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LED电子显示屏论文

摘　要

LED电子显示屏是一种显示文字、图像、二维或三维动画等信号的理想的公众信息显示媒体。

它实时、动态的以不同的方式显示文字,图片,动画及视频等各种综合信息。

不同规格的电子显示屏遍布于我们日常生活中的各个领域,如银行,医院,公交,机场,车站,码头,公路等。

在信息传播与监控调度领域得到了广泛的应用。

LED电子显示屏内嵌控制管理芯片。

由此控制管理芯片控制显示屏所显示的综合信息内容及显示方式。

本文论述了LED显示屏的结构、特点、LED串行接口的工作原理、散热等内容展开的设计，控制系统采用RS232总线与上位机通信，通信距离约100米，以及LED散热的解决方法。

关键词：

LED；显示屏；散热；串行通信

Abstract

LEDelectronicdisplayisadisplaytext,images,two-dimensionalorthree-dimensionalanimationandotherpublicinformationsignalistheidealdisplaymedia.Itisreal-time,dynamicdisplaytextindifferentways,pictures,animationandvideo,andothercomprehensiveinformation.Acrossdifferentspecificationsoftheelectronicdisplayinourdailylifeinvariousfields,suchasbanks,hospitals,publictransportation,airports,railwaystations,docks,roads.Schedulinginthefieldofinformationdisseminationandmonitoringhasbeenwidelyused.LEDelectronicdisplayembeddedcontrolICs.Controlandmanagementchiptocontrolthisdisplayshowsthecomprehensiveinformationcontentanddisplay.

ThisarticlediscussesthestructureofLEDdisplayscreen,features,LEDserialinterfaceworks,heat,etc.tostartthedesign,controlsystemandPCwithRS23buscommunication,communicationdistanceisabout100meters,andLEDthermalsolution.

Keywords:

LED;display;heat;serialcommunication

目　录

第1章　概述2

1.1LED发展史2

1.2　国内外LED产业发展状况3

1.3　LED基础知识3

1.4　LED的综合优势6

1.5　LED显示屏技术参数7

1.6　本章小结10

第2章　串行接口11

2.1串行通信的工作原理11

2.2RS-232C串行通信简介12

2.3RS-232C引脚及使用14

2.4MAX-232介绍15

第3章　LED图文显示屏17

3.1　LED图文显示屏特点17

3.2　图文显示屏的基本结构17

3.3　图文显示屏的硬件设计20

3.4本章小结28

第4章　LED散热解决方案29

4.1　LED铝基板设计选择29

4.2　LED散热参考设计方法29

4.3　LED散热设计的目的30

4.4本章小结31

结　论32

参考文献34

致　谢35

第1章　概述

1.1LED显示屏的研究背景及意义

在当今现代信息化社会的高速发展过程中，大屏幕显示已经从公共信息展示等商业应用向消费类多媒体应用渗透。

随着宽带网络的发展，数字化的多媒体内容将在信息世界中占据主流，新型的大屏幕显示设备将代替传统电视机成为人们享受信息和多媒体内容的中心。

与传统的显示设备相比，这种未来的巨大需求让大屏幕显示技术成为众人目光的焦点：

（1）LED显示屏色彩丰富，显示方式变化多样（图形、文字、三维、二维动画、电视画面等）、亮度高、寿命长，是信息传播设施划时代的产品。

（2）LED显示屏是集光电子技术、微电子技术、计算机技术、信息处理技术于一体的高技术产品，可用来显示文字、计算机屏幕同步的图形。

它以其超大画面、超强视觉、灵活多变的显示方式等独居一格的优势，是目前国际上使用广泛的显示系统。

（3）LED显示屏应用广泛，金融证券、银行利率、商业广告、文化娱乐等方面，有巨大的社会效益和丰厚的经济效益。

在其历史的演变过程中，出现了多种信息传播媒体：

但就其性能看：

如阴级管（crt）或石英管（dv）大型电视，成本非常昂贵，在不需要超大画面且在室内使用时效果尚可；彩色液晶显示同样成本昂贵、电路复杂，面积有限，受视频角的影响非常大，可视角度很小；影象投影设备亮度小、清晰度差（画面受光不均匀）；电视墙表面有分割线，视觉上有异物感，室外应用时亮度效果差。

而LED显示屏以其受空间限制较小，并可以根据用户要求设计屏的大小，具有全彩色效果，视角大，可以用于显示文字、图案、图象、动画、视频、录象信号等各种信息的特点得到了突飞猛进的发展。

LED显示屏的发展主要经历了三个阶段：

1、1990年以前LED显示屏的成长时期。

一方面，受LED材料器件的限制，LED显示屏的应用领域没有广泛开展;另一方面，显示屏控制技术基本上是通讯控制方式，客观上影响了显示效果。

这一时期的LED显示屏在国外应用较广，国内很少，产品以红、绿双基色为主，控制方式为通讯控制，灰度等级为单点4级调灰，成本较高。

2、1990-1995年，这一段是LED显示屏迅速发展的时期。

进入九十年代，全球信息产业高速增长，信息技术各个领域不断突破，LED显示屏在LED材料和控制技术方面也不断出现新的成果。

蓝色LED晶片研制成功，全彩色LED显示屏进入市场;电子计算机及微电子领域的技术发展，在显示屏控制技术领域出现了视频控制技术，显示屏灰度等级实现16级灰度和64级灰度调灰，显示屏的动态显示效果大大提高，产品应用领域涉及金融证券、体育、机场、铁路、车站、公路交通、商业广告、邮电电信等诸多领域，特别是1993年证券股票业的发展更引发了LED显示屏市场的大幅增长。

LED显示屏在平板显示领域的主流产品局面基本形成，LED显示屏产业成为新兴的高科技产业。

3、1995年以来，LED显示屏的发展进入一个总体稳步提高产业格局调整完善的时期。

进入新世纪，光电子产业得到广泛的重视，中国加入WTO、北京申奥成功等，成为LED显示屏产业发展的契机，LED显示屏必将得到飞跃发展[5]

1.3　LED基础知识

LED是取自LightEmittingDiode三个字的缩写，中文译为“发光二极管”，顾名思义发光二极管是一种可以将电能转化为光能的电子器件具有二极管的特性。

目前不同的发光二极管可以发出从红外到蓝间不同波长的光线，目前发出紫色乃至紫外光的发光二极管也已经诞生。

除此之外还有在蓝光LED上涂上荧光粉，将蓝光转化成白光的白光LED。

制造LED的材料不同，可以产生具有不同能量的光子，借此可以控制LED所发出光的波长，也就是光谱或颜色。

历史上第一个LED所使用的材料是砷（As）化镓（Ga）,其正向PN结压降（VF，可以理解为点亮或工作电压）为1.424V，发出的光线为红外光谱。

另一种常用的LED材料为磷（P）化镓（Ga），其正向PN结压降为2.261V，发出的光线为绿光。

基于这两种材料，早期LED工业运用GaAs1-xPx材枓结构，理论上可以生产从红外光一直到绿光范围内任何波长的LED，下标X代表磷元素取代砷元素的百分比。

一般通过PN结压降可以确定LED的波长颜色。

其中典型的有GaAs0.6P0.4的红光LED，GaAs0.35P0.65的橙光LED，GaAs0.14P0.86的黃光LED等。

由于制造采用了鎵、砷、磷三种元素，所以俗称这些LED为三元素发光管。

而GaN（氮化镓）的蓝光LED、GaP的绿光LED和GaAs红外光LED，被称为二元素发光管。

而目前最新的工艺是用混合铝（Al）、钙（Ca）、铟（In）和氮（N）四种元素的AlGaInN的四元素材料制造的四元素LED，可以涵盖所有可见光以及部份紫外光的光谱范围。

发光强度：

发光强度的衡量单位有照度单位（勒克司Lux）、光通量单位（流明Lumen）、发光强度单位（烛光　Candlepower）1CD（烛光）指完全辐射的物体，在白金凝固点温度下，每六十分之一平方厘米面积的发光强度。

（以前指直径为2.2厘米，质量为75.5克的鲸油烛，每小时燃烧7.78克，火焰高度为4.5厘米，沿水平方向的发光强度）1L（流明）指1CD烛光照射在距离为1厘米，面积为1平方厘米的平面上的光通量。

1Lux（勒克司）指1L的光通量均匀地分布在1平方米面积上的照度。

一般主动发光体采用发光强度单位烛光　CD，如白炽灯、LED等；反射或穿透型的物体采用光通量单位流明L，如LCD投影机等；而照度单位勒克司Lux，一般用于摄影等领域。

三种衡量单位在数值上是等效的，但需要从不同的角度去理解。

比如：

如果说一部LCD投影机的亮度（光通量）为1600流明，其投影到全反射屏幕的尺寸为60英寸（1平方米），则其照度为1600勒克司，假设其出光口距光源1厘米，出光口面积为1平方厘米，则出光口的发光强度为1600CD。

而真正的LCD投影机由于光传播的损耗、反射或透光膜的损耗和光线分布不均匀，亮度将大打折扣，一般有50％的效率就很好了。

实际使用中，光强计算常常采用比较容易测绘的数据单位或变向使用。

对于LED显示屏这种主动发光体一般采用CD／平方米作为发光强度单位，并配合观察角度为辅助参数，其等效于屏体表面的照度单位勒克司；将此数值与屏体有效显示面积相乘，得到整个屏体的在最佳视角上的发光强度，假设屏体中每个像素的发光强度在相应空间内恒定，则此数值可被认为也是整个屏体的光通量。

一般室外LED显示屏须达到4000CD／平方米以上的亮度才可在日光下有比较理想的显示效果。

普通室内LED，最大亮度在700～2000CD／平方米左右。

单个LED的发光强度以CD为单位，同时配有视角参数，发光强度与LED的色彩没有关系。

单管的发光强度从几个mCD到五千mCD不等。

LED生产厂商所给出的发光强度指LED在20mA电流下点亮，最佳视角上及中心位置上发光强度最大的点。

封装LED时顶部透镜的形状和LED芯片距顶部透镜的位置决定了LED视角和光强分布。

一般来说相同的LED视角越大，最大发光强度越小，但在整个立体半球面上累计的光通量不变。

当多个LED较紧密规则排放，其发光球面相互叠加，导致整个发光平面发光强度分布比较均匀。

在计算显示屏发光强度时，需根据LED视角和LED的排放密度，将厂商提供的最大点发光强度值乘以30％～90％不等，作为单管平均发光强度。

一般LED的发光寿命很长，生产厂家一般都标明为100,000小时以上，实际还应注意LED的亮度衰减周期，如大部分用于汽车尾灯的UR红管点亮十几至几十小时后，亮度就只有原来的一半了。

亮度衰减周期与LED生产的材料工艺有很大关系，一般在经济条件许可的情况下应选用亮度衰减较缓慢的四元素LED。

配色、白平衡：

白色是红绿蓝三色按亮度比例混合而成，当光线中绿色的亮度为69%，红色的亮度为21％，蓝色的亮度为10％时，混色后人眼感觉到的是纯白色。

但LED红绿蓝三色的色品坐标因工艺过程等原因无法达到全色谱的效果，而控制原色包括有偏差的原色的亮度得到白色光，称为配色。

当为全彩色LED显示屏进行配色前，为了达到最佳亮度和最低的成本，应尽量选择三原色发光强度成大致为3:

6:

1比例的LED器件组成像素。

白平衡要求三种原色在相同的调灰值下合成的仍旧为纯正的白色。

原色、基色：

原色指能合成各种颜色的基本颜色。

色光中的原色为红、绿、蓝，下图为光谱表，表中的三个顶点为理想的原色波长。

如果原色有偏差，则可合成颜色的区域会减小，光谱表中的三角形会缩小，从视觉角度来看，色彩不仅会有偏差，丰富程度减少。

LED发出的红、绿、蓝光线根据其不同波长特性和大致分为紫红、纯红、橙红、橙、橙黄、黄、黄绿、纯绿、翠绿、蓝绿、纯蓝、蓝紫等，橙红、黄绿、蓝紫色较纯红、纯绿、纯蓝价格上便宜很多。

三个原色中绿色最为重要，因为绿色占据了白色中69％的亮度，且处于色彩横向排列表的中心。

因此在权衡颜色的纯度和价格两者之间的关系时，绿色是着重考虑的对象。

LED显示屏可依据下列条件分类：

（1）使用环境  LED显示屏按使用环境分为室内LED显示屏和室外LED显示屏。

（2）显示颜色  LED显示屏按显示颜色分为单基色LED显示屏（含伪彩色LED显示屏），双基色LED显示屏和全彩色（三基色）LED显示屏。

按灰度级又可分为16、32、64、128、256级灰度LED显示屏等。

（3）显示性能 LED显示屏按显示性能分为文本LED显示屏、图文LED显示屏，计算机视频LED显示屏，电视视频LED显示屏和行情LED显示屏等。

行情LED显示屏一般包括证券、利率、期货等用途的LED显示屏。

（4）基本发光点非行情类LED显示屏中，室内LED显示屏按采用的LED单点直径可分为Φ3mm、Φ375mm、Φ5mm、Φ8mm、和Φ10mm等显示屏；室外LED显示屏按象素间距可分为P16mm、P20mm和P22mm等LED显示屏。

行情类LED显示屏中按采用的数码管尺寸可分（0.8inch）、2.5cm（1.0inch）、3.0cm（1.2inch）、4.6cmm（1.8inch）、5.8cm（2.3inch）、7.6cm（3inch）等LED显示屏。

1.4　LED的综合优势

（1）LED在景观照明中的优势

LED光源除了无汞、节能、节材、对环境无电磁干扰、无有害射线五项优点之外，在照明领域中，特别是在景观照明中，还有很多优势。

如：

低压供电——无高压环节，为了绝缘的开销要小得多，可靠性高；

附件简单——无启动器、镇流器或超高压变压器；

结构简单——具有固体光源的最大优点，不充气，无玻璃外壳，无气体密封问题；

耐冲击可控性好——响应时间快（微秒数量级），可反复频繁亮灭，基本无惰性，不会疲倦；

色彩丰富——三基色加数码技术，可演变任意色彩；

轻质结构——节材，节约费用，对灯具强度和刚度要求很低；

体积小巧——大的LED灯具可看成由LED细胞组成，最小的LED仅为平方毫米数量级或更小；

柔性化好——LED光源的精巧，使LED能适应各种几何尺寸和不同空间大小的装饰照明要求，诸如：

点、线、面、球、异形式，乃至任意艺术造型的灯光雕塑。

（2）LED景观装饰灯具研发的特点由于LED具有上述一系列优势，LED在景观灯具的研发方面主要有以下几个方向：

常规景观灯具的升级常规景观灯具如：

园林灯，步道灯，地埋灯，小型射灯，草坪灯，快车道分道地灯，壁灯等。

光源采用LED，并结合变幻控制，可升级对景观的烘托，使其更具艺术品位。

非标异形景观灯具的开发在景观照明中，灯具安装要保护景观和环境，防止灯具有碍观瞻，要做到白天美化，夜幕下艺术亮化。

这就需要灯具的结构与安装因景制宜，因建筑特色制宜，很多标准灯具是满足不了以上要求的。

LED灯具设计的柔性化，特别适合因景制宜的非标灯具设计，使景观照明与景观协调，达到美化环境的新水平。

艺术化景观灯具开发灯具本身就是一种造型艺术，而LED光源将更能使景观灯具的艺术创意达到更高境界。

1.5　LED显示屏技术参数

表2-1P16室外全彩显示屏技术参数表

v发光二极管：

项目

生产厂家

纯红LED

美国AXT

纯绿LED

美国CREE

纯蓝LED

美国CREE

v像素矩阵块：

项目

参数

像素组成

2纯红1纯绿1纯蓝

物理像素间距

16mm

v模组：

项目

参数

模组像素矩阵

32点×32点

v整屏技术参数：

项目

参数

物理显示密度

3906像素/M2

视角

水平：

120°，垂直：

45°

视距

20～300m

显示模式

VGA同步显示

驱动方式

恒流驱动

亮度调节

64级手动／自动

显示颜色

16777216种

刷新频率

≥1050HZ/秒（PAL/NTSC）

控制距离

<120米（再远可采用光纤传输）

像素点误差

<±1mm

电源保护

具有超温、过流、过压等技术

工作电源

AC46～54HZ，220V±15%，380V±10%（三相五线制），分级上电

表2-2P20室外全彩显示屏技术参数表

v发光二极管：

项目

生产厂家

纯红LED

美国AXT

纯绿LED

美国CREE

纯蓝LED

美国CREE

v像素矩阵块：

项目

参数

像素组成

2纯红1纯绿1纯蓝

物理像素间距

16mm

v模组：

项目

参数

模组像素矩阵

32点×32点

箱体材料

钢质

v整屏技术参数：

项目

参数

整屏面积

物理显示密度

2500像素/M2

视角

水平：

120°，垂直：

45°

视距

20～300m

显示模式

VGA同步显示

驱动方式

恒流驱动

刷新方式

静态锁存

亮度调节

64级手动／自动

控制距离

<120米（再远可采用光纤传输）

整屏最大、平均功耗

9KW、3KW

寿命

>10万小时

工作环境温度

-25℃～+60℃

工作电源

AC46～54HZ，220V±15%，380V±10%（三相五线制），分级上电

表2-3Φ5室内双基色显示屏技术参数表

管芯：

项目

生产厂家

红LED

台湾光磊

绿LED

台湾光磊

像素矩阵块：

项目

参数

像素组成

1纯红1黄绿

物理像素间距

7.62mm

模组（单元板）：

项目

参数

模组像素矩阵

64点×32点

整屏技术参数：

项目

参数

物理显示密度

17200像素/M2

视角

水平：

120°，垂直：

65°

视距

5～100m

显示模式

VGA同步显示

驱动方式

恒流驱动

刷新方式

静态锁存

亮度调节

128级手动／自动

灰度等级及非线性纠偏

灰度等级：

256级，红、绿灰度非线性纠偏后各8bit，纠偏编码各16bitγ校正系数无级可调，可实现通信线路工作状态的检测和回报。

刷新频率

≥1050HZ/秒（PAL/NTSC）

控制距离

<120米（再远可用光纤传输）

整屏最大、平均功耗

0.25KW/m2、0.18KW/m2

寿命

>10万小时

工作环境温度

-50℃～+60℃

工作电源

AC46～54HZ，220V±15%，380V±10%（三相五线制），分级上电

表2-4Φ3.75室内双基色显示屏技术参数表

管芯：

项目

生产厂家

红LED

台湾光磊

绿LED

台湾光磊

像素矩阵块：

项目

参数

像素组成

1纯红1黄绿

物理像素间距

4.8mm

模组（单元板）：

项目

参数

模组像素矩阵

64点×32点

整屏技术参数：

项目

参数

物理显示密度

44100像素/M2

亮度

≥3700cd/M2

视角

水平：

120°，垂直：

65°

视距

5～100m

显示模式

VGA同步显示

驱动方式

恒流驱动

刷新方式

静态锁存

亮度调节

128级手动／自动

显示颜色

65536种

换帧频率

≥60帧/秒

控制距离

<300米（再远可用光纤传输）

像素点误差

<±0.5mm

整屏最大、平均功耗

0.40KW/m2、0.28KW/m2

电源保护

具有超温、过流、过压等技术

抗震能力

8级

工作电源

AC46～54HZ，220V±15%，380V±10%（三相五线制），分级上电

1.6　本章小结

本章是对LED显示屏在国内外的发展状况以及发展史进行一个简要的介绍。

主要介绍了LED各方面所占的优势，和几种常见显示屏的技术参数。

第2章　串行接口

2.1串行通信的工作原理

在各种单片机应用系统的设计中，如智能仪器仪表、各类手持设备、GPS接收器等，都会遇到怎样与PC机进行通讯的问题。

微机的主板通过并行口和串行口等与外设交换数据，并行口主要进行短距离的数据传送，传送速率较快，通常用作打印机的输出。

而长距离的数据传送只能采用串行口，串行口只需一根数据线进行数据传送，传送距离较长，投资较少，但传送速率较低。

因此，在数据量不大、传输要求不高的情况下，一般都采用串行通讯方式，即通过与PC机配置的RS-232标准串行接口COMl,COM2等相连接来实现应用系统与PC机之间的数据交换。

为了能使微机与单片机之间能通信，必须遵守相同的通信协议。

由于单片机的串行口以TTL电平进行输入输出，而微机的RS-232接口则采用+12V和的-12V电平方式，与PC机RS-232标准串行接口的电气规范不一致，因此要实现单片机与PC机之间的数据通读，必须进行电平转换。

一般常用的平转换器件有MC1488,MC1489及MAX232等，但MC1488,MC1489需要+-12V电源，这对于不具备+-12V电源的单片机系统是非常不便的，而双路RS-232收发器MAX232就是基于这一功能开发的新型器件[4]。

2.2RS-232C串行通信简介

串行通信接口标准经过使用和发展，目前已经有几种。

但都是在RS-232标准的基础上经过改进而形成的。

RS-232C标准是美国EIA（电子工业联合会）与BELL等公司一起开发的1969年公布的通信协议。

它适合于数据传输速率在0~20000b/s范围内的通信。

这个标准对串行通信接口的有关问题，如信号线功能、电器特性都作了明确规定。

由于通行设备厂商都生产与RS-232C制式兼容的通信设备，因此，它作为一种标准，目前已在微机通信接口中广泛采用。

RS-232C标准（协议）的全称是EIA-RS-232C标准，其中EIA（ElectronicIndustryAssociation）代表美国电子工业协会，RS（recommededstandard）代表推荐标准，232是标识号，C代表RS-232的最新一次修改（1969在这之前，有RS232B，RS232A）。

它规定连接电缆和机械、电气特性、信号功能及传送过程。

RS-232C规定标准接口有25条线，4条数据线、11条控制线、3条定时线、7条备用和未定义线，常用的只有9根，它们是：

（1）联络控制信号线：

数据装置准备好（Datasetready-DSR）——有效时（ON）状态，表明MODEM处于可以使用的状态。

数据终端准备好（Datasetready-DTR）——有效时（ON）状态，表明数据终端可以使用。

这两个信号有时连到电源上，一上电就立即有效。

这两个设备状态信号有效，只表示设备本身可用，并不说明通信链路可以开始