基于單片機的LED 顯示屏控制電路設(shè)計

黃圓娥

（廣西現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西河池，547000）

0 引言

科學(xué)技術(shù)水平的提升，推動了發(fā)光二極管（LED）制造工藝進(jìn)步，不同顏色的發(fā)光二極管的光效、色差等均得到改善[1]，使得LED 很多領(lǐng)域都得到了應(yīng)用。現(xiàn)代社會文化環(huán)境下，宣傳成為促進(jìn)經(jīng)濟、文化發(fā)展的關(guān)鍵途徑，LED 顯示屏具有功耗小、成本低的優(yōu)勢，卻可以將文字、圖像等信息展示在絕大部分人眼前，戶外的LED 廣告屏成了重要的宣傳手段之一[2]。當(dāng)前，LED 顯示屏已經(jīng)應(yīng)用到了企業(yè)、學(xué)校等多種公共場所，通過圖文顯示的方式發(fā)揮了宣傳作用，甚至成為社會信息傳播數(shù)字化的標(biāo)志。

整體來看，LED顯示屏的正常運行，在上位機、LED陣列、驅(qū)動模塊和控制電路四個部分的共同作用下實現(xiàn)。其中，控制電路的優(yōu)劣直接決定了LED 顯示屏的信息傳達(dá)效果。隨著LED 顯示屏應(yīng)用范圍的擴展，人們對其應(yīng)用控制要求越來越高，傳統(tǒng)的控制方法明顯無法達(dá)到預(yù)期控制效果。為此，文中提出應(yīng)用單片機進(jìn)行控制電路的設(shè)計，通過建立驅(qū)動策略、設(shè)計控制電路、優(yōu)化控制參數(shù)三個環(huán)節(jié)，完成整體LED 顯示屏控制電路的設(shè)計。從實驗驗證結(jié)果可以看出，該控制電路的響應(yīng)延時較短，擁有良好的瞬態(tài)控制性能。

1 以單片機為核心的LED 顯示屏控制電路設(shè)計

1.1 建立LED 顯示屏驅(qū)動策略

為了保證LED 顯示屏控制電路具有合理性，文中首先根據(jù)LED 顯示屏工作原理，確定LED 顯示屏驅(qū)動策略。多個8×8 點陣結(jié)構(gòu)單元，組成了LED 顯示模塊，所有模塊拼裝在一起組成可以顯示文字、圖像內(nèi)容的LED 顯示屏[3]。而整個LED 顯示結(jié)構(gòu)中，除了顯示屏外還包含多媒體卡、采集卡、掃描卡等，如圖1 所示。

圖1 LED 顯示結(jié)構(gòu)框圖

通常情況下，LED 顯示屏包含兩種基色，分別為紅色和綠色，實際操作過程中可以根據(jù)顯示要求，調(diào)整基色灰度并組合兩種顏色，形成符合要求的顯示顏色。LED 顯示屏內(nèi)部包含眾多顯示模塊，顯示過程中依托于映射原理，在計算機顯示屏上生成與LED 點陣相對應(yīng)的像素點，達(dá)到顯示目標(biāo)內(nèi)容的目的。

正常情況下，LED 顯示屏采用實時刷新方法進(jìn)行驅(qū)動，需要對顯示驅(qū)動單元的列向、行向數(shù)據(jù)分別進(jìn)行掃描，結(jié)合LED 顯示驅(qū)動板中的線行譯碼器，得到掃描電路輸出的行信號，應(yīng)用串行移位寄存器將這些行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行輸出信號。在這一驅(qū)動模式下，想要實現(xiàn)LED 顯示屏的控制，就需要在行驅(qū)動電路和列驅(qū)動電路附近，添加一個時序控制電路，以此來控制信號輸入和信號輸出，最終達(dá)到控制LED顯示屏的效果。

1.2 設(shè)計基于單片機的控制電路

在控制電路設(shè)計過程中，文中提出將單片機添加到驅(qū)動電路中，使其分別與行驅(qū)動電路、列驅(qū)動電路連接，最終形成圖2 所示的基于單片機的控制電路。

圖2 基于單片機的控制電路主要結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖2 可知，單片機作為LED 顯示屏控制電路的主控單元，是保證控制效果的基礎(chǔ)，實際操作過程中可以根據(jù)控制要求選定最合適的單片機?？紤]到完整的漢字顯示，需要最少四格 LED 顯示模塊連接在一起，文中提出將連接相鄰的行和列，得到16×16 的點陣，如圖3 所示。按照同樣的方式組合四個16×16 的點陣，得到一個大小為64×16 的點陣。

圖3 16×16 點陣連接示意圖

上述基于單片機的控制電路應(yīng)用時，需要通過單片機燒錄工具先編譯好的控制指令代碼傳遞至單片機內(nèi)，在I/O 接口的輔助下，將控制指令傳輸給行、列驅(qū)動電路，實現(xiàn)顯示內(nèi)容的控制處理。

其中，行驅(qū)動電路接收到控制指令后，需要通過譯碼電路處理指令信號，以便提升輸出端口使用率。文中設(shè)計的控制電路中，譯碼器選用了兩個三通道輸入、八通道輸出的譯碼芯片，將二者聯(lián)合起來形成4-16 線譯碼器，便于16 行LED 的驅(qū)動控制。而后，連接一個增強型MOS 管（金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管）輔助LED 顯示器的行驅(qū)動電路執(zhí)行控制指令，該MOS 管主要起到兩個作用。首先，由于譯碼器輸出信號屬于低電平，通過MOS 管充當(dāng)反相器，可以將其轉(zhuǎn)化為有效的高電平信號，使其與LED 點陣屏驅(qū)動電路內(nèi)信號保持一致。而后，讓MOS 管發(fā)揮電流放大器的作用，保證執(zhí)行控制指令后的LED 顯示屏發(fā)光夠亮。與行驅(qū)動電路不同，列驅(qū)動電路主要是由多個串入并出移位寄存器連接組合而成的，每個移位寄存器可以同步實現(xiàn)串并轉(zhuǎn)換和并行鎖存，在這兩部分不產(chǎn)生互相影響的前提下，面對接收到控制指令同時發(fā)揮作用，對64 列LED 進(jìn)行掃描驅(qū)動。

如圖2 所示，行驅(qū)動電路和列驅(qū)動電路共同對LED 點陣顯示屏發(fā)揮作用。而顯示控制電路設(shè)計過程中，一個現(xiàn)實漢字的控制，需要通過兩個8 位串行輸入、并行輸出的位移緩存器實現(xiàn)，而所有位移緩存器應(yīng)用的時鐘信號、鎖存信號是完全相同的。從點陣第一行信號開始選中，提取第一行的64 列數(shù)據(jù)，每個點信號的選擇分別對應(yīng)一個時鐘信號，按照同樣的方式掃描接下來15 行的數(shù)據(jù)控制每個顯示單元展示對應(yīng)的內(nèi)容。

1.3 優(yōu)化顯示屏控制電路參數(shù)信息

基于單片機的控制電路應(yīng)用時，結(jié)合了PI 控制理論。所以，最終LED 顯示屏控制電路應(yīng)用效果的好壞，很大程度上取決于比例系數(shù)和積分時間兩項PI 控制參數(shù)的取值。因此，文中在控制電路設(shè)計的最后一個環(huán)節(jié)，需要進(jìn)行顯示屏控制電路參數(shù)信息的優(yōu)化。文中選定負(fù)載擾動指標(biāo)作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，判斷當(dāng)前控制參數(shù)是否需要進(jìn)行優(yōu)化。通常情況下，負(fù)載擾動指標(biāo) R 與控制電路的應(yīng)用效果相對應(yīng)，對兩項主要控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，有利于提升控制電路的控制性能。倘若負(fù)載擾動變化較嚴(yán)重，需要根據(jù)當(dāng)前控制穩(wěn)定時間、峰值時間等，提取LED 顯示屏控制響應(yīng)特征。

根據(jù)輸出曲線和利用面積比，可以得到負(fù)載擾動指標(biāo) R計算結(jié)果。實際指標(biāo)求取過程中，首先按照公式(1)獲取被控變量對應(yīng)的穩(wěn)態(tài)值：

公式中，∞表示被控變量，y表示穩(wěn)態(tài)值，k表示控制次數(shù)，S表示輸出數(shù)據(jù)長度。

根據(jù)穩(wěn)態(tài)值計算結(jié)果和被控變量，確定二者的交叉區(qū)域，并計算該區(qū)域面積：

公式中，i表示交點，N表示交點個數(shù)，Δt表示采樣時間。

當(dāng)完成所有交叉區(qū)域面積計算后，從中選取面積最大的區(qū)域，以及兩個相應(yīng)的交點和區(qū)域內(nèi)的峰值點。在此基礎(chǔ)上，計算出交點到峰值點的對應(yīng)的交叉區(qū)域面積：

公式中，r表示峰值點，e1、e2表示交點，?1、?2表示交叉區(qū)域面積。結(jié)合公式(3)和公式(4)，求解出負(fù)載擾動指標(biāo)計算結(jié)果：

公式中，R表示負(fù)載擾動指標(biāo)。優(yōu)化過程中，當(dāng)R 指標(biāo)計算結(jié)果低于0.5 時，需要將比例系數(shù)和積分時間調(diào)大，當(dāng)R 指標(biāo)取值范圍在0.5~0.8 之間時，不需要優(yōu)化控制參數(shù)。最后，當(dāng)公式(5)計算結(jié)果大于0.8 時，控制后信號幅值波動嚴(yán)重，整體控制效果較差，此時需要適當(dāng)減小比例系數(shù)和積分時間。

在控制參數(shù)優(yōu)化完成后，將更新后的控制參數(shù)應(yīng)用到基于單片機的控制電路中，完成LED顯示屏控制電路的整體設(shè)計。

2 實驗

文中設(shè)置單片機為主控單元，針對LED 顯示屏設(shè)計了一種新的控制電路，為了確保該控制電路設(shè)計方法具有實際意義，接下來應(yīng)用該方法進(jìn)行實驗分析。

2.1 實驗準(zhǔn)備

考慮到單片機內(nèi)部的存儲器資源有限，為了滿足LED顯示屏控制要求，本次實驗過程中應(yīng)用了隨機存取存儲器（RAM），對所有存儲資源進(jìn)行合理分配。在實驗準(zhǔn)備階段，按照文中研究內(nèi)容針對某高校的教學(xué)樓大廳LED 顯示屏，開始有效地控制電路。將以單片機為主的控制電路，主要表現(xiàn)為模塊結(jié)構(gòu)形式，具體來看，存在1 個主模塊、3 個子模塊。為了便于觀察控制電路的實際控制效果，設(shè)計了實時顯示、演示顯示兩種常用的顯示模式，通過PC 機可以選擇合適的顯示模式，并展示單片機控制電路應(yīng)用效果。

本次實驗過程中，主要應(yīng)用PC 機啟動控制電路，選用實時顯示模式，使得LED 顯示屏在展示當(dāng)前時間的同時，顯示出“歡迎各位領(lǐng)導(dǎo)蒞臨檢查”的文字內(nèi)容。為了驗證該控制電路，設(shè)置PC 機與控制電路通過RS-232C 串行通訊接口相連接，通過Windows10 系統(tǒng)內(nèi) Microsoft Visual Studio 6.0 平臺中的通訊軟件，實現(xiàn)文字改變、字體尺寸改變等控制命令的下達(dá)。

2.2 LED 顯示屏控制結(jié)果

按照文中研究內(nèi)容完成控制電路設(shè)計后，執(zhí)行PC 端下達(dá)的LED 顯示屏控制指令，最終得到圖4 所示的顯示結(jié)果。

圖4 控制后LED 顯示屏顯示結(jié)果

如圖4 所示，控制電路應(yīng)用后LED 顯示屏完成了控制指令，按照控制要求顯示了文字內(nèi)容，并在文字上方顯示了當(dāng)前日期和時間。綜上所述，文中設(shè)計控制電路的應(yīng)用，可以達(dá)到預(yù)期控制效果。

2.3 瞬態(tài)控制性能對比

確定文中設(shè)計控制電路設(shè)計方法可行后，為了驗證該控制電路與常規(guī)方法提出的控制電路相比，具有更優(yōu)的瞬態(tài)控制性能，提出分別應(yīng)用文獻(xiàn)[2]提出的基于GPRS 與STC 單片機的LED 顯示屏控制電路、文獻(xiàn)[3]提出的基于ATmegal6 微控制器的控制電路，執(zhí)行相同的LED 顯示屏控制要求，不同控制電路的延時響應(yīng)時間統(tǒng)計結(jié)果如圖5 所示。

圖5 不同控制電路的延時響應(yīng)時間對比結(jié)果

根據(jù)圖5 可知，文中提出控制電路的延時響應(yīng)時間為2s，其他兩種控制電路的延時響應(yīng)時間分別為3.5s、5.5s。綜上所述，以單片機為核心的控制電路具有更優(yōu)的瞬態(tài)控制性能，執(zhí)行LED 顯示屏控制指令的延時響應(yīng)時間，相比其他兩種方法縮短了42.86%、63.64%。

3 結(jié)束語

為了滿足人們對LED 顯示屏控制越來越高的要求，文中參考傳統(tǒng)控制電路設(shè)計方法，提出以單片機為核心的控制電路。結(jié)果表明，該控制電路可以高效、穩(wěn)定地執(zhí)行控制命令，可以廣泛地應(yīng)用到銀行、火車等公共場所的信息公布LED 顯示屏中，遠(yuǎn)程控制LED 顯示屏實時展示信息內(nèi)容。