创意科技类申报书优秀作品——交互式声光显示屏

目录

摘要 (3)

第一部分研究背景和意义 (5)

第二部分系统概述 (8)

第三部分系统设计与实现 (10)

1.交互式声光显示屏触摸检测原理 (10)

1.1.LED发光二极管光强检测 (10)

1.2.显示屏发光矩阵扫描检测 (13)

2.显示屏控制器 (17)

3.电子琴发声控制器 (19)

第四部分交互式声光显示屏实现功能展示 (21)

第五部分与市场同类产品对比 (28)

第六部分创新点、系统特点、应用价值与市场前景 (29)

1.创新点 (29)

2.系统特点 (29)

3.应用价值 (31)

4.市场前景 (31)

参考文献 (33)

摘要

发光二极管作为一种显示工具，在信息发布、广告、展览展

示、

监测监控等领域得到广泛应用，成为现代信息社会必不可少的信息传播媒介。同时，人们对交互性提出了更高的要求，从而使得具备良好交互性能的LED呈现出巨大的市场需求。

本项目在点阵式LED的基础上，创造性地设计出了一种无需专用传感器的触控LED点阵，加入发声装置实现了一款交互式的声光显示屏，避免了传统触控显示屏的缺点和不足。本项目通过对LED发光二极管的原理和特性进行深入分析和试验验证，发现了光照强度对LED 发光二极管PN结中等效电流源的影响，结合PN 结的结电容可存储和释放电荷的特性，实现了无需专用触摸传感器实现LED屏触摸检测的方法。

本项目设计出的交互式声光显示屏已经完成原型制作并进行了

功能测试，其具有低成本、精度高、可异性装配、多点触控等优点，有较高的应用价值和广泛的市场前景，同时该方法还为新型显示器的研制和生产提供了研究基础。

本研究论文主要针对交互式声光显示屏的工作原理、结构组

成、

硬件和软件设计进行了介绍，并针对其中的关键技术做了详细的分析，最后总结了该系统的创新点和实际应用价值。

关键词：LED；光强传感器；触摸感应

第一部分研究背景和意义

随着电子技术的不断发展，信息展示和发布工具不断丰富，其中LED作为一种显示工具，在信息发布、广告、展览展示、监测监控等领域得到广泛应用，它赋予了多媒体以崭新的面貌，是极富吸引力的全新多媒体设备，成为现代信息社会必不可少的信息传播媒介。现代信息传播中，人们不单单满足于被动地接收信息，往往更加倾向于与信息发布者的交流与互动。因此，人们对LED的交互性提出了更高的要求，从而使得具备良好交互性能的LED呈现出巨大的市场需求。

交互式声光显示屏的触摸检测相比传统的附加机械按键的LED显示屏，具有更好的交互性能和用户体验。在使用触控声光显示屏时，用户接触屏幕上的图形按钮，屏幕上的反馈系统可根据预先设定的程序响应用户请求，借由LED显示屏显示画面制造出生动的影音效果，是目前最简单、方便、自然的一种人机交互方式。

目前，传统的LED 显示屏触摸感应方法有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等几种。矢量压力传感技术触摸屏使用压力传感器检测用户手指的按压位置，因其检测精度较低，已退出历史舞台。红外线技术触摸屏在屏幕四边排布红外发射管和红外接收管，一一对应形成横竖交叉的红外线矩阵，用户在触摸屏幕时，手指就会挡住经过该位置的横竖两条红外线，因而可以判断出触摸点在屏幕的位置。红外线技术触摸屏价格低廉，但其外框易碎，容易产生光干扰，曲面情况下失真；电容技术触摸屏是利用人体的电流感应进行工作，当手指触摸在金属层上时，由于人体电场，用户和触摸屏表面形成以一个耦合电容，对于高频电流来说，电容是直接导体，于是手指从接触点吸走一个很小的电流。这个电流分从触摸屏的四角上的电极中流出，并且流经这四个电极的电流与手指到四角的距离成正比，控制器通过对这四个电流比例的精确计算，得出触摸点的位置。电容技术触摸屏设计构思合理，但其成本较高，不宜应用于大型显示屏。电阻技术触摸屏利用压力感应进行检测，电阻触摸

屏的主要部分是一块与显示器表面非常配合的电阻薄膜屏，这是一种多层的复合薄膜，当手指触摸屏幕时，两层导电层在触摸点位置就有了接触，电阻发生变化，在横竖两个方向上产生信号，从而计算出按压点的位置，电阻触摸屏的定位准确，但其价格颇高，且怕刮易损；表面声波触摸屏利用超声波进行触摸检测，当手指或其它能够吸收或阻挡声波能量的物体触摸屏幕时，声波能量被部分吸收，计算能量缺口位置即得触摸坐标。表面声波触摸屏可以用于第三轴检测，反应灵敏，耐久性好，缺点是仅适用于平面检测，另外屏幕表面如果有水滴和尘土会使触摸屏变的迟钝，甚至不工作。

本项目在点阵式LED显示屏的基础上，创造性地设计出了一种交互式声光显示屏，避免了传统LED触控显示屏的缺点和不足。本项目通过对LED发光二极管的原理和特性进行深入分析和试验验证，发现了光照强度对LED发光二极管PN结中等效电流源的影响，结合PN结的结电容可存储和释放电荷的特性，实现了基于PN结感光效应实现LED 屏触摸检测的方法。

相比传统的触控显示屏，本项目制作的交互式声光显示屏由LED 发光二极管按照矩阵形式排列组成，每一个LED发光二极管本身即可以作为发光点又可以作为触摸感应点，无需附加任何其他类型的触摸传感器，极大地降低了成本；可以实现点对点的检测，分辨率高；无需在LED显示屏表面安装触摸屏，因此不会对显示屏的清晰度和透光率产生任何影响；LED发光二极管矩阵可以进行曲面安装，适用于各种异型表面；不受温度、湿度等环境因素影响，寿命长，无需专门维护；没有漂移，安装和使用过程中无需校正；每个触摸感应点均独立工作，可以实现任意多点的多点触控功能等。

本项目制作的交互式声光显示屏有较高的应用价值和广泛的市

场前景，同时该方法还为新型显示器的研制和生产提供了研究基础。

第二部分系统概述

根据交互式声光显示屏的工作原理和功能的具体要求，将交互式声光显示屏分为LED触摸显示矩阵、系统逻辑控制器、电子琴发声控

制器三部分组成，如图1所示。

LED

LED触摸显示矩阵由LED发光二极管按照特定的排列构成，在本系统中 LED 发光二极管矩阵不仅可以通过二极管的亮灭显示图像图像，还能作为触摸感应装置。此外，本项目设计实现的交互式声光显示屏对LED发光二极管无特殊要求。

系统逻辑控制器使用STM32单片机作为控制核心，其主要功能是根据LED矩阵传输回来的触控点数据，以特定逻辑控制LED矩阵中每个LED发光二极管的亮度，实现图像显示，并向“电子琴发生控制器” 发送声音数据，控制其产生相应旋律。触控点数据的采集是利用LED 发光二极管中PN结的结电容和等效电流源感光特性进行触摸感应。显示屏控制器是本系统的关键部分和创新点所在。

电子琴发声控制器根据系统主控制器传输过来的特定格式的数据，进行和弦运算，使用stm32单片机控制DAC输出波形发出声音。

系统各部分设计方案将在本论文其他部分进行详细介绍。

第三部分系统设计与实现

1.交互式声光显示屏触摸检测原理

本项目基于PN结感光效应的交互式声光显示屏系统的主要创新点就是仅使用LED发光二极管即可同时实现发光显示和触摸检测，其中触摸检测的基本原理和实现方法是本系统研究的关键问题。对于

LED矩阵，当用户手指触摸某个LED发光二极管时，手指遮挡会阻断环境光线对该发光二极管PN结的照射，因此触摸检测可以通过测量PN结接收到的光照强度的方式来实现。

1.1.LED发光二极管光强检测

LED由于其低成本，低功耗，高的转换效率，体积小等优势已经广泛的应用于照明、装饰、指示等各个方面。LED 发光是通过在 PN 结两端加上正向偏置电压，使得载流子在正向电压的作用下，自由电子从高能级跃迁到低能级，在耗尽区发生载流子复合，复合过程中一部分能量以光的形式释放出来，从而完成LED的发光。另外一个方面，由于

LED的主要结构为PN结，因此，基于PN结的特性，在仅有外界光照的情况下，LED两端由于光伏效应也能够形成一定的电势差。因此，LED既可用作光源进行照明，也用作探测器对光强进行探测。

在将LED 用作探测器方面，将LED 等效成为一个电流源与电容的并联形式，如图2所示。当受到外界光照的情况下，光照强度的不同将影响电容放电的速度，因此能够较好的得到光照强度的信息。

图2

LED等效电路图

在将LED作为探测的具体过程当中，首先，利用逻辑的高低

电平对LED进行反向充电，电荷将通过LED内部的电容进行保持，如图3 所示.

图3

单个LED 作为探测器的充电操作

然后,将反向端置成高阻状态，LED 中的电容开始放电，如图4 所示.

图4 单个LED 作为探测器的放电操作

由于有光生电流源与电容并联，因此，完全放电的时间收到光照强度的影响，具体关系为：

其中 为光生电流的大小，C 为电容的大小，Vcc 为外加的偏置电压大小，因此，光照越强，光生电流越大，放电速度越快。

随后向 LED 加上正向电压，LED 开始发光，单个 LED 作为探测器的发光操作如图 5所示。

图5 单个LED 作为探测器的发光操作

1.2. 显示屏发光矩阵扫描检测

以上部分研究了使用单个 LED 发光二极管来实现光强检测和发光

的分时复用原理，但本项目LED 显示器中需要使用由多个LED

发光二

为随时间变化的电势情况，

极管按照特定排列构成的阵列，此时不能够对每一个LED都使用单独的I/O口线进行控制和检测，而应当采用行列扫描的方法来实现。

常用的LED矩阵的结构图如图6所示。每一行LED的阴极都连接

在一起，每一列LED的阳极都连接在一起。在作为显示功能使用时，通常先使得某一个公共的阳极（或阴极）为高（低）电平，然后在阴极(或阳极)上加上这一列(行)需要显示的信号，然后再快速切换到另外一列继续扫描。虽然LED矩阵每次只能显示一列(行)的信息，但是当扫描速度很快时，看到的就是一屏完整的图像。

图6 LED 点阵模块示意图

在本项目中，难点在于在实现行列扫描显示的同时实现光强的检测。与上文中提到的单个LED 的光强思路基本相同,只是需要同时兼顾行列扫描和显示功能。扫描一列的基本流程如下：

①选择某一列（阳极），使其为低电平，此时将阳极的其它列设置为输入高阻态以防止干扰；

②将所有行（阴极）均置为高电平，此时被选中的一列进行反向充电，并适当延时；

③将所有行置为输入高阻状态，并读取电压（反映外部光强）；④

将选择的一列（阳极）置为高电平；

⑤在阴极根据该列需要显示的图像点亮相应的LED，并适当延时；

⑥切换到下一列继续扫描。

在读取光强的值时，如果采用检测管脚上的电压变成低电平的方法，那么对于不同的光强需要延时等待的时间也不同。为了能够保证显示时有一个恒定的扫描频率，在本项目中采用了AD转换器读取放电电

压的方法来探测LED上的电压大小。当对LED进行反向充电充满后，由于光照不同其放电曲线也不同，当光照强时放电速度快，光照弱时放电速度慢。如果我们在放电开始后的一个固定时间后采集LED 上的电压，电压的大小就能够反映LED上的光照强度。电压越大，光照越弱；电压越小，光照就越强。

图7 放电电压与时间的关系

应用以上原理，将LED组成点阵后，可通过检测整个点阵中每个点的光强来判断触摸位置。若使用自然光作为光源，自然光随环境因素变化大，光照强度可能不满足触摸检测要求。为解决这一问题，本项目

采用LED发光二极管点阵自发光的方案，检测时，只熄灭LED发光二极管点阵中需要检测光强的LED，其余LED处于点亮状态，当触摸时，检测光强的LED发光二极管周围的LED发光二极管发光，光线通过手指反射到检测光强的LED发光二极管，这样循环检测点阵中的每一个点，这样就可以通过LED发光二极管点阵自发光产生光源，实现触摸检测。

2.显示屏控制器

精确计量LED发光二极管中PN结接收到的光照的强度，进而计算手指触摸位置，需要使用AD转换器测量出LED发光二极管PN结的反向电压。在本项目中，选取带有AD转换器的STM32单片机作为LED 屏控制器的核心。

图8 LED显示屏控制器结构框图

本项目设计的显示屏采用24*24彩色点阵的LED矩阵作为显示和触摸检测单元，因LED发光二极管个数较多，并考虑到系统扩展的需求，采用分区域控制的思想，由四个STM32单片机作为控制器的从机分别控制4*4点阵，一个STM32单片机作为控制器的主机。从机采集到的触摸数据传输到主机进行统一的处理和编码，主机将需要显示的数据分块后发送给从机分别进行显示，从机和主机之间使用I2C总线进行通信。显示屏控制器结构如图8

所示。显示屏控制器的硬件电路主要由电源模块、USB和串口通信模块、

Flash存储模块、主机和从机单片机最小系统等部分构成。本项目制作的显示屏控制器电路板如图9所示。

图9 LED显示屏控制器电路板

LED各显示模块间相对独立，其中4*4为最小通信单元，每个通信单元都将把自己采集的数据经I2C传输给通信主机，并由主机进行相应运算，控制发声及显示系统工作。

3.电子琴发声控制器

在LED触控数据由系统主控制器传输过来后，电子琴发声控制器将进行相应运算。其中在stm32单片机的flash中预先存储16个音节的数据，每个音节时长2秒，数据格式为4K采样率单声道。当接收到

制定发声指令后，将16个音节的波形数据进行延时叠加运算，模拟和弦效果，并将计算后的数据经DMA直接发送到DAC数据地址，由两路DAC同时发声。其发声模式分为两种。

1.单一播放模式

在此模式下，两路DAC同时刻播放相同波形数据，并仅播放一

次。

用于本作品的“钢琴”模式下。

2.循环播放模式

在此模式下，系统主控制器将传输12x12的矩阵数据，其中每一行的发声频率相同，但发声时刻依次延后1/6秒；每一列数据的发声时刻相同，发声频率递增。以此构成“音乐矩阵”模式。此模式，将根据当前被按下的点，循环发声，从而使得无论按下点的位置如何，都能形成美妙的音乐旋律。此模式中，两路DAC发出的波形相位相差

500ms。

3.游戏配乐模式