基于單片機的LED 顯示屏控制電路設計

黃圓娥

（廣西現代職業技術學院，廣西河池，547000）

0 引言

科學技術水平的提升，推動了發光二極管（LED）制造工藝進步，不同顏色的發光二極管的光效、色差等均得到改善[1]，使得LED 很多領域都得到了應用。現代社會文化環境下，宣傳成為促進經濟、文化發展的關鍵途徑，LED 顯示屏具有功耗小、成本低的優勢，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]。當前，LED 顯示屏已經應用到了企業、學校等多種公共場所，通過圖文顯示的方式發揮了宣傳作用，甚至成為社會信息傳播數字化的標志。

整體來看，LED顯示屏的正常運行，在上位機、LED陣列、驅動模塊和控制電路四個部分的共同作用下實現。其中，控制電路的優劣直接決定了LED 顯示屏的信息傳達效果。隨著LED 顯示屏應用范圍的擴展，人們對其應用控制要求越來越高，傳統的控制方法明顯無法達到預期控制效果。為此，文中提出應用單片機進行控制電路的設計，通過建立驅動策略、設計控制電路、優化控制參數三個環節，完成整體LED 顯示屏控制電路的設計。從實驗驗證結果可以看出，該控制電路的響應延時較短，擁有良好的瞬態控制性能。

1 以單片機為核心的LED 顯示屏控制電路設計

1.1 建立LED 顯示屏驅動策略

為了保證LED 顯示屏控制電路具有合理性，文中首先根據LED 顯示屏工作原理，確定LED 顯示屏驅動策略。多個8×8 點陣結構單元，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、圖像內容的LED 顯示屏[3]。而整個LED 顯示結構中，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 顯示結構框圖

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顯示要求，調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 點陣相對應的像素點，達到顯示目標內容的目的。

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

1.2 設計基于單片機的控制電路

在控制電路設計過程中，文中提出將單片機添加到驅動電路中，使其分別與行驅動電路、列驅動電路連接，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構

根據圖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，實際操作過程中可以根據控制要求選定最合適的單片機。考慮到完整的漢字顯示，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，在I/O 接口的輔助下，將控制指令傳輸給行、列驅動電路，實現顯示內容的控制處理。

其中，行驅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，將二者聯合起來形成4-16 線譯碼器，便于16 行LED 的驅動控制。而后，連接一個增強型MOS 管（金屬-氧化物-半導體場效應晶體管）輔助LED 顯示器的行驅動電路執行控制指令，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 管充當反相器，可以將其轉化為有效的高電平信號，使其與LED 點陣屏驅動電路內信號保持一致。而后，讓MOS 管發揮電流放大器的作用，保證執行控制指令后的LED 顯示屏發光夠亮。與行驅動電路不同，列驅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串并轉換和并行鎖存，在這兩部分不產生互相影響的前提下，面對接收到控制指令同時發揮作用，對64 列LED 進行掃描驅動。

如圖2 所示，行驅動電路和列驅動電路共同對LED 點陣顯示屏發揮作用。而顯示控制電路設計過程中，一個現實漢字的控制，需要通過兩個8 位串行輸入、并行輸出的位移緩存器實現，而所有位移緩存器應用的時鐘信號、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 列數據，每個點信號的選擇分別對應一個時鐘信號，按照同樣的方式掃描接下來15 行的數據控制每個顯示單元展示對應的內容。

1.3 優化顯示屏控制電路參數信息

基于單片機的控制電路應用時，結合了PI 控制理論。所以，最終LED 顯示屏控制電路應用效果的好壞，很大程度上取決于比例系數和積分時間兩項PI 控制參數的取值。因此，文中在控制電路設計的最后一個環節，需要進行顯示屏控制電路參數信息的優化。文中選定負載擾動指標作為衡量標準，判斷當前控制參數是否需要進行優化。通常情況下，負載擾動指標 R 與控制電路的應用效果相對應，對兩項主要控制參數進行調節，有利于提升控制電路的控制性能。倘若負載擾動變化較嚴重，需要根據當前控制穩定時間、峰值時間等，提取LED 顯示屏控制響應特征。

根據輸出曲線和利用面積比，可以得到負載擾動指標 R計算結果。實際指標求取過程中，首先按照公式(1)獲取被控變量對應的穩態值：

公式中，∞表示被控變量，y表示穩態值，k表示控制次數，S表示輸出數據長度。

根據穩態值計算結果和被控變量，確定二者的交叉區域，并計算該區域面積：

公式中，i表示交點，N表示交點個數，Δt表示采樣時間。

當完成所有交叉區域面積計算后，從中選取面積最大的區域，以及兩個相應的交點和區域內的峰值點。在此基礎上，計算出交點到峰值點的對應的交叉區域面積：

公式中，r表示峰值點，e1、e2表示交點，?1、?2表示交叉區域面積。結合公式(3)和公式(4)，求解出負載擾動指標計算結果：

公式中，R表示負載擾動指標。優化過程中，當R 指標計算結果低于0.5 時，需要將比例系數和積分時間調大，當R 指標取值范圍在0.5~0.8 之間時，不需要優化控制參數。最后，當公式(5)計算結果大于0.8 時，控制后信號幅值波動嚴重，整體控制效果較差，此時需要適當減小比例系數和積分時間。

在控制參數優化完成后，將更新后的控制參數應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計。

2 實驗

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

2.1 實驗準備

考慮到單片機內部的存儲器資源有限，為了滿足LED顯示屏控制要求，本次實驗過程中應用了隨機存取存儲器（RAM），對所有存儲資源進行合理分配。在實驗準備階段，按照文中研究內容針對某高校的教學樓大廳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，主要表現為模塊結構形式，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用效果。

本次實驗過程中，主要應用PC 機啟動控制電路，選用實時顯示模式，使得LED 顯示屏在展示當前時間的同時，顯示出“歡迎各位領導蒞臨檢查”的文字內容。為了驗證該控制電路，設置PC 機與控制電路通過RS-232C 串行通訊接口相連接，通過Windows10 系統內 Microsoft Visual Studio 6.0 平臺中的通訊軟件，實現文字改變、字體尺寸改變等控制命令的下達。

2.2 LED 顯示屏控制結果

按照文中研究內容完成控制電路設計后，執行PC 端下達的LED 顯示屏控制指令，最終得到圖4 所示的顯示結果。

圖4 控制后LED 顯示屏顯示結果

如圖4 所示，控制電路應用后LED 顯示屏完成了控制指令，按照控制要求顯示了文字內容，并在文字上方顯示了當前日期和時間。綜上所述，文中設計控制電路的應用，可以達到預期控制效果。

2.3 瞬態控制性能對比

確定文中設計控制電路設計方法可行后，為了驗證該控制電路與常規方法提出的控制電路相比，具有更優的瞬態控制性能，提出分別應用文獻[2]提出的基于GPRS 與STC 單片機的LED 顯示屏控制電路、文獻[3]提出的基于ATmegal6 微控制器的控制電路，執行相同的LED 顯示屏控制要求，不同控制電路的延時響應時間統計結果如圖5 所示。

圖5 不同控制電路的延時響應時間對比結果

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

3 結束語

為了滿足人們對LED 顯示屏控制越來越高的要求，文中參考傳統控制電路設計方法，提出以單片機為核心的控制電路。結果表明，該控制電路可以高效、穩定地執行控制命令，可以廣泛地應用到銀行、火車等公共場所的信息公布LED 顯示屏中，遠程控制LED 顯示屏實時展示信息內容。