系统硬件设计2010/2011学年第1学期专用周实训报告课程名称：可编程控制器专用周班级：计算机控制0901姓名：齐珊教学周数： 1 周指导教师：吴洋、吴刚目录一、课题题目及要求设计并制作一个基于32×32点阵LED模块的书写显示屏，其系统结构如图1-1所示。

在控制器的管理下，LED点阵模块显示屏工作在人眼不易觉察的扫描微亮和人眼可见的显示点亮模式下；当光笔触及LED点阵模块表面时，先由光笔检测触及位置处LED点的扫描微亮以获取其行列坐标，再依据功能需求决定该坐标处的LED是否点亮至人眼可见的显示状态，从而在屏上实现“点亮、划亮、反显、整屏擦除、笔画擦除、连写多字、对象拖移”等书写显示功能。

图1-1 LED点阵书写显示屏系统结构示意图设计的最终要求是：在点亮功能下当光笔接触屏上某点LED时，能即时点亮该LED；在划亮功能下当光笔快速划过时，能同步点亮划过的各LED，其速度要求2S内能划过并点亮40点LED；在反显功能下能对屏上显示的信息实现反向显示；在屏幕擦除功能下能实现对屏上所显示信息整屏擦除；在笔画擦除功能下，能用光笔擦除屏上所显汉字的笔画；在连写多字功能下，能结合自选的擦除方式，在30S内以划亮方式写出四个汉字且存入机内；在对象拖移功能下，能用光笔将选定显示内容在屏上进行拖移，先用光笔以划亮方式在屏上圈定欲拖移显示对象，再用光笔将该对象拖移到屏上另一位置；当光强改变时，能自动连续调节屏上显示亮度；当光笔连续未接触屏面的时间超过1-5MIN 时，自动关闭屏上显示，并使系统进入休眠模式。

二、实训目的1、运用Proteus中电子线路设计与仿真（了解电路分析、模拟电子技术和数字电子技术）2、熟练掌握电子线路设计与仿真的一般流程3、进一步熟练Proteus电路仿真工具和Keil仿真软件进行系统联调4、能够学会使用可编程控制器等其它应用系统的编程方法5、熟练在Keil软件中熟练输入、设置、调试、排除错误、修改及调试程序的方法6、对给定题目能进行系统设计，能画出硬件原理图及软件流程图7、掌握识别元器件类型、引脚的极性、实物引脚排列方向8、掌握焊接元器件的方法，学会规划、合理布局焊接路电路板方法9、能进行电路板的焊接，并能检查存在的问题10、掌握简单产品的开发流程和详细的设计过程。

11、提高和培养创新能力和团队协作能力12、进一步巩固所学的理论知识，提高运用所学知识分析和解决实际问题的能力，为后续课程的学习打下基础三、设计过程1、系统整体设计根据课题要求，LED点阵书写显示屏由主控模块，按键电路、LED点阵模块、光笔电路及LED点阵驱动显示等部分组成。

系统框图如图2-1所示：图2-1系统框图2、核心控制模块的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点阵书写显示屏”检测精度要求高且数据存储容量大，选择适合的控制模块，能确保其快速是实现稳定及达到系统要求的基本条件。

使用STC系列单片机，该系列单片机是高集成单片机，功能和性能都要比51系列强大很多。

比如STC11F32是1T单片机，速度是AT89S51的12倍。

而且内部集成了内置振荡器和复位，EEPROM、ADC、PWM、四态I/O接口。

3、光笔设计光笔设计的关键是选择合适的传感器件，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。

方案二：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。

4、显示方案的设计采用LCD液晶显示器。

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LCM301液晶显示器，其是串行口显示，所需I/O口较少，节省了资源，焊接电路时也较为方便。

5、点阵显示模式设计将点阵的驱动电源分为两路，一路为正常电压，另一路通过硬件电路调节恰好能使点阵处于微亮状态。

结合软件实现点阵的显示模式的改变。

这样节省了资源的同时，也节约了时间。

三、系统硬件设计1光笔的设计光笔用光电三极管3DU33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。

由于点阵的光强相对较弱，通过光电三极管的电流很小，通过串接硅二极管来提升光电三极管发射极电压，方便后级比较器作业，便于单片机检测信号。

光笔原理图如下图3-1所示：图3-1光笔原理图在一空的笔壳内，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内部。

与此同时，用一弹簧套在空管外部，并将其底不固定，这样，当笔管在点阵屏上上下抖动时，内部光敏三极管就能很好的检测了。

其结构如图3-2所示：图3-2光笔的结构图2 32×32LED点阵的连接经分析要想得到32×32的点阵需要用16个共阳型8×8点阵（其引脚图如图3-3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。

图3-3LED点阵3 32×32LED点阵的驱动控制电路32×32 LED点阵的行信息控制用2片74HC154，构成5—32译码器，单片机口线控制其译码输出。

列的微亮扫描、点亮也分别用2片74HC154，4个片选分别单独控制，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列控制端。

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51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3-4所示。

微亮扫描时流过LED的电流为：（2.5-1.8）/51=13.7mA点亮点阵时流过LED的电流为：（5-1.8）/51=62.7mA流过LED电流虽然比较大，但时间很短，因此不会烧坏LED灯。

图3-4LED驱动电路4显示电路部分功能及原理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，我们采用型号为LCM103的液晶显示器显示。

LCM103为10位多功能通用型8段式液晶显示模块，内含看门狗时钟发生器2种频率的蜂鸣驱动电路内置显示RAM，可显示任意字段笔画划3-4线串行接口可与任何单片机接口。

其接口应用模块如图3-5所示：引脚排列图如表3-1所示。

图3-5 LCD 接口应用模块表3-1 LED 接口引脚排列图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3-6所示：引脚 符号 说明输入/输出 1 VDD 正电源，必须接！输入 2 VLCD LCD 屏工作电压调整，可调整视角对比度，必须接！。

输入3 /INT WDT/定时器输出,集电极开路输出，不用可不接。

输出4 LED 不用 输入5 BZ 压电陶瓷蜂鸣片驱动 +极 输出6 /BZ 压电陶瓷蜂鸣片驱动 －极 输出7 /CS 模块片选,内部上拉，必须接！ 输入8 /RD 模块数据读出控制线，内部上拉 输入9 /WR 模块数据/指令写入控制线,内部上拉，必须接！ 输入 10 DATA 数据输入/输出,内部上拉，必须接！ 输入/输出11VSS 负电源,接地线，必须接！图3-6独立式键盘电路图按键功能：按键一：实现点亮等功能；按键二：修改休眠时间；按键三：实现多姿连写时的保存与回放；按键四：实现整屏擦除于休眠唤醒6光照的检测与控制经分析，想要实现当环境光强改变时能自动连续调节屏上显示亮度的要求，其关键是对点阵周围环境光照的检测与控制。

我们通过硬件电路很好的完成了对光照的检测。

基本原理是用LM358与光敏电阻够成一恒流源并于三极管的基极连接，当光敏电阻因光强的变化而改变其自身阻值时，三极管的基极电压也会随着变化。

与其集电极连接的发光二极管的亮度也会伴随着改变，以此判断周围光强的变化。

电路如图3-7所示：。

图3-7光照检测陕西工业职业技术学院信息工程学院可编程控制器专用周四、系统软件设计1主程序设计主程序包括系统初始化，点阵扫描控制，液晶显示，以及“反显”、“擦除”等功能下数据处理程序，流程图如图4-1所示。

其中点阵扫描控制程序，微亮扫描控制由单片机口控制对以译码器的片选和地址输入，使点阵按行列有规律地循环点亮，由图3-3知点亮显示的列控制信息译码地址与微亮连接在一起，控制点亮的工作过程是通过判断点阵显示缓冲内容对应位的信息，控制其片选，当需要点亮时，控制片选有效，反之，控制片选无效，利用微亮扫描过程实现点亮控制。

图4-1主程序框图2外中断0服务程序（坐标检测）外中断0是作为光笔的检测使用，由图3-2知，光笔碰触显示屏过程中，遇到发光点输出翻转的跳变信号，送给单片机中断，作为中断的触发信号，由于中断程序优先执行，打断微亮扫描过程，在中断服务程序中根据此时的行列扫描的序号，就可判断光点的坐标，进而为其他功能的实现提供依据，流程图如图4-2所示图4-2中断程序框图3.外中断1服务程序（按键处理）外中断1为按键操作处理程序，如图4-3所示：图4-3外中断1服务程序框图4．LCM103驱动程序设计LCM103采用的是串行接口，所有数据都是在脉冲的作用下一位一位按顺序写入模块内部，由时序图知数据线上信息是在脉冲上升沿写入。

写命令的数据格式是12位，单个写数据的格式是13位，写数据也可以连续写，由于每个字位占用内部3个RAM空间存放字段码，因此写数据采用连续写方式比较好。

在数据连续写格式中，前面9位为模式位和模块内部RAM的起始地址，后面数据格式是每3位加1个0，取三个一组构成一个字位的信息，也是12位，这样就可以将所有写操作（命令和数据）分为写9位信息和写12位信息两个功能程序。

显示示字段的排列方式与LED数码管一致，每位字段编码由8段构成，占用连续的3个地址空间，但在写入格式中每个数据是4位，编写字符的字段码时要给每个数据后加0，0~9显示字符的字段码如表4-1所示。

表4-1 0~9显示字符的字段码字符二进制十六进制D0 D1 D2 D3 D0 D1 D2 D3 D0 D1 D2 D30 1 0 0 0 0 1 1 0 1 1 1 0 86EH1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 820H2 1 0 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 8CAH3 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 0 8E2H4 1 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 8A4H5 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0e6H6 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 0EEH7 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 860H8 1 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 8EEH9 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 8E6H地址低→高在写数据送显示之前，先按照初始化步骤进行初始化，然后写数据，程序见附录。