基于stm32的led點(diǎn)陣光筆設(shè)計(jì)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(jiǎn)介】 LED 顯示屏面積可以根據(jù)需要由單元模塊任意拼裝，以其變化豐富的色彩，圖案實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的顯示模式，完美的多媒體效果，強(qiáng)大的視覺(jué)沖擊力將信息、文字、圖片、動(dòng)畫(huà)、視頻等多種方式顯示出來(lái) ,成為信息傳播的劃時(shí)代產(chǎn)品 ,在鐵路民航、體育場(chǎng)館、會(huì)議廳、高速公路、廣場(chǎng)、大型商場(chǎng)、證券市場(chǎng)以及多種監(jiān)控調(diào)度中得到了廣泛的應(yīng)用。 LED 之所以受到廣泛重視而得到迅速發(fā)展，是與它本身所具有的優(yōu)點(diǎn)分不開(kāi)的。這些優(yōu)點(diǎn)概括起來(lái)是：亮度高、工作電壓低、功耗小、小型化、壽命長(zhǎng)、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(huì)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(lái)了一種新的視覺(jué)沖擊，廣告業(yè)的蓬勃發(fā)展帶動(dòng)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(kāi)始進(jìn)入了人們的“視線”，所謂誰(shuí)把握先機(jī)誰(shuí)就離成功越近，這就突出了廣告的實(shí)時(shí)性。由于 LED 顯示屏必須通過(guò)電腦終端控制，所以為其中內(nèi)容修改帶來(lái)了不便。 為了解決 LED 顯示屏中內(nèi)容修改不便的問(wèn)題，就需要設(shè)計(jì)一種可以在其上寫(xiě) 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(xiě)字給人的視覺(jué)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(xiě)筆的 LED顯示屏得到發(fā)展，人們就可以看到在廣場(chǎng)上的藝術(shù)展。 手寫(xiě)識(shí)別技術(shù)是指通過(guò)手寫(xiě)板等軌跡捕獲設(shè)備獲得書(shū)寫(xiě)者的書(shū)寫(xiě)信息，將手寫(xiě)字轉(zhuǎn)換輸入計(jì)算機(jī)。用戶在手寫(xiě)板和觸摸屏上書(shū)寫(xiě)的筆畫(huà)以類似于矢量圖的形式被計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)下來(lái)，通過(guò)對(duì)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(duì)照，系統(tǒng)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)所使用的文字代碼進(jìn)行輸出。 手寫(xiě)漢字識(shí)別技術(shù)發(fā)展至今，無(wú)論在識(shí)別率（幾個(gè)大廠商幾乎都可以達(dá)到 98%以上）還是識(shí)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(xiě)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款可以在 32 32LED 點(diǎn)陣上寫(xiě)字的光筆，可以實(shí)現(xiàn)在點(diǎn)陣上書(shū)寫(xiě)，滿足人們的手寫(xiě)輸入需要。 7 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(jué)的掃描微亮情況下。當(dāng)光筆在點(diǎn)陣上劃過(guò)時(shí)，通過(guò)編程檢測(cè)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(shū)寫(xiě)功能。光筆采用光敏三極管為核心設(shè)計(jì)制作完成，通過(guò)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(jì)中，我們運(yùn)用了 416 線譯碼器 74HC154 和鎖存器 74LS273 來(lái)控制點(diǎn)陣的行和列，通過(guò) STM32 的控制實(shí)現(xiàn)書(shū)寫(xiě)顯示功能。同時(shí)，我們還設(shè)計(jì)了 LCD液晶顯示屏，來(lái)顯示光筆位置的精確坐標(biāo)。通過(guò)按鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)不同的功能。 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(jì)并制作一個(gè)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(jì)并制作一支光電感應(yīng)畫(huà)筆，畫(huà)筆在 LED 點(diǎn)陣上隨意移動(dòng)，系統(tǒng)能實(shí)時(shí)捕捉畫(huà)筆筆尖在 LED 點(diǎn)陣上的位置信息； LED 點(diǎn)陣能顯示出由畫(huà)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(jì) 本設(shè)計(jì)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(dòng)、 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 核心控制模塊的設(shè)計(jì) 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(jì)算、判斷與決策。“ LED點(diǎn)陣光筆”檢測(cè)精度要求高且數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量大，選擇適合的控制模塊，能確保其快速實(shí)現(xiàn) 9 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(mén)設(shè)計(jì)的 ARM CortexM3 內(nèi)核。 時(shí)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(shí)消耗 36mA(所有外設(shè)處于工作狀態(tài) )，待機(jī)時(shí)下降到 2 uA）、高集成度（集成了復(fù)位電路、低電壓檢測(cè)、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。 光筆設(shè)計(jì) 光筆設(shè)計(jì)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(shí)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(cè)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(jiǎn)單、使用方便、價(jià)格便宜，但經(jīng)調(diào)試發(fā)現(xiàn)其響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，不易檢測(cè)。 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(shí)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(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的功能外，還有對(duì)電信號(hào)放大的功能。所以其靈敏度更高，響應(yīng)時(shí)間快。 基于以上分析，我們采用光敏三極管作為光筆的檢測(cè)部件。 點(diǎn)陣屏設(shè)計(jì) 點(diǎn)陣屏采用 16 塊 8 X 8 的點(diǎn)陣，連接成一個(gè) 32 X 32 的點(diǎn)陣，將每一行對(duì)應(yīng)的引腳相連，使每一行的 32 個(gè) LED 燈相連，每一列的 32 個(gè) LED 燈相連。 將點(diǎn)陣的驅(qū)動(dòng)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(guò)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(shū)寫(xiě)前，點(diǎn)陣處于微亮掃描狀態(tài)，光筆劃過(guò)后，正常顯示劃過(guò)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(shí)，也節(jié)約了時(shí)間。 LCD 顯示設(shè)計(jì) 采用 LCD 液晶顯示器來(lái)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(jué)舒適。使整個(gè)控制系統(tǒng)更加人性化。采用 1602A 液晶顯示器，焊接電路時(shí)較為方便。 按鍵設(shè)計(jì) 系統(tǒng)采用四個(gè)獨(dú)立式按鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)不用功能之間的切換。 獨(dú)立式鍵盤(pán)，簡(jiǎn)單，使用方便。能很好的完成設(shè)計(jì)要求。 10 本設(shè)計(jì)的主要作用是通過(guò) STM32 來(lái)控制點(diǎn)陣和光筆，實(shí)現(xiàn)手寫(xiě)輸入的功能。想要實(shí)現(xiàn)此功能，就需要對(duì)軟件部分、硬件部分有很多的了解。其中軟件部分通過(guò) C 語(yǔ)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、LCD 液晶顯示屏和獨(dú)立按鍵等部分完成。本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是完成 LED 點(diǎn)陣和光筆的設(shè)計(jì)，這樣就能實(shí)現(xiàn)手寫(xiě)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(mén)設(shè)計(jì)的 ARM CortexM3內(nèi)核。按性能分成兩個(gè)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(shí)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(shí)鐘頻率為 36MHz，以 16 位產(chǎn)品的價(jià)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(gè)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(shí) 鐘頻率 72MHz 時(shí)，從閃存執(zhí)行代碼， STM32 功耗 36mA，是 32 位市場(chǎng)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(jì)點(diǎn)陣光筆，首先，要求具有一定的硬件基礎(chǔ)知識(shí)；其次，要求具有一定的軟件設(shè)計(jì)能力，能夠根據(jù)系統(tǒng)的要求，設(shè)計(jì)出所需要的程序；再次，要具有綜合運(yùn)用知識(shí)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(gè)定時(shí)器， 2 個(gè) ADC,9 個(gè)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(chǔ)器的 0 的等待周期訪問(wèn)時(shí)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(chǔ)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(cè)器（ PVD） 416MHZ 晶振振蕩器 12 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(shí)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 Vbat 為 RTC 和后備寄存器供電 2 個(gè) 12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器， 1us 轉(zhuǎn)換時(shí)間（多達(dá) 16 個(gè)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(shí)器、 ADC、 S