数字电路控制的单像素矩阵黑板

于穆涵(北方交通大学附属中学,北京 100081)



数字电路控制的单像素矩阵黑板

于穆涵*
(北方交通大学附属中学,北京 100081)

【摘 要】文章介绍了我国黑板、白板以及电子黑白版发展的现状,分析了电子黑板、电子白板、投影机或单片机控制的LED黑板等现有技术,设计了基于逻辑运算及或与非门电路功能的单像素矩阵黑板。不仅能用于学校教育,还能用于各种体育比赛的信息提示牌、各种市场的商品信息和价格展示牌、公共场所的指路牌等,使书写更为便捷、环保和节能。

【关键词】LED矩阵 电子黑板 门电路控制 可印刷 低成本

1 项目背景及目的

1.1 引言

在我们的日常课堂学习中,老师讲课经常使用粉笔在黑板上书写板书,粉笔书写会产生许多粉尘,污染环境,不利于身体健康;多媒体触摸屏离不开电脑,教师在触屏上即时书写也不是很方便好用,同时在观看者的角度投影机电屏黑板面积小、对比度较低、光线直射和电子屏幕的反射都会直接或间接地影响学生的视力,不利于营造学生的学习环境。

总之,需要对现在的黑板采取创新性改革,那么如何来解决这个问题呢？这启发我们设计和制作一个无电脑控制、方便书写的电子黑板。

1.2 项目背景

在努力寻求解决方案的过程中,我们注意到城市主路上的交通信息提示屏和学校内的电子显示屏,它们都是利用LED矩阵方式显示信息的。同时,在物理课和电子课当中我们接触到了数字电路控制,这些知识启发我们采用LED矩阵来实现显示,通过书写笔、擦除器等控制矩阵LED点亮或熄灭。

1.2.1 目前黑板现状

最早在文字发明前,人类发现可以用木炭作画。在欧洲的岩洞中发现过一些古代的壁画,画着壁画的岩壁从广义的角度来说已经可以称作“黑板”。 教育的历史有几千年,但黑板的发明,到今天也就两百多年的历史[1],黑板从最早的用黑色涂料涂抹在木板,水泥等坚硬物体表面,到九十年代的水磨玻璃,彩涂钢板,复合材料板....见证了世界教育事业的一步步发展,为人类传播知识,普及教育,立下了汗马功劳。

目前在中国广泛使用的是以墨绿色为底色,使用粉笔书写的新型黑板,但是这种相对“先进”的黑板对教师的健康影响也是不可忽视的[2]。教师在课堂上经常需要在黑板上书写、绘图和讲解。在40分钟以上的一节课里,就要擦写数次。下课时,往往在手上、袖子上,甚至头发、肩膀上都留下一层白色粉笔灰。天天如此,年复一年,工作20～30年后,消磨了数以万计的粉笔。尽管目前使用的是所谓对人无害的石膏粉笔,但是每天生活在粉笔灰中的老师仍然会有鼻、咽、喉等部位的不适。

1.2.2 目前白板现状

白板是通常白色的金属板材料制的书写平面。白板的作用与黑板类似,是一种可反复擦写的书写工具。

白板目前存在的问题主要是维护困难[3]。书写需要使用专用的白板笔,如果使用劣质的白板笔会导致无法彻底擦出,在白板上留下痕迹,天长日久会影响白板的整体效果;使用过程中的磕碰或积灰如果处理不当也会对白板的寿命造成极大的影响。另外,白板书写过程中使用的白板笔内含有有机溶剂,有机溶剂挥发后不可避免的会被人体吸入,久而久之必然会对身体健康产生不利影响。

1.2.3 目前电子黑板现状

目前的电阻屏和电容屏的结构复杂,价格昂贵。根据我们的调查,现在学校应用的投影仪白板、电子触摸屏黑板价格都在万元以上,并且书写繁琐;电脑触屏需要计算机,使用不便,成本很高,不便于推广,不适合用于学校教育。同时电子黑板面积小、亮度与环境作业对比度较大,极易引起视力疲劳;光线直射和电子屏幕的反射都会直接或间接地影响学生的视力,不利于营造学生的学习环境。

我国低视力近千万人,尤其是在儿童及青少年当中,患病率极高。全国学生体质健康调研最新数据表明,我国小学生近视眼发病率为22.78%,中学生为55.22%,高中生为70.34%[4]。这几数字令人震惊,也对我们中学生敲响了预防近视的警钟。

1.2.4 目前电子白板现状

投影与屏幕分离,不便于老师的使用,且投影不清晰,学生很难分辨。而且媒体的选择是根据教学的需要而定,适用于教师教学的媒体才是需要的。目前,许多教师没有把交互式电子白板当成黑板那样使用,而是把它复杂化为课件操作。总是花费大量时间提前做好电子白板课件,把情境提前输入到电子白板中,课堂上还是忙于操作课件。这样,教师们就从过去的黑板教学下课件操作的奴隶转变为电子白板教学下的课件操作奴隶[5],电子白板没有让教师从课件编辑、制作、操作中解放出来。

在光明教育网对乐山市使用的电子白板对视力的影响当中:12所学校电子白板覆盖率达80%,37个教学班,学生1999人。在最终形成的调查汇总表显示,平均每节课运用电子白板的时间为20分钟,平均近视率约20%。

1.2.5 目前投影仪现状

(1)CRT投影机。CRT是英文Cathode Ray Tube的缩写,译作阴极射线管。作为成像器件,它是实现最早、应用最为广泛的一种显示技术。这种投影机可把输入信号源分解成R(红)、G(绿)B(蓝)三个CRT管的荧光屏上,荧光粉在高压作用下发光系统放大、会聚、在大屏幕上显示出彩色图像。光学系统与RT管组成投影管,通常所说的三枪投影机就是由三个投影管组成的投影机,由于使用内光源,也叫主动式投影方式。CRT技术成熟,显示的图像色彩丰富,还原性好,具有丰富的几何失真调整能力[6];但其重要技术指标图像分辨率与亮度相互制约,直接影响CRT投影机的亮度值,到目前为止,其亮度值始终徘徊在300流明以下。另外CRT投影机操作复杂,特别是会聚调整繁琐,机身体积大,只适合安装于环境光较弱、相对固定的场所,不宜搬动。

(2)LCD投影机。LCD投影机是液晶技术、照明科技以及集成电路的发展带来的高科技产物。其关键技术是液晶板的制造。LCD投影机利用液晶的光电效应,即液晶分子的排列在电场作用下发生变化,影响其液晶单元的透光率或反射率,从而影响它的光学性质,产生具有不同灰度层次及颜色的图像。现在的LCD投影机最高支持分辨率可以达到1600×1200(UXGA),使用时间可以延长至8小时以上,具有很高的亮度和高保真的图像色彩,可以方便地接入各种视频信号。它们体积小巧,重量轻,便于携带。LCD投影是目前市场的主流,特别是3LCD的实现,使其竞争力大大加强。与后起之秀DLP投影相比,LCD投影更为成熟一些。

(3)DLP投影机。数码光处理投影机是美国德州仪器公司以数字微镜装置 DMD芯片作为成像器件,通过调节反射光实现投射图像的一种投影技术。它与液晶投影机有很大的不同,它的成像是通过成千上万个微小的镜片反射光线来实现的。DLP投影也是市场的主流之一,经过多年的发展,目前已几乎跟LCD投影分庭抗礼。而在DLP投影机中,又分单片DLP投影机、两片DLP投影机和三片DLP投影机,尽管三片DLP投影机优势明显,但高昂的价格阻碍了其市场表现。需要说明的是,DLP投影机的色域比较狭小。

(4)LCOS投影机。LCOS投影机是技术成本最低廉的机型,但目前还算新生事物。制约LCOS投影发展的除了价格因素,还有其对比度较低,便携性较差等。

2 研究过程

作为一个有着广泛应用背景的研究领域,基于逻辑电路中逻辑代数的运算[7],成为本项目选题的依据。研究过程确定如下:

查阅各种文献资料,找出不同于电子黑板、电子白板、投影机或单片机控制的LED黑板等现有技术的解决方案。解决方案如下:

2.1 单片机控制电子黑板

表1

表2

表3

因为单片机的可编程属性,可以简化我们的设计步骤,所以最初我们选择了用单片机作为电子黑板的控制核心。

运用单片机制作的方案原理如图1。

D1-D8是光线输入传感器,图中是利用二极管方向特性测出光线强度,判断是否有信号输入;

D9-D16是LED发光管,用做显示;

U1是单片机;通过AD转换检测D1-D8的输入电压,判断是否有光线照射到,如有,则判断对应的LED发光管是否点亮?如没有,则点亮,如已点亮,则关闭;

采用轮流查询的方式,检查个单元,流程如图2。

单片机技术并不是最基础的控制技术,在产品的制作过程中无法大规模进行印刷[8];单片机控制的成本也远远高于使用芯片控制的成本。随着黑板像素数量的提高,所需要的单片机数量迅速增加,成本也随之大幅增加。可见单片机控制并不能满足我们所设想的大规模生产的要求,所以我们放弃了使用单片机控制的方案。

2.2 555芯片控制电子黑板

在放弃了单片机控制的方案后,我们转向了使用555计时器控制的方案,其简单原理如图3。

这个是基于555 IC芯片的双稳态控制电路。

QS1 R1 555 IC的第2脚组成清除触发电路;

QS2 R2 555 IC的第6脚组成触发LED的点亮电路;

下面的按键用做清除功能;

当QS2接收到触发信号后,TLC555输出低信号,LED指示灯点亮;

555芯片控制已经比单片机控制有所简化,也达到了单像素控制的目标。但是555芯片的价格仍然偏高,不利于大规模产品的生产,所以555芯片的控制电路依然不能为我们所使用。

2.3 T触发器控制电子黑板

在555芯片后,单像素控制的电路已经得到了验证,但是成本依然需要降低。而触发器芯片的价格相比于555芯片要便宜得多,故我们继续对基于触发器控制的电路进行设计。

触发器工作方案的想法如下:

因为T触发器具有高电平反转的特性,符合我们对控制电路的要求,所以选用T触发器作为主要的触发器。

表1为本作品真值表。S表示控制擦写状态的开关,1表示黑板处于写状态,只可写不可擦;T表示红外光敏二极管,0表示无信号(笔没有触碰到黑板进行操作),1表示有信号(笔触碰黑板进行擦或写操作);Qn表示发光二极管的初状态,0代表初状态熄灭,1代表初状态点亮。Qn+1表示发光二极管的末状态,0代表末状态熄灭,1代表末状态点亮。

利用真值表我们找到了与T触发器工作不同的两种情况,在这两种情况下,T触发器不工作。T触发器不工作也就意味着在这些情况下需要停止触发器的工作,以免影响到控制电路的正常使用。我们设计使用74LS157数据选择器作为T触发器的开关控制其工作与否。

由于没有专用T触发器芯片,我们采用将JK触发器两个输入端相连的方式实现T触发器功能。最终我们设计出利用74LS157数据选择器作为开关、74LS107 JK触发器、74LS00与非门芯片进行控制的像素点。

但是,该种方法使用了过多种类的元件不利于大规模印刷制作;JK触发器需要外接信号源作为时钟信号才能正常工作,增加了成本。由于此时完整的真值表已经写出,通过简化可以用门电路实现所有功能,最终我们放弃了触发器实现控制功能而采用最基础的门电路方法进行控制。

2.4 门电路控制电子黑板

经历了以上的多种方法尝试后,最终采用的方法是利用与非门电路实现功能,具体实现方法将在下一章进行说明。

2.5 所做的工作

(1)利用LED矩阵方式显示信息。

(2)让LED的显示满足人们常规的书写和擦除习惯,问题转化为LED的点亮和熄灭与人们的书写和擦除两种动作相联系,对应书写的粉笔和擦除的板擦,需要两个物体或两种方式完成电子黑板上的书写和擦除。

(3)借助逻辑运算与复合逻辑关系、真值表等,反演化简,由逻辑式画出逻辑图。

(4)利用单片机、555芯片、触发器、门电路等多种方式实现了LED矩阵黑板的控制;利用555芯片、触发器、门电路等方法实现了矩阵黑板的单像素控制。

3 单像素矩阵黑板的实现

简单的原理为:每一个发光点的控制是由书写笔、擦除器利用电子元器件或门电路的组成的具有逻辑功能的电路,借助电平高低逻辑状态实现LED驱动电路的通和断,从而实现该点的发光与否的控制,书写笔划过,LED发光,书写笔写字或画图,黑板上就会留下由发光LED构成的文字或图形。擦除器划过,LED关闭,黑板上的文字或图形消失,从而制作出创新矩阵黑板。使用者只需通过开闭开关,选择手中书写笔擦除器的状态即可通过LED亮灭在单像素矩阵黑板上书写擦除,非常方便。

同时,由于利用与非门等底层基础电子元器件控制每一个像素,这样单像素矩阵黑板可以实现大面积印制。

3.1 书写笔和擦除器的设计

书写笔和擦除器选用的均为非可见光红外波段的发光二极管,与之对应的是相应的非可见光接收二极管。可见光发光管和接受管容易受到环境光线影响,导致黑板出现不可写或不可擦等问题,所以选用非可见光的红外波段对管。目前实现的只有单点写入和单点擦除功能,将来会设计出面写入或面擦除的工具。

3.2 逻辑运算及或与非门电路

本项目用到了逻辑“与非”。只有当决定事物结果的所有条件全部具备时,结果才会发生,这种逻辑关系称为与逻辑关系[9];结果总是和条件呈相反状态,这种逻辑关系称为非逻辑。设低电平为“0”,高电平为“1”。若输入“0”和“1”,输出“0”;输入“0”和“0”,输出“0”;输入“1”和“1”,输出“1”,则为与逻辑关系。若输入“0”,输出“1”;输入“1”,输出“0”,则为非逻辑。与逻辑和非逻辑是逻辑代数中的基本运算, 与非是复合逻辑关系。与非逻辑的表达式为，,逻辑运算规律为有0得1,全1得0。我们利用了这种逻辑运算,实现了单像素矩阵黑板。

表2为本作品真值表。S表示控制擦写状态的开关,1表示黑板处于写状态,只可写不可擦;T表示红外光敏二极管,0表示无信号(笔没有触碰到黑板进行操作),1表示有信号(笔触碰黑板进行擦或写操作);Qn表示发光二极管的初状态,0代表初状态熄灭,1代表初状态点亮。Qn+1表示发光二极管的末状态,0代表末状态熄灭,1代表末状态点亮。

我们依然沿用了在设计触发器时所写出的真值表。通过该表可以做出该逻辑功能的卡诺表3。

利用卡诺表3方式化简,可将逻辑表达式写为:

为了简化电路设计,尽可能少的使用元件种类,所以我们通过反演定理将逻辑化简为仅有与非门的形式。

反演定理为

则有

3.3 电路图

图4中S1为擦写开关,断开时为擦状态,导通时为写状态;U1为74LS00N,4路双输入与非门,作为电路的运算控制部分;D1为红外波段光敏二极管,检测“粉笔”的是否写入状态;LED1为发光二极管,是黑板的显示功能;Vcc为5V直流电压源,实验用采用4节5号充电电池代替。

4 本项目的特点和创新点

如今,印刷电路板技术已经日益成熟,更大程度上简化了电子黑板的印制过程,降低了制作成本,提升了数字电路控制的单像素矩阵黑板的创新价值。本项目在制作过程中下列几个方面具有一定的特点:

(1)单像素矩阵黑板由LED、光敏管等基础电子元器件组成,结构简单价格低廉,便于制造,工作稳定;

(2)在损坏时只会损坏一个点阵点,对整体无大影响;

(3)LED发光二极管选取毛玻璃外罩,减小对眼睛的损伤,且可视角度大;

(4)与普通黑板和白板相比,没有了粉尘及白板笔墨水对人的健康的影响,且易擦除;

(5)与电子黑板、电子白板、投影仪相比,不需要计算机,无对比度问题,使用简单方便,且任何人都可以使用,使老师不再是黑板的奴隶;

(6)LED发光二极管采用直流供电,不会产生频闪效应,对保护视力有利;

(7)成本很低,便于推广;

(8)可以实现印刷。

印刷电路的好处是不用在电路板上一次一次地进行焊接,免去了大量复杂的手工接线操作[10],而且能达到高精度,使电路板的生产效率大大提高。印刷业可以将大的图片缩小制版,印刷电路同样也可以把电子线路图缩小制版,从而为集成电路的产生准备了条件。

印刷电路是把导体图形用印制手段蚀刻或感光在一块绝缘基板上,是使电子元件互相连接的一种电子电路。它已经可以使用自动绘图仪迅速地把导体图形直接描绘在玻璃版上制版,然后印刷出来。印刷电路使电子设备的批量生产变得简单易行,使电子黑板性能一致,质量稳定,结构紧凑。

5 设计不足点

(1)在颜色方面只实现了单色书写;

(2)在使用的过程中会耗费电能;

(3)由于单像素矩阵黑板由单像素矩阵组成,无法显示图像;

(4)无法保存在单像素矩阵黑板所书写的字符。

6 应用情形

门电路单像素控制电子黑板的出现颠覆了传统黑板、白板、投影机等现有技术的形式,实现了黑板的革命。

门电路单像素控制电子黑板不仅能用于学校教育,还能用于其他很多场所,如:各种体育比赛的信息提示牌、各种市场的商品信息和价格展示牌、公共场所的指路牌等。大规模电路印刷技术的实现使得成本大大降低,为构建节约型社会做出了贡献。

7 致谢

在项目活动过程中,我的收获不仅仅是知识层面的,也是无法完全用语言能够描述的。在项目的研究制作期间,从项目选题、方案设计、研究与实验到研究报告的撰写都得到了祖浩东老师、沈其中老师和张明尧老师的辛勤教诲和耐心指导,在此向所有指导我帮助我的老师们致以崇高的敬意和感谢！导师严谨的治学态度和勤奋的工作作风深深地感染了我,是我学习的榜样,对我今后的学习、生活带来有益而深远的影响。

参考文献:

[1]柳智勇.传统黑板遇上多媒体电子白板[J].教育界,2014,(22).

[2]陈鉴,邵春光.机械吸尘黑板擦的研究设计[J].企业技术开发(下半月),2014,(13).

[3]胡永斌,唐慧丽.一种新型数字白板系统的开发和应用[J].中小学信息技术教育,2006,(12).

[4]刘亚丽.豪雅乐学——中国近视学生的福音[J].中国眼镜科技杂志,2009,(11).

[5]段一明,王月强,段文婷.浅谈数字媒体管理的意义[J].电子世界, 2014,(20).

[6]姜洪.投影机简介[J].科技潮,1999年第4期.

[7]阎石.数字电子技术基础[M] 第四版.高等教育出版社.

[8]方佩敏.单片机技术及其在家用电器中的应用[J].《电子世界》, 1998,(01).

[9]王永昌.简单逻辑电路辅导[J].数理化学习,2013,(11).

[10]留明.电器[M].远方出版社,2004.09.

指导老师:祖浩东,沈其中,张明尧。

作者简介:于穆涵(1998—),女,北京人,北方交通大学附属中学在校学生,校机器人社团主要成员,多次参加北京市及全国机器人比赛并获奖。