數字電路控制的單像素矩陣黑板

于穆涵(北方交通大學附屬中學,北京 100081)

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數字電路控制的單像素矩陣黑板

于穆涵*
(北方交通大學附屬中學,北京 100081)

【摘 要】文章介紹了我國黑板、白板以及電子黑白版發展的現狀,分析了電子黑板、電子白板、投影機或單片機控制的LED黑板等現有技術,設計了基于邏輯運算及或與非門電路功能的單像素矩陣黑板。不僅能用于學校教育,還能用于各種體育比賽的信息提示牌、各種市場的商品信息和價格展示牌、公共場所的指路牌等,使書寫更為便捷、環保和節能。

【關鍵詞】LED矩陣 電子黑板 門電路控制 可印刷 低成本

1 項目背景及目的

1.1 引言

在我們的日常課堂學習中,老師講課經常使用粉筆在黑板上書寫板書,粉筆書寫會產生許多粉塵,污染環境,不利于身體健康;多媒體觸摸屏離不開電腦,教師在觸屏上即時書寫也不是很方便好用,同時在觀看者的角度投影機電屏黑板面積小、對比度較低、光線直射和電子屏幕的反射都會直接或間接地影響學生的視力,不利于營造學生的學習環境。

總之,需要對現在的黑板采取創新性改革,那么如何來解決這個問題呢？這啟發我們設計和制作一個無電腦控制、方便書寫的電子黑板。

1.2 項目背景

在努力尋求解決方案的過程中,我們注意到城市主路上的交通信息提示屏和學校內的電子顯示屏,它們都是利用LED矩陣方式顯示信息的。同時,在物理課和電子課當中我們接觸到了數字電路控制,這些知識啟發我們采用LED矩陣來實現顯示,通過書寫筆、擦除器等控制矩陣LED點亮或熄滅。

1.2.1 目前黑板現狀

最早在文字發明前,人類發現可以用木炭作畫。在歐洲的巖洞中發現過一些古代的壁畫,畫著壁畫的巖壁從廣義的角度來說已經可以稱作“黑板”。 教育的歷史有幾千年,但黑板的發明,到今天也就兩百多年的歷史[1],黑板從最早的用黑色涂料涂抹在木板,水泥等堅硬物體表面,到九十年代的水磨玻璃,彩涂鋼板,復合材料板....見證了世界教育事業的一步步發展,為人類傳播知識,普及教育,立下了汗馬功勞。

目前在中國廣泛使用的是以墨綠色為底色,使用粉筆書寫的新型黑板,但是這種相對“先進”的黑板對教師的健康影響也是不可忽視的[2]。教師在課堂上經常需要在黑板上書寫、繪圖和講解。在40分鐘以上的一節課里,就要擦寫數次。下課時,往往在手上、袖子上,甚至頭發、肩膀上都留下一層白色粉筆灰。天天如此,年復一年,工作20～30年后,消磨了數以萬計的粉筆。盡管目前使用的是所謂對人無害的石膏粉筆,但是每天生活在粉筆灰中的老師仍然會有鼻、咽、喉等部位的不適。

1.2.2 目前白板現狀

白板是通常白色的金屬板材料制的書寫平面。白板的作用與黑板類似,是一種可反復擦寫的書寫工具。

白板目前存在的問題主要是維護困難[3]。書寫需要使用專用的白板筆,如果使用劣質的白板筆會導致無法徹底擦出,在白板上留下痕跡,天長日久會影響白板的整體效果;使用過程中的磕碰或積灰如果處理不當也會對白板的壽命造成極大的影響。另外,白板書寫過程中使用的白板筆內含有有機溶劑,有機溶劑揮發后不可避免的會被人體吸入,久而久之必然會對身體健康產生不利影響。

1.2.3 目前電子黑板現狀

目前的電阻屏和電容屏的結構復雜,價格昂貴。根據我們的調查,現在學校應用的投影儀白板、電子觸摸屏黑板價格都在萬元以上,并且書寫繁瑣;電腦觸屏需要計算機,使用不便,成本很高,不便于推廣,不適合用于學校教育。同時電子黑板面積小、亮度與環境作業對比度較大,極易引起視力疲勞;光線直射和電子屏幕的反射都會直接或間接地影響學生的視力,不利于營造學生的學習環境。

我國低視力近千萬人,尤其是在兒童及青少年當中,患病率極高。全國學生體質健康調研最新數據表明,我國小學生近視眼發病率為22.78%,中學生為55.22%,高中生為70.34%[4]。這幾數字令人震驚,也對我們中學生敲響了預防近視的警鐘。

1.2.4 目前電子白板現狀

投影與屏幕分離,不便于老師的使用,且投影不清晰,學生很難分辨。而且媒體的選擇是根據教學的需要而定,適用于教師教學的媒體才是需要的。目前,許多教師沒有把交互式電子白板當成黑板那樣使用,而是把它復雜化為課件操作。總是花費大量時間提前做好電子白板課件,把情境提前輸入到電子白板中,課堂上還是忙于操作課件。這樣,教師們就從過去的黑板教學下課件操作的奴隸轉變為電子白板教學下的課件操作奴隸[5],電子白板沒有讓教師從課件編輯、制作、操作中解放出來。

在光明教育網對樂山市使用的電子白板對視力的影響當中:12所學校電子白板覆蓋率達80%,37個教學班,學生1999人。在最終形成的調查匯總表顯示,平均每節課運用電子白板的時間為20分鐘,平均近視率約20%。

1.2.5 目前投影儀現狀

(1)CRT投影機。CRT是英文Cathode Ray Tube的縮寫,譯作陰極射線管。作為成像器件,它是實現最早、應用最為廣泛的一種顯示技術。這種投影機可把輸入信號源分解成R(紅)、G(綠)B(藍)三個CRT管的熒光屏上,熒光粉在高壓作用下發光系統放大、會聚、在大屏幕上顯示出彩色圖像。光學系統與RT管組成投影管,通常所說的三槍投影機就是由三個投影管組成的投影機,由于使用內光源,也叫主動式投影方式。CRT技術成熟,顯示的圖像色彩豐富,還原性好,具有豐富的幾何失真調整能力[6];但其重要技術指標圖像分辨率與亮度相互制約,直接影響CRT投影機的亮度值,到目前為止,其亮度值始終徘徊在300流明以下。另外CRT投影機操作復雜,特別是會聚調整繁瑣,機身體積大,只適合安裝于環境光較弱、相對固定的場所,不宜搬動。

(2)LCD投影機。LCD投影機是液晶技術、照明科技以及集成電路的發展帶來的高科技產物。其關鍵技術是液晶板的制造。LCD投影機利用液晶的光電效應,即液晶分子的排列在電場作用下發生變化,影響其液晶單元的透光率或反射率,從而影響它的光學性質,產生具有不同灰度層次及顏色的圖像。現在的LCD投影機最高支持分辨率可以達到1600×1200(UXGA),使用時間可以延長至8小時以上,具有很高的亮度和高保真的圖像色彩,可以方便地接入各種視頻信號。它們體積小巧,重量輕,便于攜帶。LCD投影是目前市場的主流,特別是3LCD的實現,使其競爭力大大加強。與后起之秀DLP投影相比,LCD投影更為成熟一些。

(3)DLP投影機。數碼光處理投影機是美國德州儀器公司以數字微鏡裝置 DMD芯片作為成像器件,通過調節反射光實現投射圖像的一種投影技術。它與液晶投影機有很大的不同,它的成像是通過成千上萬個微小的鏡片反射光線來實現的。DLP投影也是市場的主流之一,經過多年的發展,目前已幾乎跟LCD投影分庭抗禮。而在DLP投影機中,又分單片DLP投影機、兩片DLP投影機和三片DLP投影機,盡管三片DLP投影機優勢明顯,但高昂的價格阻礙了其市場表現。需要說明的是,DLP投影機的色域比較狹小。

(4)LCOS投影機。LCOS投影機是技術成本最低廉的機型,但目前還算新生事物。制約LCOS投影發展的除了價格因素,還有其對比度較低,便攜性較差等。

2 研究過程

作為一個有著廣泛應用背景的研究領域,基于邏輯電路中邏輯代數的運算[7],成為本項目選題的依據。研究過程確定如下:

查閱各種文獻資料,找出不同于電子黑板、電子白板、投影機或單片機控制的LED黑板等現有技術的解決方案。解決方案如下:

2.1 單片機控制電子黑板

表1

表2

表3

因為單片機的可編程屬性,可以簡化我們的設計步驟,所以最初我們選擇了用單片機作為電子黑板的控制核心。

運用單片機制作的方案原理如圖1。

D1-D8是光線輸入傳感器,圖中是利用二極管方向特性測出光線強度,判斷是否有信號輸入;

D9-D16是LED發光管,用做顯示;

U1是單片機;通過AD轉換檢測D1-D8的輸入電壓,判斷是否有光線照射到,如有,則判斷對應的LED發光管是否點亮?如沒有,則點亮,如已點亮,則關閉;

采用輪流查詢的方式,檢查個單元,流程如圖2。

單片機技術并不是最基礎的控制技術,在產品的制作過程中無法大規模進行印刷[8];單片機控制的成本也遠遠高于使用芯片控制的成本。隨著黑板像素數量的提高,所需要的單片機數量迅速增加,成本也隨之大幅增加。可見單片機控制并不能滿足我們所設想的大規模生產的要求,所以我們放棄了使用單片機控制的方案。

2.2 555芯片控制電子黑板

在放棄了單片機控制的方案后,我們轉向了使用555計時器控制的方案,其簡單原理如圖3。

這個是基于555 IC芯片的雙穩態控制電路。

QS1 R1 555 IC的第2腳組成清除觸發電路;

QS2 R2 555 IC的第6腳組成觸發LED的點亮電路;

下面的按鍵用做清除功能;

當QS2接收到觸發信號后,TLC555輸出低信號,LED指示燈點亮;

555芯片控制已經比單片機控制有所簡化,也達到了單像素控制的目標。但是555芯片的價格仍然偏高,不利于大規模產品的生產,所以555芯片的控制電路依然不能為我們所使用。

2.3 T觸發器控制電子黑板

在555芯片后,單像素控制的電路已經得到了驗證,但是成本依然需要降低。而觸發器芯片的價格相比于555芯片要便宜得多,故我們繼續對基于觸發器控制的電路進行設計。

觸發器工作方案的想法如下:

因為T觸發器具有高電平反轉的特性,符合我們對控制電路的要求,所以選用T觸發器作為主要的觸發器。

表1為本作品真值表。S表示控制擦寫狀態的開關,1表示黑板處于寫狀態,只可寫不可擦;T表示紅外光敏二極管,0表示無信號(筆沒有觸碰到黑板進行操作),1表示有信號(筆觸碰黑板進行擦或寫操作);Qn表示發光二極管的初狀態,0代表初狀態熄滅,1代表初狀態點亮。Qn+1表示發光二極管的末狀態,0代表末狀態熄滅,1代表末狀態點亮。

利用真值表我們找到了與T觸發器工作不同的兩種情況,在這兩種情況下,T觸發器不工作。T觸發器不工作也就意味著在這些情況下需要停止觸發器的工作,以免影響到控制電路的正常使用。我們設計使用74LS157數據選擇器作為T觸發器的開關控制其工作與否。

由于沒有專用T觸發器芯片,我們采用將JK觸發器兩個輸入端相連的方式實現T觸發器功能。最終我們設計出利用74LS157數據選擇器作為開關、74LS107 JK觸發器、74LS00與非門芯片進行控制的像素點。

但是,該種方法使用了過多種類的元件不利于大規模印刷制作;JK觸發器需要外接信號源作為時鐘信號才能正常工作,增加了成本。由于此時完整的真值表已經寫出,通過簡化可以用門電路實現所有功能,最終我們放棄了觸發器實現控制功能而采用最基礎的門電路方法進行控制。

2.4 門電路控制電子黑板

經歷了以上的多種方法嘗試后,最終采用的方法是利用與非門電路實現功能,具體實現方法將在下一章進行說明。

2.5 所做的工作

(1)利用LED矩陣方式顯示信息。

(2)讓LED的顯示滿足人們常規的書寫和擦除習慣,問題轉化為LED的點亮和熄滅與人們的書寫和擦除兩種動作相聯系,對應書寫的粉筆和擦除的板擦,需要兩個物體或兩種方式完成電子黑板上的書寫和擦除。

(3)借助邏輯運算與復合邏輯關系、真值表等,反演化簡,由邏輯式畫出邏輯圖。

(4)利用單片機、555芯片、觸發器、門電路等多種方式實現了LED矩陣黑板的控制;利用555芯片、觸發器、門電路等方法實現了矩陣黑板的單像素控制。

3 單像素矩陣黑板的實現

簡單的原理為:每一個發光點的控制是由書寫筆、擦除器利用電子元器件或門電路的組成的具有邏輯功能的電路,借助電平高低邏輯狀態實現LED驅動電路的通和斷,從而實現該點的發光與否的控制,書寫筆劃過,LED發光,書寫筆寫字或畫圖,黑板上就會留下由發光LED構成的文字或圖形。擦除器劃過,LED關閉,黑板上的文字或圖形消失,從而制作出創新矩陣黑板。使用者只需通過開閉開關,選擇手中書寫筆擦除器的狀態即可通過LED亮滅在單像素矩陣黑板上書寫擦除,非常方便。

同時,由于利用與非門等底層基礎電子元器件控制每一個像素,這樣單像素矩陣黑板可以實現大面積印制。

3.1 書寫筆和擦除器的設計

書寫筆和擦除器選用的均為非可見光紅外波段的發光二極管,與之對應的是相應的非可見光接收二極管。可見光發光管和接受管容易受到環境光線影響,導致黑板出現不可寫或不可擦等問題,所以選用非可見光的紅外波段對管。目前實現的只有單點寫入和單點擦除功能,將來會設計出面寫入或面擦除的工具。

3.2 邏輯運算及或與非門電路

本項目用到了邏輯“與非”。只有當決定事物結果的所有條件全部具備時,結果才會發生,這種邏輯關系稱為與邏輯關系[9];結果總是和條件呈相反狀態,這種邏輯關系稱為非邏輯。設低電平為“0”,高電平為“1”。若輸入“0”和“1”,輸出“0”;輸入“0”和“0”,輸出“0”;輸入“1”和“1”,輸出“1”,則為與邏輯關系。若輸入“0”,輸出“1”;輸入“1”,輸出“0”,則為非邏輯。與邏輯和非邏輯是邏輯代數中的基本運算, 與非是復合邏輯關系。與非邏輯的表達式為，,邏輯運算規律為有0得1,全1得0。我們利用了這種邏輯運算,實現了單像素矩陣黑板。

表2為本作品真值表。S表示控制擦寫狀態的開關,1表示黑板處于寫狀態,只可寫不可擦;T表示紅外光敏二極管,0表示無信號(筆沒有觸碰到黑板進行操作),1表示有信號(筆觸碰黑板進行擦或寫操作);Qn表示發光二極管的初狀態,0代表初狀態熄滅,1代表初狀態點亮。Qn+1表示發光二極管的末狀態,0代表末狀態熄滅,1代表末狀態點亮。

我們依然沿用了在設計觸發器時所寫出的真值表。通過該表可以做出該邏輯功能的卡諾表3。

利用卡諾表3方式化簡,可將邏輯表達式寫為:

為了簡化電路設計,盡可能少的使用元件種類,所以我們通過反演定理將邏輯化簡為僅有與非門的形式。

反演定理為

則有

3.3 電路圖

圖4中S1為擦寫開關,斷開時為擦狀態,導通時為寫狀態;U1為74LS00N,4路雙輸入與非門,作為電路的運算控制部分;D1為紅外波段光敏二極管,檢測“粉筆”的是否寫入狀態;LED1為發光二極管,是黑板的顯示功能;Vcc為5V直流電壓源,實驗用采用4節5號充電電池代替。

4 本項目的特點和創新點

如今,印刷電路板技術已經日益成熟,更大程度上簡化了電子黑板的印制過程,降低了制作成本,提升了數字電路控制的單像素矩陣黑板的創新價值。本項目在制作過程中下列幾個方面具有一定的特點:

(1)單像素矩陣黑板由LED、光敏管等基礎電子元器件組成,結構簡單價格低廉,便于制造,工作穩定;

(2)在損壞時只會損壞一個點陣點,對整體無大影響;

(3)LED發光二極管選取毛玻璃外罩,減小對眼睛的損傷,且可視角度大;

(4)與普通黑板和白板相比,沒有了粉塵及白板筆墨水對人的健康的影響,且易擦除;

(5)與電子黑板、電子白板、投影儀相比,不需要計算機,無對比度問題,使用簡單方便,且任何人都可以使用,使老師不再是黑板的奴隸;

(6)LED發光二極管采用直流供電,不會產生頻閃效應,對保護視力有利;

(7)成本很低,便于推廣;

(8)可以實現印刷。

印刷電路的好處是不用在電路板上一次一次地進行焊接,免去了大量復雜的手工接線操作[10],而且能達到高精度,使電路板的生產效率大大提高。印刷業可以將大的圖片縮小制版,印刷電路同樣也可以把電子線路圖縮小制版,從而為集成電路的產生準備了條件。

印刷電路是把導體圖形用印制手段蝕刻或感光在一塊絕緣基板上,是使電子元件互相連接的一種電子電路。它已經可以使用自動繪圖儀迅速地把導體圖形直接描繪在玻璃版上制版,然后印刷出來。印刷電路使電子設備的批量生產變得簡單易行,使電子黑板性能一致,質量穩定,結構緊湊。

5 設計不足點

(1)在顏色方面只實現了單色書寫;

(2)在使用的過程中會耗費電能;

(3)由于單像素矩陣黑板由單像素矩陣組成,無法顯示圖像;

(4)無法保存在單像素矩陣黑板所書寫的字符。

6 應用情形

門電路單像素控制電子黑板的出現顛覆了傳統黑板、白板、投影機等現有技術的形式,實現了黑板的革命。

門電路單像素控制電子黑板不僅能用于學校教育,還能用于其他很多場所,如:各種體育比賽的信息提示牌、各種市場的商品信息和價格展示牌、公共場所的指路牌等。大規模電路印刷技術的實現使得成本大大降低,為構建節約型社會做出了貢獻。

7 致謝

在項目活動過程中,我的收獲不僅僅是知識層面的,也是無法完全用語言能夠描述的。在項目的研究制作期間,從項目選題、方案設計、研究與實驗到研究報告的撰寫都得到了祖浩東老師、沈其中老師和張明堯老師的辛勤教誨和耐心指導,在此向所有指導我幫助我的老師們致以崇高的敬意和感謝！導師嚴謹的治學態度和勤奮的工作作風深深地感染了我,是我學習的榜樣,對我今后的學習、生活帶來有益而深遠的影響。

參考文獻:

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[7]閻石.數字電子技術基礎[M] 第四版.高等教育出版社.

[8]方佩敏.單片機技術及其在家用電器中的應用[J].《電子世界》, 1998,(01).

[9]王永昌.簡單邏輯電路輔導[J].數理化學習,2013,(11).

[10]留明.電器[M].遠方出版社,2004.09.

指導老師:祖浩東,沈其中,張明堯。

作者簡介:于穆涵(1998—),女,北京人,北方交通大學附屬中學在校學生,校機器人社團主要成員,多次參加北京市及全國機器人比賽并獲獎。