標*********/voidexint1()interrupt2{ EX1=0; //進入中斷之后馬上關閉中斷會造成識別不了列1-16的數(shù)據(jù)guangbi=1; if(dm<16) { lieyouxiao=1; adr_j=dm; }}voidshuju_chuli(){if(hangyouxiao&&lieyouxiao){hangyouxiao=0;lieyouxiao=0;//顯示坐標huancun_hang_adr=adr_i;//存放0-15行的數(shù)值huancun_lie_adr=adr_j+3;//存放列的左邊8位還是和右邊8位的數(shù)值0-1 huancun_bit=(adr_j)%8;//存放列的0-8個位。if(huancun_lie_adr<=10) //這個變量一定要根據(jù)實際情況定 { //實際上要根據(jù)變量進行調試 adr_k=0; }else{if(huancun_lie_adr>10||huancun_lie_adr<=18) { adr_k=1; }} //判斷左右屏的變化 huancun[huancun_hang_adr][adr_k]=0x01<<huancun_bit; for(huncun32=0;huncun32<16;huncun32++) { zuhehou[huncun32*2+1]&=~hua