CN103309504A - 一种具有无线通信功能的触摸屏输入led汉字显示系统 - Google Patents

Abstract

本发明是基于ATmega16单片机的一种具有无线通信功能的触摸屏输入LED汉字显示系统，属于工业自动化产品，主要包括触摸屏输入电路、触摸屏控制电路、无线通信发送端控制电路、无线通信发送电路、无线通信接收电路、汉字显示控制电路、驱动电路、16×16LED显示屏八部分。能够通过触摸屏输入需要显示的汉字，并在控制电路作用下通过无线通信在16×16LED显示屏上显示出相应字形。本系统能够随时改变显示的汉字内容，并可以展示出书写体的效果，克服了以往需要通过编写和下载程序才能改变LED显示屏显示的内容的不足，极大地提高了系统各部分的灵活性，降低了操作人员在接线和维护时的复杂度和困难度，避免人员进入危险的操作环境，保障操作人员的安全。

Description

一种具有无线通信功能的触摸屏输入LED汉字显示系统

技术领域

本发明是基于ATMEL公司的ATmega16单片机控制的具有触摸屏输入功能并能够进行无线通信的LED汉字显示系统，属于工业自动化产品。

背景技术

目前大部分LED汉字显示系统是不能够将需要显示的汉字实时输入系统的，主要将汉字字型码编写到程序中，依靠数据线将程序下载到控制芯片，这种方式耗时费力，不仅需要专业的下载设备，而且要求使用者具有较高的计算机程序编写能力。此外，输入设备既需要通过导线与LED显示屏相连接，又需要为每一个LED显示屏装配信息输入设备，降低了系统各部分的灵活性也造成了资源的浪费。并且，使用这种方法显示的汉字字型过于单调，无法显示出手写的效果。同时，有些LED显示屏放置在位置较高或较为偏僻的地方，编程人员在进行操作时需要承担较大的生命危险。 

发明内容

发明目的：

本发明的目的主要有四个：一、使LED汉字显示系统能够实现自由的信息输入，用先进的技术替代过时的人工操作，不仅大大节省了劳动力资源，而且允许更多的用户根据需要在LED显示屏上显示汉字；二、避免操作人员到危险位置现场进行操作的情况，保护人员的生命安全；三、能够使LED显示出类似书写体的汉字，而不是印刷体的汉字；四、使一个信息输入设备能控制多个LED显示屏，节约资源、减少对设备的投资并增加系统各部分的灵活性。

本发明的技术方案是这样实现的：

整个系统包括触摸屏输入电路、触摸屏控制电路、无线通信发送端控制电路、无线通信发送电路、无线通信接收电路、汉字显示控制电路、驱动电路、16×16LED显示屏和相关软件组成。其中由触摸屏输入电路、触摸屏控制电路、无线通信发送端控制电路、无线通信发送电路四部分构成触摸屏输入及无线通信发送子系统，由无线通信接收电路、汉字显示控制电路、驱动电路、16×16LED显示屏四部分构成无线通信接收及汉字显示子系统。触摸屏输入电路由4线电阻式触摸屏构成，能够将作用于触摸屏上的位置触动信号转换成相应的模拟电压信号并输出到触摸屏控制电路上。触摸屏控制电路基于ADS7846芯片构成，能够将从触摸屏输入电路输入的模拟电压信号转换成对应X、Y坐标电压的数字量并通过同步串行通信输出到无线通信发送端控制电路中。无线通信发送端控制电路由ATmega16单片机及时钟、复位、电源等外围电路构成，是触摸屏输入及无线通信发送子系统的核心，能够对从触摸屏控制电路输入的位置坐标电压信号进行消除抖动处理并据此计算出相应的位置坐标值后通过SPI串行通信接口输出到无线通信发送电路。无线通信发送电路基于nRF24L01+芯片构成，能够将无线通信发送端控制电路通过SPI串行通信发送来的数据通过无线通信发送出去。无线通信接收电路也是基于nRF24L01+芯片构成，能够接收无线通信发送电路发射的触点位置坐标信号，并将该信号通过SPI串行通信接口传递到汉字显示控制电路中。汉字显示控制电路依然是基于ATmega16单片机构成，并具有电源、时钟、复位等外围电路，是无线通信接收及汉字显示子系统的核心部分，能够根据接收到的触点位置坐标信号控制16×16LED 显示屏相应位置的LED的发光情况。汉字显示控制电路接收到有效的触点位置坐标后计算出相应的汉字字型码并通过同步串行通信接口将数据输出到驱动电路，控制16×16LED显示屏的汉字显示。驱动电路基于74HC595芯片构成，一方面将ATmega16单片机输出的串行字型码数据转换成能够控制LED显示的并行信号，另外一方面提供给LED显示屏正常工作所需的电能。四个74HC595芯片级联在一起，其每个并行输出引脚连接着16×16LED 显示屏的一列或一行LED，控制着16×16LED 显示屏相应行或列的LED的开通与关断。为了尽量少占用芯片引脚，在显示时采用动态扫描的方式，每次只控制一列LED的开通与关断，此时对应列的74HC595的输出引脚为高电平，连接在每一行LED的74HC595芯片引脚输出显示该列信息的字型码，延时一段时间之后显示下一列，这样逐列扫描显示汉字。利用人眼存在短暂的视觉停留，在显示时通过ATmega16单片机内部的定时器产生的中断将扫描频率控制在25Hz。

为了便于用户操作，在无线通信发送端控制电路中设置了Clear（清屏）按键，增加设备的交互性。此按键与无线通信发送端控制电路中ATmega16单片机的第3引脚连接，当按下Clear按键后ATmega16单片机第3引脚申请中断处理。ATmega16单片机在相应的中断程序中向无线通信发送电路输出清屏指令，进而通过无线通信接收电路接收、汉字显示控制电路处理后使得16×16LED显示屏不显示任何内容。

本系统是在ATMEL公司开发的AVR Studio编程环境下完成的相关程序的编写，使系统具有通过无线通信、根据触摸屏输入显示出相应的汉字的能力。

由于采取上述技术方案，使本发明完全代替了以往通过软件编程才能改变LED显示屏显示的汉字的方式，不仅大大降低了工人的劳动强度，也减少了操作者在对放置于危险环境的LED显示屏的编程时可能受到的伤害。同时，大大扩展了能够显示在LED上的汉字的书写风格。此外，由于使用无线通信进行数据的传输，极大地提高了系统各部分的灵活性，可以使用一个触摸屏输入及无线通信发送子系统控制多个LED显示屏，降低了系统在连线和维护时的复杂度的同时节约资源、减少浪费。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图

图2为本发明的触摸屏输入及无线通信发送子系统结构示意图

图3为本发明的无线通信接收及汉字显示子系统结构示意图

图4为本发明的16×16LED显示屏电路图

图5为本发明的ATmega16单片机时钟电路图

图6为本发明的ATmega16单片机复位电路图

图7为本发明的nRF24L01+芯片电源电路图

标注： 1-1、触摸屏输入电路； 1-2、基于ADS7846芯片的触摸屏控制电路；1-3、基于ATmega16单片机的无线通信发送端控制电路；1-4、基于nRF24L01+芯片的无线通信发送电路；1-5、基于nRF24L01+芯片的无线通信接收电路；1-6、基于ATmega16单片机的汉字显示控制电路；1-7、基于74HC595芯片的驱动电路；1-8、16×16LED显示屏；5-1、12MHz晶振；7-1、LM1117-3.3稳压芯片。

具体实施方式

整个系统包括触摸屏输入电路（1-1）、触摸屏控制电路（1-2）、无线通信发送端控制电路（1-3）、无线通信发送电路（1-4）、无线通信接收电路（1-5）、汉字显示控制电路（1-6）、驱动电路（1-7）、16×16LED显示屏（1-8）八部分组成。其中由触摸屏输入电路、触摸屏控制电路、无线通信发送端控制电路、无线通信发送电路四部分构成触摸屏输入及无线通信发送子系统，由无线通信接收电路、汉字显示控制电路、驱动电路、16×16LED显示屏四部分构成无线通信接收及汉字显示子系统。无线通信发送端控制电路（1-3）、汉字显示控制电路（1-6）中的ATmega16单片机还需要相关的外围电路——时钟电路和复位电路来保证其正常工作。无线通信发送电路（1-4）、无线通信接收电路（1-5）中的nRF24L01+芯片在工作时需要LM1117-3.3芯片将+5V电压转换成+3.3V电源保证其正常工作。同时，由于ATmega16单片机引脚输出电压为+5V，为了不对nRF24L01+芯片产生损害，在连线时分别串联2kΩ电阻。

触摸屏输入电路由4线电阻式触摸屏构成，能够将作用于触摸屏上的位置触动信号转换成相应的模拟电压信号并输出到触摸屏控制电路上。触摸屏控制电路基于ADS7846芯片构成，其X+、X- 、Y+、Y- 引脚分别通过导线与触摸屏输入电路的第2、4、3、5引脚相连接。触摸屏控制电路能够将触摸屏输入电路输出的模拟电压信号转换成对应X、Y坐标的数字量并通过同步串行通信输出到无线通信发送端控制电路中。无线通信发送端控制电路主要由ATmega16单片机及时钟、复位等外围电路构成，是触摸屏输入及无线通信发送子系统的核心，能够将触摸屏控制电路输出的位置坐标信号通过SPI串行通信接口输出到无线通信发送电路。在连线时，ADS7846芯片的第16、14、12引脚分别通过导线与ATmega16单片机的第1、15、14引脚连接，通过同步串行通信实现ATmega16单片机向ADS7846芯片写入控制字和从ADS7846芯片中读取位置坐标电压。ATmaga16单片机通过第1引脚为与ADS7846芯片的同步串行通信提供时钟信号、通过第15引脚向ADS7846芯片写入控制字、通过第14引脚从ADS7846芯片中读取位置坐标电压数据。ADS7846芯片的第11、15、13引脚分别通过导线与ATmega16单片机的17、39、38引脚连接。当触摸屏电路的触摸屏上有触动发生后，触摸屏控制电路中ADS7846芯片的第11引脚输出一个低电平信号，相应的ATmega16单片机的第17引脚上出现电平下降沿，并提出测量触点坐标电压中断。ATmega16单片机响应中断，使第39引脚输出0，将ADS7846芯片的第15引脚电平拉低，通过第15引脚向ADS7846芯片写入控制字0b11010000。ATmega16单片机不断查询其第38引脚的电平高低以确定ADS7846芯片的第13引脚是否有低电平输出，当检测到ADS7846芯片的第13引脚输出0时，即ADS7846芯片已经得到此时触点的X位置坐标电压，ATmega16单片机通过第14引脚读出此位置坐标电压值，然后ATmega16单片机通过第15引脚向ADS7846芯片写入控制字0b10010000，并继续不断查询其第38引脚的电平高低，当检测到ADS7846芯片的第13引脚输出0时，通过第14引脚读出此时触点的Y位置坐标电压。在得到触点的XY位置坐标电压后，ATmega16单片机经过消除抖动处理后计算出此时触点的XY坐标，并通过SPI串行通信接口将坐标值传送到无线通信发送电路。无线通信发送电路基于nRF24L01+芯片构成，其第3、4、5、2、6、1引脚分别用导线通过2kΩ电阻与ATmega16单片机的第8、7、6、5、16、40引脚相连。其中ATmega16单片机的第8引脚为SPI通信的进行提供时钟信号，第5引脚决定nRF24L01+芯片何时处于工作状态，第40引脚决定nRF24L01+芯片的工作模式。当ATmega16单片机得到了一个有效的触点位置坐标后就会在nRF24L01+芯片的配置寄存器和接收节点地址设定完成之后，将相应的数据通过SPI通信传递给nRF24L01+芯片，然后设定第40引脚为高电平并持续10us以上来启动发射。nRF24L01+芯片根据发送情况的不同——是否接收到应答信号或重发次数达到最大值产生相应的中断，并通过ATmega16单片机的第16引脚申请响应，ATmega16单片机根据情况来做出相应的处理。坐标数据发送成功后ATmega16单片机将第40引脚设置为0，将nRF24L01+芯片的第1引脚拉低，使nRF24L01+芯片进入待机状态。

无线通信接收电路也是基于nRF24L01+芯片构成，能够接收无线通信发送电路发射的触点位置坐标信号，并将该信号通过SPI通信接口传递到汉字显示控制电路中。汉字显示控制电路依然是基于ATmega16单片机构成，并具有时钟、复位等外围电路。无线通信接收电路nRF24L01+芯片的第3、4、5、2、6、1引脚分别用导线通过2kΩ电阻与汉字显示控制电路中ATmega16单片机的第8、7、6、5、16、40引脚相连。其中汉字显示控制电路中ATmega16单片机的第8引脚为SPI通信的进行提供时钟信号，第5引脚决定nRF24L01+芯片何时处于工作状态，第40引脚决定nRF24L01+芯片的工作模式。在应用时，汉字显示控制电路中的ATmega16单片机通过SPI通信将无线通信接收电路的nRF24L01+芯片配置寄存器和地址设定完成后，使第40引脚输出1，将无线通信接收电路nRF24L01+芯片的第1引脚拉高，启动nRF24L01+芯片的接收模式。延时130us后，nRF24L01+芯片开始检测空中信息。nRF24L01+芯片在接收到有效的数据包后将数据存储到相应的寄存器中，并将其第6引脚拉低，通过汉字显示控制电路中ATmega16单片机的第16引脚申请中断，与此同时发送自动确认信号。汉字显示控制电路ATmega16单片机在进行中断处理时首先通过第40引脚输出0来拉低nRF24L01+芯片的第1引脚，使其工作于待机模式I，然后通过SPI串行接口读出接收到的触点坐标数据，并使nRF24L01+芯片准备好再次进入接收模式。汉字显示控制电路接收到有效的触点位置坐标后计算出相应的汉字字型码并通过同步串行通信接口将数据输出到驱动电路，控制16×16LED显示屏的汉字显示。驱动电路基于74HC595芯片构成，一方面将ATmega16单片机输出的串行字型码数据转换成能够控制16×16LED显示的并行信号，另外一方面提供给16×16LED显示屏正常工作所需的电能。四个74HC595芯片级联在一起，其每个并行输出引脚连接着16×16LED 显示屏的一列或一行发光二级管，控制着16×16LED 显示屏相应行或列的发光二级管的开通与关断。四个74HC595芯片的第11、12、13、10引脚都分别与ATmega16单片机的第1、39、38、37引脚相连接。直接接收来自ATmega16单片机串行数据的74HC595芯片的第14引脚和ATmega16单片机的第15引脚相连接，并与其他的三个74HC595芯片通过其串行输出口即第9引脚进行级联。ATmega16单片机通过第15引脚串行输出数据，通过第1引脚输出同步时钟。在同步时钟的控制下，数据在74HC595芯片中进行移位。数据发送完毕后，ATmega16单片机通过第39引脚产生电平上升沿，使74HC595芯片锁存移位寄存器中的数据并将其反映在并行输出引脚上。ATmega16单片机的第38引脚输出0从而使74HC595芯片正常输出数据。正常工作时，ATmega16单片机的第37引脚输出高电平。当需要对74HC595芯片进行复位时，ATmega16单片机的第37引脚输出高电平。

为了尽量少占用芯片管脚，在显示时采用动态扫描的方式，每次只控制一列LED的开通与关断，此时对应列的74HC595的并行输出引脚为高电平，连接在每一行LED的74HC595芯片并行输出引脚显示该列信息的字型码，延时一段时间之后显示下一列，这样逐列扫描显示汉字。16×16LED显示屏在接收驱动电路的并行控制信息之后，点亮相应位置的LED。利用人眼存在短暂的视觉停留，在显示时通过ATmega16单片机内部的定时器产生的中断将扫描频率控制在25Hz。

为了便于用户操作，增加设备的人性化，在无线通信发送端控制电路中设置了Clear（清屏）按键。此按键与无线通信发送端控制电路中ATmega16单片机的第3引脚连接，当按下Clear按键后ATmega16单片机第3引脚申请中断。ATmega16单片机在相应的中断程序中向无线通信发送电路输出清屏指令，进而通过无线通信接收电路接收、汉字显示控制电路处理后使得16×16LED显示屏不显示任何内容。

有益效果:

本发明在实际应用时可以将由触摸屏输入电路（1-1）、触摸屏控制电路（1-2）、无线通信发送端控制电路（1-3）、无线通信发送电路（1-4）四部分构成的触摸屏输入及无线通信发送子系统放置在操作者容易接触的地方，能够使操作人员随时根据需要显示所需的汉字而不需要修改单片机中的程序，极大地简化了操作过程和劳动强度。在LED显示屏需要放置在位置较高或较为危险的地方的情况下，这种操作模式可以避免使操作人员进入危险的操作环境，减少人员受到伤害的可能性。同时，本发明可以使用一个触摸屏输入及无线通信发送子系统来控制多个LED显示屏，极大地增加了系统中各部分的灵活性，减少了对设备的投资，节约了资源。此外，无线通信方式的使用极大地降低了系统接线和维护的复杂度和困难度，更加便于操作人员的使用和管理。

Claims (7)

1.一种具有无线通信功能的触摸屏输入LED汉字显示系统，包括触摸屏输入电路、触摸屏控制电路、无线通信发送端控制电路、无线通信发送电路、无线通信接收电路、汉字显示控制电路、驱动电路、16×16LED显示屏八个部分，其特征在于：所述的触摸屏输入电路、触摸屏控制电路、无线通信发送端控制电路、无线通信发送电路四个部分组成了触摸屏输入及无线通信发送子系统；无线通信接收电路、汉字显示控制电路、驱动电路、16×16LED显示屏四部分组成了无线通信接收及汉字显示子系统。

2.根据权利要求1所述的一种具有无线通信功能的触摸屏输入LED汉字显示系统，其特征是：所述的触摸屏输入电路由一块四线电阻式触摸屏组成并通过导线与触摸屏控制电路连接，能够将触摸屏上的触点位置信号转换为相应的位置电压信号并输出到触摸屏控制电路中；触摸屏控制电路基于ADS7846芯片构成，能够将触摸屏输入电路输出的位置电压信号转换为数字信号并通过同步串行通信输入到无线通信发送端控制电路中；无线通信发送端控制电路基于ATmega16单片机构成，能够对由触摸屏控制电路输出的位置电压信号进行消除抖动处理，并根据有效的位置电压信号计算出相应的坐标值，进而通过SPI串行通信输出到无线通信发送电路；无线通信发送电路基于nRF24L01+芯片构成，能够将从无线通信发送端控制电路输入的触点位置坐标通过电磁波发送出去；无线通信接收电路也是基于nRF24L01+芯片构成，能够接收无线通信发送电路发送的触点位置坐标，并通过SPI串行通信发送到汉字显示控制电路中；汉字显示控制电路依然基于ATmega16单片机构成，能够根据来自无线通信接收电路的触点位置坐标信号计算出相应的汉字字型码，并将所得到的字型码数据通过同步串行通信发送到驱动电路；驱动电路基于74HC595芯片构成，能够将汉字显示控制电路输出的串行字型码数据转换成驱动16×16LED显示屏的并行数据；16×16LED显示屏由16行、16列共256个LED组成。

3.根据权利要求1所述的一种具有无线通信功能的触摸屏输入LED汉字显示系统，其特征是：所述的无线通信发送端控制电路、汉字显示控制电路都是基于ATmega16单片机的数字处理系统，在工作时需要外接时钟电路和复位电路。

4.根据权利要求1所述的一种具有无线通信功能的触摸屏输入LED汉字显示系统，其特征是：16×16LED显示屏的每一行LED的阳极分别与驱动电路的74HC595芯片的并行输出引脚通过导线连接，16行共需要两个74HC595芯片；每一列LED的阴极分别与驱动电路的74HC595芯片的并行输出引脚通过导线连接，16列共需要两个74HC595芯片。

5.根据权利要求1所述的一种具有无线通信功能的触摸屏输入LED汉字显示系统，其特征是：汉字显示控制电路在向驱动电路同步串行输出数据时通过ATmega16单片机的第15引脚串行输出数据，通过第1引脚输出同步时钟信号。

6.根据权利要求1所述的一种具有无线通信功能的触摸屏输入LED汉字显示系统，其特征是：所述的无线通信发送端控制电路与无线通信发送电路、无线通信接收电路与汉字显示控制电路之间进行通信时使用ATmega16单片机的SPI串行通信接口。

7.根据权利要求1所述的一种具有无线通信功能的触摸屏输入LED汉字显示系统，其特征是：所述的无线通信发送电路、无线通信接收电路需要通过由LM1117-3.3芯片将+5V电压转换为+3.3V电压并提供电能。

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