CN109712559A - 一种无传感led点阵屏显示交互装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无传感LED点阵屏显示交互装置及方法。强光光源位于LED点阵屏的前方且作为信号源照射LED点阵屏上，VCC端驱动模块的输出引脚、RGB端驱动模块的R/G/B输出引脚均连接到LED点阵屏的引脚驱动输出引脚的N只VCC引脚同时连接到信号检测放大输入模块，输入信号经信号检测放大输入模块输出到单片机。借助LED显示发光单元在光伏效应作用下可将输入的光信号转变为电信号的特性，装置分时段显示图像和检测LED点阵屏VCC端引脚的信号，从而实现同时显示和交互功能。本发明能够和其他同类LED点阵屏配合使用，具有成本低、结构简单、适用范围广，可用于大屏幕LED点阵屏显示和交互场合。

Description

一种无传感LED点阵屏显示交互装置及方法

技术领域

本发明涉及LED点阵屏交互装置及方法，尤其涉及了一种无传感、低成本LED点阵屏显示交互装置及方法。

背景技术

目前，LED点阵屏被用在生活中的方方面面，其无缝拼接的面积延展性、发光亮度强、使用寿命长等特点，使得LED点阵屏的使用范围极为广泛，包括广告宣传、店面装饰、照明、公告牌等公共显示信息场合，从户内到户外，都能见到小或大屏幕的LED点阵屏。

随着科技的发展，人屏交互技术越来越成为显示技术的一个重要方面，然而目前为止能够实现人屏直接互动的显示屏一般都不是LED点阵屏。当然，其本身屏幕过亮，不适合近距离接触、不具备传感功能等问题都阻碍着LED点阵屏交互技术的发展。除此之外，即便是其他的可直接交互的触摸屏，包括矢量压力传感技术触摸屏、电阻技术触摸屏、电容技术触摸屏、红外线技术触摸屏、表面声波技术触摸屏，在进行交互的时候，也需要特别设计的具有传感功能的屏幕，这对于大屏幕的LED点阵屏来说几乎是不可能实现的，且成本也较为昂贵。

但是，如果从LED点阵屏本身的性质入手，直接利用LED点阵中每一个像素LED的光伏特性，不仅可以实现与点阵屏的直接交互，而且不需要额外的传感器，不改变屏幕外观和功能，应用方便，结构简单，成本低，然而目前未见相关报道。

发明内容

基于上述背景对于当前LED点阵屏发展概况描述，本发明的目的在于提供一种无传感LED点阵屏显示交互装置及方法，能够实现对LED点阵屏的直接交互。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一、一种无传感LED点阵屏显示交互装置

本装置包括强光光源、LED点阵屏和驱动及控制一体化板，强光光源位于LED点阵屏的前方并朝向LED点阵屏，强光光源作为信号源照射LED点阵屏上，LED点阵屏通过LED点阵屏引脚与驱动及控制一体化板的驱动输出引脚连接；LED点阵屏为N×M的全彩LED点阵屏，N和M为大于等于1的正整数，N×M的全彩LED点阵屏包括N只共阳VCC引脚和3×L＝M只共阴R/G/B引脚，L为大于等于1的正整数；每一个RGB三色集成的全彩LED作为单个的像素；强光光源直接照射在某个或几个像素上来表示对该像素的选择。

所述的驱动及控制一体化板包括单片机以及分别与单片机相连的驱动输出引脚、VCC端驱动模块、RGB端驱动模块和信号检测放大输入模块，VCC端驱动模块的N只输出引脚连接到驱动输出引脚的N只VCC引脚，RGB端驱动模块的3×L＝M只R/G/B输出引脚连接到驱动输出引脚的3×L＝M只R/G/B引脚，LED点阵屏引脚的N只共阳VCC引脚和M只共阴R/G/B引脚分别经驱动输出引脚与对应的VCC端驱动模块的N只输出引脚和RGB端驱动模块的3×L＝M只R/G/B输出引脚相连；驱动输出引脚的N只VCC引脚同时连接到信号检测放大输入模块，输入信号经信号检测放大输入模块输出到单片机；VCC端驱动模块包括正相三态缓冲器，正相三态缓冲器的N个输入端引脚和使能端引脚均连接到单片机，正相三态缓冲器的N个输出端引脚分别与驱动输出引脚的N只VCC引脚连接，正相三态缓冲器使能端处于低电平状态时，VCC端驱动模块输入端与输出端导通，VCC端驱动模块将来自单片机的控制信号输出至LED点阵屏，正相三态缓冲器的使能端处于高电平状态时，正相三态缓冲器处于高阻状态，从而VCC端驱动模块的输入端与输出端不导通，通过控制正相三态缓冲器的使能端置位，从而实现VCC端驱动模块的三态输出。

LED点阵屏为N×M的单色LED点阵屏，单色LED点阵屏包括N只共阳VCC引脚和M只共阴引脚，N和M为大于等于1的正整数，每个单色LED作为单个的像素。

所述驱动及控制一体化板还包括电源接口和数据接口，电源接口与外部电源连接并为该驱动及控制一体化板的各个模块供电，数据接口与外部数据传输接口连接，数据接口具体可以与上位机或其他数据传输接口连接实现通信或与同类装置串联实现点阵屏的扩展。

所述的RGB端驱动模块采用与N×M的LED点阵屏相对应的专用驱动芯片或其他通用芯片。

二、一种无传感LED点阵屏显示交互方法，包括以下步骤：

步骤1)：在初始无强光光源的照射下，单片机通过数据接口导入程序，单片机从程序中获取初始图像信息，单片机控制VCC端驱动模块中的正相三态缓冲器的使能端处于低电平状态，单片机发出控制信号控制VCC端驱动模块和RGB端驱动模块通过驱动输出引脚实现在LED点阵屏显示初始图像；

步骤2)：根据LED显示发光单元在光伏效应作用下可将输入的光信号转变为电信号的特性，强光光源照射在LED点阵屏的一个或多个LED上时，被强光照射的一个或多个LED被导通产生电压，因光伏效应产生的电流不足，若被导通的LED的共阳VCC引脚端仍与VCC端驱动模块连通，被导通的LED的共阳VCC引脚端的电压会被驱动输出电压拉高或拉低，因此单片机控制VCC端驱动模块中的正相三态缓冲器的使能端处于高电平状态，使得VCC端驱动模块的输出引脚与驱动输出引脚不导通，正相三态缓冲器的高阻状态使得被导通的LED两端的电压值不同于未被照射到的LED两端的电压值，被导通的LED两端的电压值经驱动输出引脚输入到信号检测放大输入模块进行调理放大后将电压信号输入到单片机，单片机对电压信号进行采样和处理获得不同于步骤1)的控制信号；

步骤3)：单片机控制VCC端驱动模块中的正相三态缓冲器处于低电平状态，使得正相三态缓冲器再次处于输入导通状态，将步骤2)单片机获得的控制信号输入至VCC端驱动模块和RGB端驱动模块，在LED点阵屏显示图像一；

步骤4)：强光光源照射在不同的LED上，照射在某个或几个LED上来表示对该个或几个像素的选择，根据被导通的LED的不同，输入到信号检测放大输入模块经调理放大后的输出信号不同，单片机根据输出信号的不同从而将不同的控制信号输入至VCC端驱动模块和RGB端驱动模块，从而在LED点阵屏显示图像二、图像三等不同的图像。

单片机可以获得强光光源在LED点阵屏上选择的信息，如确定选择的屏幕坐标点、区域等，从而控制LED点阵屏的显示不同图像。

单片机对电压信号进行采样和处理的方法具体为：设置电压阈值，大于电压阈值的电压信号认为对应的LED上有强光照射，小于电压阈值的电压信号认为对应的LED没有被强光照射。

所述的强光光源为激光笔或聚光手电。

本发明利用发光二极管(LED)在光伏效应作用下可将输入的光信号转变为电信号的特性，检测强光光源下被导通的LED两端的电压，同时，LED点阵屏以较高的频率分时显示和检测，当LED屏对外显示发光时，利用单片机和驱动电路控制显示实时的图像信息。当LED屏检测被照射光强时，通过信号检测放大输入模块检测LED的电压/电流信号，通过信号的差异得到是否有光照在LED上的信息，输入单片机进而实现无传感的对LED点阵屏显示的人屏交互。

本发明具有的有益效果是：

1)它可以直接利用强光光源和LED显示屏进行交互和控制，无需搭载其他设备即可实现对LED点阵屏的直接交互功能，是目前市面上见到的可交互LED点阵屏和交互设备所不具备的；

2)它能够实现无传感地交互，一般触摸屏或类似屏幕进行交互都需要利用额外的传感器件，本发明利用LED自身的电压/电流性质实现传感，不改变点阵屏其他功能和外观，且结构简单、成本低。

3)它所基于的模块为目前市面上最常用的LED点阵屏和驱动，可以和其他目前所使用的户内户外大屏幕LED点阵屏一起使用或代替使用，从而具备直接人屏交互功能，适用范围极广泛。

附图说明

图1是装置整体结构示意图。

图2是LED点阵屏示意图。

图3是驱动及控制一体化板结构图。

图4是该装置实现显示控制一体化的框架图。

图中：1.强光光源，2.LED点阵屏，3.驱动及控制一体化板，4.驱动输出引脚，5.数据接口，6.电源接口，7.单片机，8.VCC端驱动模块，9.RGB端驱动模块，10.信号检测放大输入模块，11.单个像素，12.LED点阵屏引脚。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明包括强光光源1、LED点阵屏2、驱动及控制一体化板3；强光光源1作为信号源照射LED点阵屏2，LED点阵屏2通过32只LED点阵屏引脚12与驱动及控制一体化板3的驱动输出引脚4连接，电源接口6与外部电源连接，为整个装置供电。

强光光源1位于LED点阵屏2的前方并朝向LED点阵屏2，强光光源1作为信号源照射LED点阵屏2上，LED点阵屏2通过LED点阵屏引脚12与驱动及控制一体化板3的驱动输出引脚4连接；LED点阵屏2为N×M的全彩LED点阵屏，N和M为大于等于1的正整数，N×M的全彩LED点阵屏包括N只共阳VCC引脚和3×L＝M只共阴R/G/B引脚，L为大于等于1的正整数；每一个RGB三色集成的全彩LED作为单个的像素11。

具体实施中，LED点阵屏2还可以为N×M的单色LED点阵屏，单色LED点阵屏包括N只共阳VCC引脚和M只共阴引脚，N和M为大于等于1的正整数，每个单色LED作为单个的像素11。

如图1所示，驱动及控制一体化板3已经将所有显示和控制功能集成在一块板子上，与LED点阵屏交互部分仅需要使用32只驱动输出引脚4即可，其中的8只VCC端引脚同时作为输入。

如图2所示，LED点阵屏2为8×8全彩RGB-LED点阵屏，32只LED点阵屏引脚12分别为8只共阳VCC引脚和3×8只共阴R/G/B引脚。

如图3所示，驱动及控制一体化板3的单片机7分别与数据接口5、VCC端驱动模块8、RGB端驱动模块9和信号检测放大输入模块10连接，VCC端驱动模块8的8路输出直接连接到驱动输出引脚4的8路VCC引脚，RGB端驱动模块9的3×8路RGB控制输出直接连接到驱动输出引脚4的3×8路R/G/B引脚，驱动输出引脚4的8路VCC引脚同时连接到信号检测放大输入模块10上作为信号输入，信号检测放大输入模块10的输出连接到单片机7。

如图2、图3所示，LED点阵屏引脚12的8只共阳VCC引脚和3×8＝24只共阴R/G/B引脚分别经驱动输出引脚4与对应的VCC端驱动模块8的8只输出引脚和RGB端驱动模块9的24只R/G/B输出引脚相连；驱动输出引脚4的8只VCC引脚同时连接到信号检测放大输入模块10，输入信号经信号检测放大输入模块10输出到单片机7。

驱动及控制一体化板3还包括电源接口6和数据接口5，电源接口6与外部电源连接并为该驱动及控制一体化板3的各个模块供电，数据接口5与外部数据传输接口连接。

VCC端驱动模块8包括正相三态缓冲器，正相三态缓冲器的8个输入端引脚和一个使能端引脚均连接到单片机7，正相三态缓冲器的8个输出端引脚分别与驱动输出引脚4的8只VCC引脚连接，正相三态缓冲器使能端处于低电平状态时，VCC端驱动模块8输入端与输出端导通，VCC端驱动模块8将来自单片机7的控制信号输出至LED点阵屏2，正相三态缓冲器的使能端处于高电平状态时，正相三态缓冲器处于高阻状态，从而VCC端驱动模块8的输入端与输出端不导通。

具体实施中，VCC端驱动模块8还可以包括驱动芯片，驱动芯片的八只输入引脚连接单片机7，驱动芯片的八只输出引脚分别与正相三态缓冲器的八只输入端引脚对应一一连接，正相三态缓冲器的八只输出端引脚分别与驱动输出引脚4的八只VCC引脚对应连接，正相三态缓冲器的使能端与单片机7相连，单片机7通过控制使能端处于高电平或低电平，实现正相三态缓冲器的三态输出。VCC端驱动模块8还可以有其他连接方式，只要能实现正相三态缓冲器的输入端、使能端接入单片机7，正相三态缓冲器的输出端连接驱动输出引脚4均可。

RGB端驱动模块9采用与N×M的LED点阵屏2相对应的专用驱动芯片或其他通用芯片。具体实施中，RGB端驱动模块9采用专用的8×8全彩RGB-LED点阵屏驱动芯片。

本发明通过上述驱动及控制一体化板3的电路结构设计能够在强光光源1照射LED点阵屏2获得VCC端的信号变化，进而用于实现单片机7对LED点阵屏2显示的交互控制。

本发明的工作原理如下：

使用时，先通过数据接口5与上位机连接，在上位机进行单片机编程，然后通过数据接口5将程序烧录到单片机，即可开始运行程序。单片机7发出数据、时钟和控制信号控制RGB端驱动模块9在LED点阵屏2上显示图像，数据信号即单片机7控制驱动模块8、9在LED点阵屏2上所显示的信号，单片机7发出段选周期信号和检测时间的控制信号输入VCC端驱动模块8来控制LED点阵屏VCC端的段选通和高阻使能。

强光光源1，如激光笔等，照射LED点阵屏2的某个或几个像素11表示对该像素11的选择，用来选择想要显示的图像一、图像二、图像三等。当激光笔照射或不照射某个或几个像素11上时，检测放大输入模块10的输入信号会发生变化，从而获取不同的控制信号输入到单片机7来改变显示的图像。

本发明的实施例及其实施过程如下：

具体实施中，采用的LED点阵屏2的为8×8全彩RGB-LED点阵屏，型号具体是GTM2088ARGB，每个LED型号为贴片型5050RGB。

首先，使用单片机编程导入程序，程序包括主函数和多个中断，在中断以外的主函数中，程序根据获取的控制信号选择要显示的帧图像信息，并将要显示的帧图像信息缓存在主函数中，供中断时控制两个驱动模块8、9输出使用。同时也可进行串口通信，实现多设备的拼接组合使用。

采用定时器中断，单片机时钟为16MHz，设置计时器累加的频率为125KHz，再设置计时溢出长度为156，这样中断频率为801.282Hz，八路VCC端驱动模块8的每一个段选分别在每一个中断中完成，这样显示一帧图像的频率约为100.16Hz，再这个基础上，每16个中断(即显示时间)后，即两帧图像后，在第17个中断(即检测时间)，将VCC端驱动模块8的三态使能置位，使得八路VCC全部处于高阻状态，检测放大输入模块10在这时工作，检测特定端口信号。如图4所示，这样就可以将装置的工作任务在时域上分为两个部分，一个部分为显示时间，即前面所述16个中断内的时间，此时LED屏对外显示发光，另一个部分为检测时间，即前面所述第17个中断内的时间，此时LED屏检测被照射光强，其交替频率约为50Hz，在人眼的余晖效应下并不影响显示功能的使用。

当LED点阵屏2对外显示发光时(即在显示时间内)：在显示时间的中断中，此时VCC端驱动模块8中的正相三态缓冲器处于输入导通状态，依次选择VCC端驱动模块8的一个段输出高电平，以此代表该段选通。对RGB端驱动模块9，配置时钟信号和控制信号，单片机7从主函数中获取该时刻该段需要显示的RGB图像信息，通过数据信号线串行输入该驱动芯片中，八个段选中断为一周期，即代表一帧，其频率约为100Hz，进而实现LED点阵屏2显示初始图像、图像一、图像二…在初始无强光照射状态下，显示初始图像。

当LED点阵屏2检测被照射光强时(即在检测时间内)：在检测时间的中断中，对RGB端驱动模块9，选择较为稳定的RGB端电压值，对VCC端驱动模块8，置位三态缓冲器的使能端，使八路VCC端均处于高阻状态。

根据LED显示发光单元在光电效应作用下可将输入的光信号转变为电信号的特性，当强光光源：激光笔照射在LED点阵屏的某个LED上时，会导通LED，从而在导通的LED的共阳VCC端产生一个不同于暗环境下的电压，暗环境是指周围未被照射的或光照强度不大的区域，该电压值根据RGB端的电压值会有所不同，当RGB端电压为5V时(RGB端表示该LED像素熄灭情况时)，导通的LED的VCC端将产生5V+0.6V的电压，0.6V为二极管导通电压。而没有强光照射时，LED通过与外部2MΩ大电阻并联拉低为0V。因此，对于八路VCC端驱动模块8的每一个段来说，没有强光时在信号检测放大输入模块10上的输入即为0V，有强光时在信号检测放大输入模块10上的输入即为5.6V。

将八路VCC端驱动模块8的每一个段的电压值输入到信号检测放大输入模块10，经过改善电压大小、消除杂波并稳定波形后得到电压信号，电压信号输入单片机7进行采样，采样获取的电压信号的差值较为明显，取电压阈值为3V，大于3V认为该段的LED像素11上有强光照射，小于3V则认为该段的LED像素上没有强光，于是可以获得控制信号：没有强光照射时无光、第一段有光、第二段有光，以此类推。

由此可得到，LED点阵屏2在没有激光照射时，显示初始图像；照射在第一段像素上显示图像一；照射在第二段像素上，显示图像二；第一段像素和第二段像素均有光照射，显示图像三，以此类推。

由此，本发明在使用时可以在时域上就分成两个部分，一个部分为显示时间，此时LED屏对外显示发光，另一个部分为检测时间，此时LED屏检测被照射光强，其交替频率大于或等于30Hz，且检测时间应占到较小的部分，从而利用人眼的余晖效应，不影响显示功能的使用。

本实施进行测试过程中，因强光环境和暗环境检测信号差别大，且基本无杂波，因此控制LED点阵屏显示不同图像的稳定性较好，灵敏度高，检测频率约为50Hz，不存在人眼观测的闪烁现象，不影响正常显示功能使用。

本发明利用发光LED本身的光伏效应，无需其他任何传感器(比如光电二极管)就可实现LED点阵屏显示和控制功能一体化，同时不改变LED点阵屏的外观和其他功能，能够和其他同类LED点阵屏配合使用，具有成本低、结构简单、适用范围广，可用于大屏幕LED点阵屏显示和交互场合。

本发明包括但不限于上述LED矩阵，还可以在各种利用LED构成成像屏幕像素的显示装置上使用。并可以利用多组LED屏幕模块采用该方法并行显示和进行交互，实现多点输入交互的效果。

Claims (7)

1.一种无传感LED点阵屏显示交互装置，其特征在于：包括强光光源(1)、LED点阵屏(2)和驱动及控制一体化板(3)，强光光源(1)位于LED点阵屏(2)的前方并朝向LED点阵屏(2)，强光光源(1)作为信号源照射LED点阵屏(2)上，LED点阵屏(2)通过LED点阵屏引脚(12)与驱动及控制一体化板(3)的驱动输出引脚(4)连接；LED点阵屏(2)为N×M的全彩LED点阵屏，N和M为大于等于1的正整数，N×M的全彩LED点阵屏包括N只共阳VCC引脚和3×L＝M只共阴R/G/B引脚，L为大于等于1的正整数；每一个RGB三色集成的全彩LED作为单个的像素(11)；

所述的驱动及控制一体化板(3)包括单片机(7)以及分别与单片机(7)相连的驱动输出引脚(4)、VCC端驱动模块(8)、RGB端驱动模块(9)和信号检测放大输入模块(10)，VCC端驱动模块(8)的N只输出引脚连接到驱动输出引脚(4)的N只VCC引脚，RGB端驱动模块(9)的M只R/G/B输出引脚连接到驱动输出引脚(4)的M只R/G/B引脚，LED点阵屏引脚(12)的N只共阳VCC引脚和M只共阴R/G/B引脚分别经驱动输出引脚(4)与对应的VCC端驱动模块(8)的N只输出引脚和RGB端驱动模块(9)的M只R/G/B输出引脚相连；驱动输出引脚(4)的N只VCC引脚同时连接到信号检测放大输入模块(10)，输入信号经信号检测放大输入模块(10)输出到单片机(7)；VCC端驱动模块(8)包括正相三态缓冲器，正相三态缓冲器的N个输入端引脚和使能端引脚均连接到单片机(7)，正相三态缓冲器的N个输出端引脚分别与驱动输出引脚(4)的N只VCC引脚连接，正相三态缓冲器使能端处于低电平状态时，VCC端驱动模块(8)输入端与输出端导通，VCC端驱动模块(8)将来自单片机(7)的控制信号输出至LED点阵屏(2)，正相三态缓冲器的使能端处于高电平状态时，正相三态缓冲器处于高阻状态，从而VCC端驱动模块(8)的输入端与输出端不导通。

2.根据权利要求1所述的一种无传感LED点阵屏显示交互装置，其特征在于：LED点阵屏(2)为N×M的单色LED点阵屏，单色LED点阵屏包括N只共阳VCC引脚和M只共阴引脚，N和M为大于等于1的正整数，每个单色LED作为单个的像素(11)。

3.根据权利要求1所述的一种无传感LED点阵屏显示交互装置，其特征在于：所述驱动及控制一体化板(3)还包括电源接口(6)和数据接口(5)，电源接口(6)与外部电源连接并为该驱动及控制一体化板(3)的各个模块供电，数据接口(5)与外部数据传输接口连接。

4.根据权利要求1所述的一种无传感LED点阵屏显示交互装置，其特征在于：所述的RGB端驱动模块(9)采用与N×M的LED点阵屏(2)相对应的专用驱动芯片或其他通用芯片。

5.应用于权利要求1-4任一所述的一种无传感LED点阵屏显示交互方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1)：在初始无强光光源(1)的照射下，单片机(7)通过数据接口(5)导入程序，单片机(7)从程序中获取初始图像信息，单片机(7)控制VCC端驱动模块(8)中的正相三态缓冲器的使能端处于低电平状态，单片机(7)发出控制信号控制VCC端驱动模块(8)和RGB端驱动模块(9)在LED点阵屏(2)显示初始图像；

步骤2)：强光光源(1)照射在LED点阵屏的一个或多个LED上时，被强光照射的一个或多个LED被导通产生电压，单片机(7)控制VCC端驱动模块(8)中的正相三态缓冲器的使能端处于高电平状态，被导通的LED两端的电压值经驱动输出引脚(4)输入到信号检测放大输入模块(10)进行调理放大后将电压信号输入到单片机(7)，单片机(7)对电压信号进行采样和处理获得控制信号；

步骤3)：单片机(7)控制VCC端驱动模块(8)中的正相三态缓冲器处于低电平状态，将步骤2)单片机(7)获得的控制信号输入至VCC端驱动模块(8)和RGB端驱动模块(9)，在LED点阵屏(2)显示图像一；

步骤4)：强光光源(1)照射在不同的LED上，根据被导通的LED的不同，输入到信号检测放大输入模块(10)经调理放大后的输出信号不同，单片机(7)根据输出信号的不同从而将不同的控制信号输入至VCC端驱动模块(8)和RGB端驱动模块(9)，从而在LED点阵屏(2)显示不同的图像。

6.应用于权利要求5所述的一种无传感LED点阵屏显示交互方法，其特征在于：单片机(7)对电压信号进行采样和处理的方法具体为：设置电压阈值，大于电压阈值的电压信号认为对应的LED上有强光照射，小于电压阈值的电压信号认为对应的LED没有被强光照射。

7.应用于权利要求5所述的一种无传感LED点阵屏显示交互方法，其特征在于：所述的强光光源(1)为激光笔或聚光手电。