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摘要：生活中LED显示屏的应用越来越广，本文重点对大型室外LED显示屏的智能控制做了初步的研究，就控制回路做了详细介绍，对整个显示屏的智能环节做了分析，希望大家能通过本文对LED显示屏有更多的了解。
关键词：LED显示屏；屏内温度；屏内湿度；传感器；检测；控制
中图分类号：TP18文献标识码：A文章编号：1009-3044(2007)16-31123-02
Large Outdoor LED Display Intelligent Control
WANG Hao
(Yangzhou Education College physics,Yangzhou 225002,China)
Abstract:Life in the application of LED displays an ever-increasing focus on this large outdoor LED display of intelligent control to do a preliminary study on the control loop in detail, the entire display links to the intelligence analysis, we hope that through this paper, LED display more understanding.
Key words:LED Display;Screen temperature;The humidity screen;Sensor;;Detection;Control
1 LED显示屏简介
研究表明，人获得的信息中有近2／3是通过眼睛的。而显示技术，正是为人们提供各种各样重要信息的一个窗口；并且，可以想象，显示技术还有极其广阔的发展天地。显示技术的应用已经十分广泛，在体育场馆，大屏幕显示系统可以显示比赛实况以及比赛成绩、时间等；在交通运输行业，可以显示运行情况；在金融行业，可以实时显示金融信息，如股票、汇率等；在商业邮电系统，可以向广大顾客显示通知、消息、广告等等。显示技术还可以广泛应用于工农业生产、军事、医疗单位、公安系统乃至宇航事业等国民经济，社会生活和军事领域中，并起着重要作用。从显示方面讲，LED可以显示文字、数字（数码管），也可以显示图形图像（LED矩阵模块），从应用方面，LED显示即可以用于室内环境，也可以用于室外环境。
LED显示屏是利用发光二极管点阵模块或像素单元组成的平面式显示屏幕。由于它具有发光率高、使用寿命长、组态灵活、色彩丰富以及对室内外环境适应能力强等优点，自20世纪80年代后期开始，随着LED制造技术的不断完善，在国外得到了广泛的应用。LED显示屏经历了从单色、双色图文显示屏，到图象显示屏，一直到今天的全彩色视频显示屏的发展过程。无论在期间的性能（提高亮度LED显示器及蓝色发光灯等）和系统的组成（计算机化的全动态显示系统）等方面都取得了长足的进步。目前已经达到的超高亮度全彩色视频显示的水平，可以说能够满足各种应用条件的要求。其应用领域已经遍及交通、证券、电信、广告、宣传等各个方面。
室外LED显示屏显示系统为视频图像显示系统，由数据分配器、红绿双基色LED像素筒、显示单元模板、移位驱动电路、单元箱体组成,形成双基色显示。
数据分配器负责将控制器传来的数据进行缓冲、驱动并将数据分配到显示屏单元模板上。显示屏单元模板由红绿基色LED像素筒、显示单元模板、移位驱动电路、单元箱体组成。红绿基色LED像素筒采用台湾管芯封装技术，具有表面封装严密、防尘、防水、防震等优点。控制灯板用进口硅胶灌封，经过浸泡试验24小时可正常工作，灯板无接触件，屏体采用恒流源显示驱动器技术，其功率输出大而稳定，其亮度可安全稳定在7800cd/㎡发光强度上。可显示复杂的文字、图形和图像。
显示屏的电源系统是由电力配线、配电箱、电源管理模块、显示屏控制微机、显示屏专用稳压电源、交流传输电缆、直流传输电缆等组成。三相交流电通过交流传输电缆送到显示屏配电箱，由显示屏控制微机中的电源管理软件控制电源管理模块（即PLC电源管理系统）管理交流电源的通断，显示屏专用电源将交流电转换为显示屏需要的稳压直流电+5V，直流电通过直流传输电缆传送到显示屏显示单元上。
2 显示屏驱动电路
2.1概述
LED是一种固体光源，当它两端加上正向电压，半导体中的少数载流子和多数载流子发生复合，放出的过剩能量将引起光子发射。采用不同的材料，可制成不同颜色有发光二极管。作为一种新的光源，近年来各大公司和研究机构对LED的研究方兴未艾，使其光效得以大大提高，飞利浦与Agilent的合资公司目前已研发并生产出光效达到171m/W的白色LED，已达到白炽灯的水平。和白炽灯的相比较，LED在性能上具有很多优点，见下表：
表1 白炽灯与白色LED的性能比较
随着对LED研究的进一步深入，其光效将进一步得到提高，而其成本将一步下降，在不久的将来LED取代白炽灯甚至荧光灯而发展成21世纪的一种主要的照明光源将成为一种趋势。
新的光源呼唤新的电子镇流器，飞利浦照明电子在致力研发新的LED的同时，已于近年在全球各大开发中心开始了LED驱动电路的研究，在此研发领域已占据了世界领先的地位。
2.2 LED驱动电路概述
与荧光灯的电子镇流器不同，LED驱动电路的主要功能是将交流电压转换为直流电压，并同时完成与LED的电压和电流的匹配。
LED的正向伏安特性如图1所示：
图1 LED正向伏安特性
所以，LED伏安特性的数字模型可用下式表示
VF=Vturn-on+RsIF+（ΔVF/ΔT）（T-25℃） （1）
其中，Vturn-on 是LED的启动电压
Rs 表示伏安曲线的斜率
T 环境温度
ΔVF/ΔT是LED正向电压的温度系数，对于多数LED而言典型值为-2V/℃。
从LED的伏安曲线及数字模型看，LED在正向导通后其正向电压的细小变动将引起LED电流的很大变化，并且，环境温度，LED老化时间等因素也将改变影响LED的电气性能。而LED的光输出直接与LED电流相关，所以LED驱动电路在输入电压和环境温度等因素发生变动的情况下最好能控制LED电流的大小。否则，LED的光输出将随输入电压和温度等因素变化而变化，并且，若LED电流失控，LED长期工作在大电流下将影响LED的可靠性和寿命，并有可能失效。
这种LED驱动电路主要由电源隔离变压器，AC-DC整流器和限流电阻组成，变压器起到隔离和变压的作用，而限流电阻的作用主要是控制LED电流，限流电阻R应该比LED的正向等效电阻Rs要大，这样才能克服LED电流随输入电压和环境温度等因素而产生的变化，但是从效率角度，却不应取得太大。
在实际运用中，负载常采用通过串并联形成的LED阵列，这会使输出电流随输入电压和环境温度等因素而发生的变化更加显著，并且阵列形式或LED个数变化，限流电阻也应相应变化，所以采用这种简单结构的LED驱动电路一般只适合于驱动阵列形式固定的，并且灯个数较少的LED陈列。
LED驱动电路主体结构在完成向负载提供直流电压的同时，既实现了功率因数的校正，又完成了负载与电源的隔离。LED驱动电路的另一个任务是使LED的负载电流能够在各种因素的影响下都能控制在预先设计的水平上。电路将一个基准电压或电流信号与LED负载电压或电流信号送入信号控制模块中进行比较，误差信号经处理后送回初级控制IC中进行处理，当负载电流因各种因素而产生变化时，初级控制IC可以通过控制开关使负载电流回到初始设计值上。
2.3 LED数字RGB混合控制系统
LED数字RGB控制系统通过调配红、绿、蓝三种LED发出光的强度，在一定温度范围内和在LED整个寿命周期内都能达到不同亮度不同颜色不同色调的光输出。利用光电二极管对三种颜色的光进行采样，然后利用DSP及控制算法完成对三种光的混合从而最终达到对光的强度，颜色和色调的控制。三个光电二极管分别对三种颜色进行采样，并转化为电信号，经放大滤波后分别进入三个PWM转换器，DSP对三个采样信号进行软件处理后通过对PWM的调节控制以达到对流经三个LED电流的控制，进而完成对光最终的强度，颜色和色调的控制。
本系统克服了LED因批量性能容差，环境温度等因素而产生的性能偏差，通过精确的软件控制，在任意情形下都能达到稳定的，高质量的，颜色，色调和亮度都可随意调控的光。并且在本系统中也设计了友好的人界面，使用户能够对控制参数任意设定，从而能自如地使用这种人性化的照明系统。
3 屏内温度的控制
户外显示屏根据安装在不同地区以及工作在不同季节需要对屏体内部温度进行调节。使用屏体温度恒温控制器，满足了不同地域、不同季节的工作环境温度的要求，从而保证了显示屏控制系统的正常运行。
温度设定范围：0－20°C。
当屏体内部低于零度时，开放热风幕加热。
当屏体内部温度小于20°C时，开放空调降温。
当屏体内部温度在0－20°C之间时，热风幕及空调均不启动。
温度过高，设备元器件的使用寿命会受到严重的影响，如果过低，则容易造成元器件的损坏，所以，温度必须控制在0－20°C之间。
4 屏内湿度的控制
针对各地位置不同，温度、湿度也都大不相同，故需要对显示屏内的温度和湿度进行检测和控制，如果温度过高，会把元器件烧坏，影响元器件的使用寿命，如果湿度过大，也会造成短路，所以，温度和湿度的控制都是很关键的。
湿度传感器摆放在屏内五个地方，中间和四个角落各摆一个，根据五个传感器传来的参数取平均值，如果湿度过大，启动加热系统。
5 总结
LED(light-emitting diode)显示屏系统是将光电、计算机以及控制等技术综合一体的现代新技术，目前已是户外广告和信息显示的重要媒体，它与传统的广告宣传紧密结合成为新的媒体宣传工具。它比其它媒体如霓虹灯、布饰射灯、看板、指示牌等更具有动感，其变化的速度、内容、方式是其它媒体所不能比美的。它可承担文字、图形、图像的实时发布工作，对生产,生活更具有实时性和机动实用性。同时它还起到美化环境，烘托气氛的重要作用。
综上所述，显示屏必须具备下列四个基本条件：
(1)明显性：能吸引路人的注意，让他们去观看显示屏上的信息。
(2)易读性：显示于显示屏上的资讯，通常以文字、数字、简单图形为主，必须能让路人在适当的距离便能很容易的读取显示的信息。
(3)易理解性：显示的信息必须是容易路人在很短时间内，清楚地明了所显示信息的内容、意义。
可信赖性：能够值得路人相信，不能和小广告的那样很没有可信力。
另外，室外显示屏设计根据安装的地点、位置、设计成坚固、耐用、抗风、防雨、防尘、防潮、具有密封性能好、散热性能好、保温性能好、实用性强、艺术观赏性好的框架。用户根据自己的需要可设计在醒目的位置上，设计一个与整体环境相匹配的造型，也可委托其他专业厂家专门设计、制造。
6 室外显示屏的发展趋势
目前室外LED显示屏的显示正向更高亮度、更耐气候性，更高的发光均匀性 、更高的可靠性、全色化发展，其显示媒体也向多媒体（静/动态图文、视频图像、音频同步）方向发展，系统地运行操作与维护也向集成化、网络化、智能化方向发展。标准化和规范化将成为室外LED显示屏发展的一个新趋势。室外LED显示屏的应用前景更为广阔，产品结构将呈现多样化。2008年北京奥运和2010年上海世博会的举办，为LED显示屏带来了巨大的商机。在体育馆信息显示，道路交通信息显示等领域，室外LED显示屏的市场将会显著增加，同时也将为整个LED显示产业的总体提升形成新的发展机遇。
参考文献：
[1]李江.等.交通工程学[M].人民交通出版社,2002.
[2]何立民.MCS-51系列单片机应用系统设计系统配置与接口技术.北京航空航天大学出版社,1990.
[3]王幸之.等.单片机应用系统抗干扰技术.北京航空航天大学出版社,2000.
[4]郑曦阳,刘群.展示设计技巧与禁忌,机械工业出版社,2007年6月.
[5]丁有生.电光源机械设备.人民邮电出版社,2007年8月.
[6]罗秀冬.LED显示屏系统原理[J].哈尔滨铁道科技,2004,(01).
注:“本文中所涉及到的图表、公式注解等形式请以PDF格式阅读原文。”
关键词：LED显示屏；屏内温度；屏内湿度；传感器；检测；控制
中图分类号：TP18文献标识码：A文章编号：1009-3044(2007)16-31123-02
Large Outdoor LED Display Intelligent Control
WANG Hao
(Yangzhou Education College physics,Yangzhou 225002,China)
Abstract:Life in the application of LED displays an ever-increasing focus on this large outdoor LED display of intelligent control to do a preliminary study on the control loop in detail, the entire display links to the intelligence analysis, we hope that through this paper, LED display more understanding.
Key words:LED Display;Screen temperature;The humidity screen;Sensor;;Detection;Control
1 LED显示屏简介
研究表明，人获得的信息中有近2／3是通过眼睛的。而显示技术，正是为人们提供各种各样重要信息的一个窗口；并且，可以想象，显示技术还有极其广阔的发展天地。显示技术的应用已经十分广泛，在体育场馆，大屏幕显示系统可以显示比赛实况以及比赛成绩、时间等；在交通运输行业，可以显示运行情况；在金融行业，可以实时显示金融信息，如股票、汇率等；在商业邮电系统，可以向广大顾客显示通知、消息、广告等等。显示技术还可以广泛应用于工农业生产、军事、医疗单位、公安系统乃至宇航事业等国民经济，社会生活和军事领域中，并起着重要作用。从显示方面讲，LED可以显示文字、数字（数码管），也可以显示图形图像（LED矩阵模块），从应用方面，LED显示即可以用于室内环境，也可以用于室外环境。
LED显示屏是利用发光二极管点阵模块或像素单元组成的平面式显示屏幕。由于它具有发光率高、使用寿命长、组态灵活、色彩丰富以及对室内外环境适应能力强等优点，自20世纪80年代后期开始，随着LED制造技术的不断完善，在国外得到了广泛的应用。LED显示屏经历了从单色、双色图文显示屏，到图象显示屏，一直到今天的全彩色视频显示屏的发展过程。无论在期间的性能（提高亮度LED显示器及蓝色发光灯等）和系统的组成（计算机化的全动态显示系统）等方面都取得了长足的进步。目前已经达到的超高亮度全彩色视频显示的水平，可以说能够满足各种应用条件的要求。其应用领域已经遍及交通、证券、电信、广告、宣传等各个方面。
室外LED显示屏显示系统为视频图像显示系统，由数据分配器、红绿双基色LED像素筒、显示单元模板、移位驱动电路、单元箱体组成,形成双基色显示。
数据分配器负责将控制器传来的数据进行缓冲、驱动并将数据分配到显示屏单元模板上。显示屏单元模板由红绿基色LED像素筒、显示单元模板、移位驱动电路、单元箱体组成。红绿基色LED像素筒采用台湾管芯封装技术，具有表面封装严密、防尘、防水、防震等优点。控制灯板用进口硅胶灌封，经过浸泡试验24小时可正常工作，灯板无接触件，屏体采用恒流源显示驱动器技术，其功率输出大而稳定，其亮度可安全稳定在7800cd/㎡发光强度上。可显示复杂的文字、图形和图像。
显示屏的电源系统是由电力配线、配电箱、电源管理模块、显示屏控制微机、显示屏专用稳压电源、交流传输电缆、直流传输电缆等组成。三相交流电通过交流传输电缆送到显示屏配电箱，由显示屏控制微机中的电源管理软件控制电源管理模块（即PLC电源管理系统）管理交流电源的通断，显示屏专用电源将交流电转换为显示屏需要的稳压直流电+5V，直流电通过直流传输电缆传送到显示屏显示单元上。
2 显示屏驱动电路
2.1概述
LED是一种固体光源，当它两端加上正向电压，半导体中的少数载流子和多数载流子发生复合，放出的过剩能量将引起光子发射。采用不同的材料，可制成不同颜色有发光二极管。作为一种新的光源，近年来各大公司和研究机构对LED的研究方兴未艾，使其光效得以大大提高，飞利浦与Agilent的合资公司目前已研发并生产出光效达到171m/W的白色LED，已达到白炽灯的水平。和白炽灯的相比较，LED在性能上具有很多优点，见下表：
表1 白炽灯与白色LED的性能比较
随着对LED研究的进一步深入，其光效将进一步得到提高，而其成本将一步下降，在不久的将来LED取代白炽灯甚至荧光灯而发展成21世纪的一种主要的照明光源将成为一种趋势。
新的光源呼唤新的电子镇流器，飞利浦照明电子在致力研发新的LED的同时，已于近年在全球各大开发中心开始了LED驱动电路的研究，在此研发领域已占据了世界领先的地位。
2.2 LED驱动电路概述
与荧光灯的电子镇流器不同，LED驱动电路的主要功能是将交流电压转换为直流电压，并同时完成与LED的电压和电流的匹配。
LED的正向伏安特性如图1所示：
图1 LED正向伏安特性
所以，LED伏安特性的数字模型可用下式表示
VF=Vturn-on+RsIF+（ΔVF/ΔT）（T-25℃） （1）
其中，Vturn-on 是LED的启动电压
Rs 表示伏安曲线的斜率
T 环境温度
ΔVF/ΔT是LED正向电压的温度系数，对于多数LED而言典型值为-2V/℃。
从LED的伏安曲线及数字模型看，LED在正向导通后其正向电压的细小变动将引起LED电流的很大变化，并且，环境温度，LED老化时间等因素也将改变影响LED的电气性能。而LED的光输出直接与LED电流相关，所以LED驱动电路在输入电压和环境温度等因素发生变动的情况下最好能控制LED电流的大小。否则，LED的光输出将随输入电压和温度等因素变化而变化，并且，若LED电流失控，LED长期工作在大电流下将影响LED的可靠性和寿命，并有可能失效。
这种LED驱动电路主要由电源隔离变压器，AC-DC整流器和限流电阻组成，变压器起到隔离和变压的作用，而限流电阻的作用主要是控制LED电流，限流电阻R应该比LED的正向等效电阻Rs要大，这样才能克服LED电流随输入电压和环境温度等因素而产生的变化，但是从效率角度，却不应取得太大。
在实际运用中，负载常采用通过串并联形成的LED阵列，这会使输出电流随输入电压和环境温度等因素而发生的变化更加显著，并且阵列形式或LED个数变化，限流电阻也应相应变化，所以采用这种简单结构的LED驱动电路一般只适合于驱动阵列形式固定的，并且灯个数较少的LED陈列。
LED驱动电路主体结构在完成向负载提供直流电压的同时，既实现了功率因数的校正，又完成了负载与电源的隔离。LED驱动电路的另一个任务是使LED的负载电流能够在各种因素的影响下都能控制在预先设计的水平上。电路将一个基准电压或电流信号与LED负载电压或电流信号送入信号控制模块中进行比较，误差信号经处理后送回初级控制IC中进行处理，当负载电流因各种因素而产生变化时，初级控制IC可以通过控制开关使负载电流回到初始设计值上。
2.3 LED数字RGB混合控制系统
LED数字RGB控制系统通过调配红、绿、蓝三种LED发出光的强度，在一定温度范围内和在LED整个寿命周期内都能达到不同亮度不同颜色不同色调的光输出。利用光电二极管对三种颜色的光进行采样，然后利用DSP及控制算法完成对三种光的混合从而最终达到对光的强度，颜色和色调的控制。三个光电二极管分别对三种颜色进行采样，并转化为电信号，经放大滤波后分别进入三个PWM转换器，DSP对三个采样信号进行软件处理后通过对PWM的调节控制以达到对流经三个LED电流的控制，进而完成对光最终的强度，颜色和色调的控制。
本系统克服了LED因批量性能容差，环境温度等因素而产生的性能偏差，通过精确的软件控制，在任意情形下都能达到稳定的，高质量的，颜色，色调和亮度都可随意调控的光。并且在本系统中也设计了友好的人界面，使用户能够对控制参数任意设定，从而能自如地使用这种人性化的照明系统。
3 屏内温度的控制
户外显示屏根据安装在不同地区以及工作在不同季节需要对屏体内部温度进行调节。使用屏体温度恒温控制器，满足了不同地域、不同季节的工作环境温度的要求，从而保证了显示屏控制系统的正常运行。
温度设定范围：0－20°C。
当屏体内部低于零度时，开放热风幕加热。
当屏体内部温度小于20°C时，开放空调降温。
当屏体内部温度在0－20°C之间时，热风幕及空调均不启动。
温度过高，设备元器件的使用寿命会受到严重的影响，如果过低，则容易造成元器件的损坏，所以，温度必须控制在0－20°C之间。
4 屏内湿度的控制
针对各地位置不同，温度、湿度也都大不相同，故需要对显示屏内的温度和湿度进行检测和控制，如果温度过高，会把元器件烧坏，影响元器件的使用寿命，如果湿度过大，也会造成短路，所以，温度和湿度的控制都是很关键的。
湿度传感器摆放在屏内五个地方，中间和四个角落各摆一个，根据五个传感器传来的参数取平均值，如果湿度过大，启动加热系统。
5 总结
LED(light-emitting diode)显示屏系统是将光电、计算机以及控制等技术综合一体的现代新技术，目前已是户外广告和信息显示的重要媒体，它与传统的广告宣传紧密结合成为新的媒体宣传工具。它比其它媒体如霓虹灯、布饰射灯、看板、指示牌等更具有动感，其变化的速度、内容、方式是其它媒体所不能比美的。它可承担文字、图形、图像的实时发布工作，对生产,生活更具有实时性和机动实用性。同时它还起到美化环境，烘托气氛的重要作用。
综上所述，显示屏必须具备下列四个基本条件：
(1)明显性：能吸引路人的注意，让他们去观看显示屏上的信息。
(2)易读性：显示于显示屏上的资讯，通常以文字、数字、简单图形为主，必须能让路人在适当的距离便能很容易的读取显示的信息。
(3)易理解性：显示的信息必须是容易路人在很短时间内，清楚地明了所显示信息的内容、意义。
可信赖性：能够值得路人相信，不能和小广告的那样很没有可信力。
另外，室外显示屏设计根据安装的地点、位置、设计成坚固、耐用、抗风、防雨、防尘、防潮、具有密封性能好、散热性能好、保温性能好、实用性强、艺术观赏性好的框架。用户根据自己的需要可设计在醒目的位置上，设计一个与整体环境相匹配的造型，也可委托其他专业厂家专门设计、制造。
6 室外显示屏的发展趋势
目前室外LED显示屏的显示正向更高亮度、更耐气候性，更高的发光均匀性 、更高的可靠性、全色化发展，其显示媒体也向多媒体（静/动态图文、视频图像、音频同步）方向发展，系统地运行操作与维护也向集成化、网络化、智能化方向发展。标准化和规范化将成为室外LED显示屏发展的一个新趋势。室外LED显示屏的应用前景更为广阔，产品结构将呈现多样化。2008年北京奥运和2010年上海世博会的举办，为LED显示屏带来了巨大的商机。在体育馆信息显示，道路交通信息显示等领域，室外LED显示屏的市场将会显著增加，同时也将为整个LED显示产业的总体提升形成新的发展机遇。
参考文献：
[1]李江.等.交通工程学[M].人民交通出版社,2002.
[2]何立民.MCS-51系列单片机应用系统设计系统配置与接口技术.北京航空航天大学出版社,1990.
[3]王幸之.等.单片机应用系统抗干扰技术.北京航空航天大学出版社,2000.
[4]郑曦阳,刘群.展示设计技巧与禁忌,机械工业出版社,2007年6月.
[5]丁有生.电光源机械设备.人民邮电出版社,2007年8月.
[6]罗秀冬.LED显示屏系统原理[J].哈尔滨铁道科技,2004,(01).
注:“本文中所涉及到的图表、公式注解等形式请以PDF格式阅读原文。”