基于单片机的LED显示屏控制电路设计

摘要：当前LED显示屏控制电路的核心组成部分为DSP芯片，无法同时处理特殊的控制指令，使得LED显示屏控制响应延时较长。因此，提出应用单片机的LED显示屏控制电路。针对LED显示屏的工作原理进行分析，建立LED显示屏驱动策略。再以单片机为主控单元设计显示屏控制电路，通过改变行、列驱动电路，执行所有控制指令。最后，将PI控制算法应用到控制电路中，对比例系数和积分时间两项主要参数进行合理调整，得到控制参数优化后的LED显示屏控制电路。实验结果显示：所提控制电路的延时响应时间为2s，可以满足LED显示屏控制实时性要求。
关键词：单片机；LED显示屏；控制电路；驱动电路；动态扫描；负载扰动

0 引言

科学技术水平的提升，推动了发光二极管（LED）制造工艺进步，不同颜色的发光二极管的光效、色差等均得到改善，使得LED 很多领域都得到了应用。现代社会文化环境下，宣传成为促进经济、文化发展的关键途径，LED 显示屏具有功耗小、成本低的优势，却可以将文字、图像等信息展示在绝大部分人眼前，户外的LED 广告屏成了重要的宣传手段之一。当前，LED 显示屏已经应用到了企业、学校等多种公共场所，通过图文显示的方式发挥了宣传作用，甚至成为社会信息传播数字化的标志。整体来看，LED 显示屏的正常运行，在上位机、LED 阵列、驱动模块和控制电路四个部分的共同作用下实现。其中，控制电路的优劣直接决定了LED 显示屏的信息传达效果。随着LED 显示屏应用范围的扩展，人们对其应用控制要求越来越高，传统的控制方法明显无法达到预期控制效果。为此，文中提出应用单片机进行控制电路的设计，通过建立驱动策略、设计控制电路、优化控制参数三个环节，完成整体LED 显示屏控制电路的设计。从实验验证结果可以看出，该控制电路的响应延时较短，拥有良好的瞬态控制性能。

1 以单片机为核心的LED 显示屏控制电路设计

■ 1.1 建立 LED显示屏驱动策略

为了保证LED 显示屏控制电路具有合理性，文中首先根据LED 显示屏工作原理，确定LED 显示屏驱动策略。多个8×8 点阵结构单元，组成了LED 显示模块，所有模块拼装在一起组成可以显示文字、图像内容的LED 显示屏。而整个LED 显示结构中，除了显示屏外还包含多媒体卡、采集卡、扫描卡等，如图1 所示。
通常情况下，LED 显示屏包含两种基色，分别为红色和绿色，实际操作过程中可以根据显示要求，调整基色灰度并组合两种颜色，形成符合要求的显示颜色。LED 显示屏内部包含众多显示模块，显示过程中依托于映射原理，在计算机显示屏上生成与LED 点阵相对应的像素点，达到显示目标内容的目的。

正常情况下，LED 显示屏采用实时刷新方法进行驱动，需要对显示驱动单元的列向、行向数据分别进行扫描，结合LED 显示驱动板中的线行译码器，得到扫描电路输出的行信号，应用串行移位寄存器将这些行数据转换为并行输出信号。在这一驱动模式下，想要实现LED 显示屏的控制，就需要在行驱动电路和列驱动电路附近，添加一个时序控制电路，以此来控制信号输入和信号输出，最终达到控制LED显示屏的效果。

■ 1.2 设计基于单片机的控制电路

在控制电路设计过程中，文中提出将单片机添加到驱动电路中，使其分别与行驱动电路、列驱动电路连接，最终形成图2 所示的基于单片机的控制电路。

根据图2 可知，单片机作为LED 显示屏控制电路的主控单元，是保证控制效果的基础，实际操作过程中可以根据控制要求选定最合适的单片机。考虑到完整的汉字显示，需要最少四格 LED 显示模块连接在一起，文中提出将连接相邻的行和列，得到16×16 的点阵，如图3 所示。按照同样的方式组合四个16×16 的点阵，得到一个大小为64×16 的点阵。

上述基于单片机的控制电路应用时，需要通过单片机烧录工具先编译好的控制指令代码传递至单片机内，在I/O 接口的辅助下，将控制指令传输给行、列驱动电路，实现显示内容的控制处理。
其中，行驱动电路接收到控制指令后，需要通过译码电路处理指令信号，以便提升输出端口使用率。文中设计的控制电路中，译码器选用了两个三通道输入、八通道输出的译码芯片，将二者联合起来形成4-16 线译码器，便于16 行LED 的驱动控制。而后，连接一个增强型MOS 管（金属－氧化物－半导体场效应晶体管）辅助LED 显示器的行驱动电路执行控制指令，该MOS 管主要起到两个作用。首先，由于译码器输出信号属于低电平，通过MOS 管充当反相器，可以将其转化为有效的高电平信号，使其与LED 点阵屏驱动电路内信号保持一致。而后，让MOS 管发挥电流放大器的作用，保证执行控制指令后的LED 显示屏发光够亮。与行驱动电路不同，列驱动电路主要是由多个串入并出移位寄存器连接组合而成的，每个移位寄存器可以同步实现串并转换和并行锁存，在这两部分不产生互相影响的前提下，面对接收到控制指令同时发挥作用，对64 列LED 进行扫描驱动。如图2 所示，行驱动电路和列驱动电路共同对LED 点阵显示屏发挥作用。而显示控制电路设计过程中，一个现实汉字的控制，需要通过两个8 位串行输入、并行输出的位移缓存器实现，而所有位移缓存器应用的时钟信号、锁存信号是完全相同的。从点阵第一行信号开始选中，提取第一行的64 列数据，每个点信号的选择分别对应一个时钟信号，按照同样的方式扫描接下来15 行的数据控制每个显示单元展示对应的内容。

■ 1.3 优化显示屏控制电路参数信息

基于单片机的控制电路应用时，结合了PI 控制理论。所以，最终LED 显示屏控制电路应用效果的好坏，很大程度上取决于比例系数和积分时间两项PI 控制参数的取值。因此，文中在控制电路设计的最后一个环节，需要进行显示屏控制电路参数信息的优化。文中选定负载扰动指标作为衡量标准，判断当前控制参数是否需要进行优化。通常情况下，负载扰动指标 R 与控制电路的应用效果相对应，对两项主要控制参数进行调节，有利于提升控制电路的控制性能。倘若负载扰动变化较严重，需要根据当前控制稳定时间、峰值时间等，提取LED 显示屏控制响应特征。
根据输出曲线和利用面积比，可以得到负载扰动指标 R计算结果。实际指标求取过程中，首先按照公式(1) 获取被控变量对应的稳态值：

公式中， ∞ 表示被控变量， y 表示稳态值， k 表示控制次数， S 表示输出数据长度。根据稳态值计算结果和被控变量，确定二者的交叉区域，并计算该区域面积：

公式中，i 表示交点， N 表示交点个数，Δt 表示采样时间。当完成所有交叉区域面积计算后，从中选取面积最大的区域，以及两个相应的交点和区域内的峰值点。在此基础上，计算出交点到峰值点的对应的交叉区域面积：

公式中， r 表示峰值点， 1 2 e、e 表示交点， 1 2 ϑ、ϑ 表示交叉区域面积。结合公式(3) 和公式(4)，求解出负载扰动指标计算结果：

公式中， R 表示负载扰动指标。优化过程中，当R 指标计算结果低于0.5 时，需要将比例系数和积分时间调大，当R 指标取值范围在0.5~0.8 之间时，不需要优化控制参数。最后，当公式(5) 计算结果大于0.8 时，控制后信号幅值波动严重，整体控制效果较差，此时需要适当减小比例系数和积分时间。
在控制参数优化完成后，将更新后的控制参数应用到基于单片机的控制电路中，完成LED显示屏控制电路的整体设计。

2 实验

文中设置单片机为主控单元，针对LED 显示屏设计了一种新的控制电路，为了确保该控制电路设计方法具有实际意义，接下来应用该方法进行实验分析。

■ 2.1 实验准备

考虑到单片机内部的存储器资源有限，为了满足LED显示屏控制要求，本次实验过程中应用了随机存取存储器（RAM），对所有存储资源进行合理分配。在实验准备阶段，按照文中研究内容针对某高校的教学楼大厅LED 显示屏，开始有效地控制电路。将以单片机为主的控制电路，主要表现为模块结构形式，具体来看，存在1 个主模块、3 个子模块。为了便于观察控制电路的实际控制效果，设计了实时显示、演示显示两种常用的显示模式，通过PC 机可以选择合适的显示模式，并展示单片机控制电路应用效果。本次实验过程中，主要应用PC 机启动控制电路，选用实时显示模式，使得LED 显示屏在展示当前时间的同时，显示出“欢迎各位领导莅临检查”的文字内容。为了验证该控制电路，设置PC 机与控制电路通过RS-232C 串行通讯接口相连接，通过Windows10 系统内 Microsoft VisualStudio 6.0 平台中的通讯软件，实现文字改变、字体尺寸改变等控制命令的下达。

■ 2.2 LED 显示屏控制结果

按照文中研究内容完成控制电路设计后， 执行PC 端下达的LED 显示屏控制指令，最终得到图4 所示的显示结果。如图4 所示，控制电路应用后LED 显示屏完成了控制指令，按照控制要求显示了文字内容，并在文字上方显示了当前日期和时间。综上所述，文中设计控制电路的应用，可以达到预期控制效果。

■ 2.3 瞬态控制性能对比

确定文中设计控制电路设计方法可行后，为了验证该控制电路与常规方法提出的控制电路相比，具有更优的瞬态控制性能，提出分别应用文献[2] 提出的基于GPRS 与STC 单片机的LED 显示屏控制电路、基于ATmegal6 微控制器的控制电路，执行相同的LED 显示屏控制要求，不同控制电路的延时响应时间统计结果如图5 所示。

根据图5 可知，文中提出控制电路的延时响应时间为2s，其他两种控制电路的延时响应时间分别为3.5s、5.5s。综上所述，以单片机为核心的控制电路具有更优的瞬态控制性能，执行LED 显示屏控制指令的延时响应时间，相比其他两种方法缩短了42.86%、63.64%。

3 结束语

为了满足人们对LED 显示屏控制越来越高的要求，文中参考传统控制电路设计方法，提出以单片机为核心的控制电路。结果表明，该控制电路可以高效、稳定地执行控制命令，可以广泛地应用到银行、火车等公共场所的信息公布LED 显示屏中，远程控制LED 显示屏实时展示信息内容。