基于stm32的led點(diǎn)陣光筆設(shè)計與實(shí)現(xiàn)畢業(yè)論文硬件部分(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 是：亮度高、工作電壓低、功耗小、小型化、壽命長、耐沖擊和性能穩(wěn)定。LED 的發(fā)展前景極為廣闊，目前正朝著更高亮度、更高耐氣候性、更高的 發(fā)光密度、更高的發(fā)光均勻性，可靠性、全色化方向發(fā)展。 當(dāng)前， LED 顯示屏的應(yīng)用已涉及社會經(jīng)濟(jì)的許多領(lǐng)域。 LED 顯示屏主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)閺V告業(yè)，它的出現(xiàn)為廣告產(chǎn)業(yè)帶來了一種新的視覺沖擊，廣告業(yè)的蓬勃發(fā)展帶動了 LED 顯示屏技術(shù)的創(chuàng)新，漸漸的 LED 顯示屏的一些不足也開始進(jìn)入了人們的“視線”，所謂誰把握先機(jī)誰就離成功越近，這就突出了廣告的實(shí)時性。由于 LED 顯示屏必須通過電腦終端控制，所以為其中內(nèi)容修改帶來了不便。 為了解決 LED 顯示屏中內(nèi)容修改不便的問題，就需要設(shè)計一種可以在其上寫字的光筆，這樣不僅可以把 LED 顯示屏與電腦終端脫離，而不影響其工作，而且直接在 LED 顯示屏上寫字給人的視覺沖擊也是相當(dāng)?shù)恼鸷场V告人的創(chuàng)作靈感往往就在那么一瞬間，如果這種帶手寫筆的 LED 顯示屏得到發(fā)展，人們就可以看到在廣場上的藝術(shù)展。 手寫識別技術(shù)是指通過手寫板等軌跡捕獲設(shè)備獲得書寫者的書寫信息，將手寫字轉(zhuǎn)換輸入計算機(jī)。用戶在手寫板和觸摸屏上書寫的筆畫以類似于矢量圖的形式被計算機(jī)存儲下來，通過對文字圖像的抬筆、落筆、筆跡上各像素的空間位置等信息進(jìn)行處理與對照，系統(tǒng)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為計算機(jī)所使用的文字代碼進(jìn)行輸出。 手寫漢字識別技術(shù)發(fā)展 至今，無論在識別率（幾個大廠商幾乎都可以達(dá)到 98%以上）還是識別速度方面都可以稱之為相當(dāng)成熟的技術(shù)了，完全能夠滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。 本課題綜合運(yùn)用 LED 顯示屏和手寫技術(shù)，設(shè)計了一款可以在 32 32LED 點(diǎn)陣上寫字的光筆，可以實(shí)現(xiàn)在點(diǎn)陣上書寫，滿足人們的手寫輸入需要。 課題設(shè)計的思路簡介 LED 點(diǎn)陣可以實(shí)現(xiàn)掃描微亮和顯示點(diǎn)亮，用 STM32 控制，使 LED 點(diǎn)陣能逐點(diǎn)高速程控點(diǎn)亮熄滅，即工作在人眼不易察覺的掃描微亮情況下。當(dāng)光筆在點(diǎn)陣上劃過時，通過編程檢測獲得光筆所在位置的行列坐標(biāo)，并記錄行列坐標(biāo)。運(yùn)算之后 點(diǎn)亮位置坐標(biāo)處的 LED，即實(shí)現(xiàn)了書寫功能。光筆采用光敏三極管為核心設(shè)計制作完成，通過三極管感應(yīng)光強(qiáng)的變化，從而引起電壓變化獲得光筆所在位置，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)亮。在設(shè)計中，我們運(yùn)用了 416 線譯碼器 74HC154 和鎖存器 74LS273 來控制點(diǎn)陣的行和列，通過 STM32 的控制實(shí)現(xiàn)書寫顯示功 7 能。同時，我們還設(shè)計了 LCD 液晶顯示屏，來顯示光筆位置的精確坐標(biāo)。通過按鍵來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)不同的功能。 設(shè)計任務(wù)及要求 本課題實(shí)現(xiàn)一種小型的光筆輸入裝置，應(yīng)達(dá)到以下要求： 設(shè)計并制作一個規(guī)模為 32x32的 LED 點(diǎn)陣 ,該 LED 點(diǎn)陣能逐點(diǎn)高速 程控點(diǎn)亮熄滅；設(shè)計并制作一支光電感應(yīng)畫筆，畫筆在 LED 點(diǎn)陣上隨意移動，系統(tǒng)能實(shí)時捕捉畫筆筆尖在 LED 點(diǎn)陣上的位置信息； LED 點(diǎn)陣能顯示出由畫筆描繪的圖案。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如 圖表 1 所示 圖表 1 LED點(diǎn)陣光筆系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 8 第二章 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 系統(tǒng)的總體設(shè)計 本設(shè)計主要由軟件部分和硬件部分構(gòu)成。 根據(jù)課題要求， LED 點(diǎn)陣光筆由主控模塊、LED 點(diǎn)陣模塊、光筆電路、 LED 點(diǎn)陣驅(qū) 動、 LCD 顯示和按鍵電路等部分組成。系統(tǒng)框圖如 圖表 2 所示 圖表 2 系統(tǒng)框圖 各模塊的設(shè)計 核心控制模塊的設(shè)計 核心控制模塊是系統(tǒng)的大腦，控 制著系統(tǒng)的所有輸入輸出、計算、判斷與決策。“ LED點(diǎn)陣光筆”檢測精度要求高且數(shù)據(jù)存儲容量大，選擇適合的控制模塊，能確保其快速實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定及達(dá)到系統(tǒng)要求的基本條件。 STM32 系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計的 ARM CortexM3 內(nèi)核。 時鐘頻率為 72MHz， 是同類產(chǎn)品中性能最高的產(chǎn)品 。內(nèi)置 32K 到 128K 的閃存 ，運(yùn)行速度快、低功耗（在 72MHz 時消耗 36mA(所有外設(shè)處于工作狀態(tài) )，待機(jī)時下降到 2 uA）、高集成度（集成了復(fù)位電路、低電壓檢測、調(diào)壓器、精確的 RC 振蕩器等），功能和性能 都要比 51 系列強(qiáng)大很多。所以我們選擇 STM32 為核心控制模塊。 9 光筆設(shè)計 光筆設(shè)計的關(guān)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(yīng)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(zhuǎn)換為電能的一種傳感器件，它是構(gòu)成光電式傳感器的主要部件。光敏電阻結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、價格便宜，但經(jīng)調(diào)試發(fā)現(xiàn)其響應(yīng)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(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)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(zhuǎn)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(yīng)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。 點(diǎn)陣屏設(shè)計 點(diǎn)陣屏采用 16 塊 8 X 8 的點(diǎn)陣，連接成一個 32 X 32 的點(diǎn)陣，將每一行對應(yīng)的引腳相連，使每一行的 32 個 LED 燈相連，每一列的 32 個 LED 燈相連。 將點(diǎn)陣的驅(qū)動電路設(shè)成兩種狀態(tài)，一種為正常電壓，可以正常顯示；另一種通過硬件電 路調(diào)節(jié)恰好能使點(diǎn)陣處于微亮狀態(tài)。當(dāng)書寫前，點(diǎn)陣處于微亮掃描狀態(tài)，光筆劃過后，正常顯示劃過的點(diǎn)，結(jié)合軟件實(shí)現(xiàn)點(diǎn)陣的正常顯示。這樣節(jié)省了資源的同時，也節(jié)約了時間。 LCD 顯示設(shè)計 采用 LCD 液晶顯示器來顯示光筆的精確位置，使系統(tǒng)更直觀。 LCD 有明顯的優(yōu)點(diǎn)：微功耗、尺寸小，超薄輕巧、顯示信息量大、字跡清晰、美觀、視覺舒適。使整個控制系統(tǒng)更加人性化。采用 1602A 液晶顯示器，焊接電路時較為方便。 按鍵設(shè)計 系統(tǒng)采用四個獨(dú)立式按鍵來實(shí)現(xiàn)不用功能之間的切換。獨(dú)立式鍵盤，簡單，使用方便。能 很好的完成設(shè)計要求。 系統(tǒng)作用 本設(shè)計的主要作用是通過 STM32 來控制點(diǎn)陣和光筆，實(shí)現(xiàn)手寫輸入的功能。想要實(shí)現(xiàn)此功能，就需要對軟件部分、硬件部分有很多的了解。其中軟件部分通過 C 語言在 Keil uVision4 中 編譯完成，硬件部分由 STM3 74HC15 74LS27 LED 點(diǎn)陣、光敏三極管、 10 LCD 液晶顯示屏和獨(dú)立按鍵等部分完成。本設(shè)計的關(guān)鍵是完成 LED 點(diǎn)陣和光筆的設(shè)計，這樣就能實(shí)現(xiàn)手寫輸入的功能。 11 第三章 STM32 系統(tǒng) STM32概述 STM32 系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計的 ARM CortexM3內(nèi)核。按性能分成兩個不同的系列： STM32F103“ 增強(qiáng)型 ” 系列和 STM32F101“ 基本型 ” 系列。增強(qiáng)型系列時鐘頻率達(dá)到 72MHz，是同類產(chǎn)品中性能最高的產(chǎn)品；基本型時鐘頻率為 36MHz，以 16 位產(chǎn)品的價格得到比 16 位產(chǎn)品大幅提升的性能，是 16 位產(chǎn)品用戶的最佳選擇。兩個系列都內(nèi)置 32K 到 128K 的閃存，不同的是 SRAM 的最大容量和外設(shè)接口的組合。時鐘頻率 72MHz 時，從閃存執(zhí)行 代碼， STM32 功耗 36mA，是 32位市場上功耗最低的產(chǎn)品，相當(dāng)于 。 這里我們選用 STM32F103 系列作為控制系統(tǒng)。要利用 STM32設(shè)計點(diǎn)陣光筆，首先，要求具有一定的硬件基礎(chǔ)知識；其次，要求具有一定的軟件設(shè)計能力，能夠根據(jù)系統(tǒng)的要求，設(shè)計出所需要的程序；再次，要具有綜合運(yùn)用知識的能力。 STM32F103 功能概述 主要特點(diǎn) STM32F 系列屬于中等容量增強(qiáng)型， 32位基于 ARM 核心的帶 64或者 128K 字節(jié)閃存的微控制器 ，具有 USB,CAN,7 個定時器， 2 個 ADC,9 個通信 接口 。其主要特點(diǎn)有： ARM 32 位的 Cortex M3 CPU 最高 72MHZ 工作頻率，在存儲器的 0 的等待周期訪問時可達(dá) 、MHZ（ ） 單周期乘法和硬件除法 從 64K 或者 128K 字節(jié)的閃存程序存儲器 高達(dá) 20K 字節(jié)的 SRAM 、復(fù)位和電源管理 供電和 I/O 引腳 上電 /斷電復(fù)位（ POR/PDR）、可編程電壓監(jiān)測器（ PVD） 416MHZ 晶振振蕩器 內(nèi)嵌經(jīng)出廠調(diào)教的 8MHZ 的 RC 振蕩器 內(nèi)嵌帶校準(zhǔn)的 40KMZ 的 RC 振蕩器 產(chǎn)生 CPU 時鐘的 PLL 帶校準(zhǔn)的 32KMZ 的 RC 振蕩器 睡眠、停機(jī)和待機(jī)模式 12 Vbat 為 RTC 和后備寄存器供電 2 個 12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器， 1us 轉(zhuǎn)換時間（多達(dá) 16 個輸入通道） 轉(zhuǎn)換范圍： 0 至 雙采樣和保持功能 溫度傳感器 7 通道 DMA 控制器 支持的外設(shè)：定時器、 ADC、 SPI、 I 平方 C 和 USRT 80 個快速 I/O 端口 26/37/51/80 個 II/O 口，所有 I/O 口一顆映像到 16 個外部中斷；幾乎所有的端口均可容忍 5V 信號 串行單線調(diào)試（