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广州莱安智能化系统开发有限公司 LED显示屏设计方案
LED显示屏的特点
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一、什么是LED？
　　在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。
　　LED的发光颜色和发光效率与制作LED的材料和工艺有关，目前广泛使用的有红、绿、蓝三种。由于LED工作电压低（仅1.5-3V），能主动发光且有一定亮度，亮度又能用电压（或电流）调节，本身又耐冲击、抗振动、寿命长（10万小时），所以在大型的显示设备中，目前尚无其他的显示方式与LED显示方式匹敌。
把红色和绿色的LED放在一起作为一个象素制作的显示屏叫双色屏或彩色屏；把红、绿、蓝三种LED管放在一起作为一个象素的显示屏叫三色屏或全彩屏。制作室内LED屏的象素尺寸一般是2-10毫米，常常采用把几种能产生不同基色的LED管芯封装成一体，室外LED屏的象素尺寸多为12-26毫米，每个象素由若干个各种单色LED组成，常见的成品称象素筒，双色象素筒一般由3红2绿组成，三色象素筒用2红1绿1兰组成。
　　无论用LED制作单色、双色或三色屏，欲显示图象需要构成象素的每个LED的发光亮度都必须能调节，其调节的精细程度就是显示屏的灰度等级。灰度等级越高，显示的图像就越细腻，色彩也越丰富，相应的显示控制系统也越复杂。一般256级灰度的图像，颜色过渡已十分柔和，而16级灰度的彩色图像，颜色过渡界线十分明显。所以，彩色LED屏当前都要求做成256级灰度的。
二、控制LED亮度的方法：
　　有两种控制LED亮度的方法。一种是改变流过LED的电流，一般LED管允许连续工作电流在20毫安左右，除了红色LED有饱和现象外，其他LED亮度基本上与流过的电流成比例；另一种方法是利用人眼的视觉惰性，用脉宽调制方法来实现灰度控制，也就是周期性改变光脉冲宽度（即占空比），只要这个重复点亮的周期足够短（即刷新频率足够高），人眼是感觉不到发光象素在抖动。由于脉宽调制更适合于数字控制，所以在普遍采用微机来提供LED显示内容的今天，几乎所有的LED屏都是采用脉宽调制来控制灰度等级的。
　　LED的控制系统通常由主控箱、扫描板和显控装置三大部分组成。主控箱从计算机的显示卡中获取一屏象素的各色亮度数据，然后重新分配给若干块扫描板，每块扫描板负责控制LED屏上的若干行（列），而每一行（列）上LED的显控信号则用串行的方式传送。目前有两种串行传送显示控制信号的方式：一种是扫描板上集中控制各象素点灰度，扫描板将来自控制箱的各行象素的亮度值进行分解（即脉宽调制），然后将各行LED的开通信号以脉冲形式（点亮为1，不亮为0）按行用串行方式传输到相应的LED上，控制其是否点亮。这种方式使用器件较少，但串行传输的数据量较大，因为在一个重复点亮的周期内，每个象素在16级灰度下需要16个脉冲，在256级灰度下需要256个脉冲，由于器件工作频率限制，一般只能使LED屏做到16级灰度。
　　另一种方法是扫描板串行传输的内容不是每个LED的开关信号而是一个8位二进制的亮度值。每个LED都有一个自己的脉宽调制器来控制点亮时间。这样，在一个重复点亮的周期内，每个象素点在16级灰度下只需要4个脉冲，256级灰度下只需8个脉冲，大大降低了串行传输频率。用这种分散控制LED灰度的方法可以很方便地实现256级灰度控制。
LED发光材料的特点
1968年HP公司就生产出红色的LED发光灯（波长660nm）, 而后陆续出现了可用于显示屏的黄绿(波长570nm),蓝(波长470nm)及纯绿(波长525nm),但目前由于高亮度的蓝色及纯绿色半导体晶片制造技术主要掌握在日本，美国等少数公司手中，造成价格比较昂贵。 应用于显示屏的LED发光材料有以下几种形式：
① LED发光灯(或称单灯)
　　一般由单个LED晶片，反光碗，金属阳极，金属阴极构成，外包具有透光聚光能力的环氧树脂外壳。可用一个或多个（不同颜色的）单灯构成一个基本像素，由于亮度高，多用于户外显示屏。
② LED点阵模块
由若干晶片构成发光矩阵,用环氧树脂封装于塑料壳内。适合行列扫描驱动，容易构成高密度的显示屏，多用于户内显示屏。
③ 贴片式LED发光灯(或称SMD LED)
就是LED发光灯的贴焊形式的封装，可用于户内全彩色显示屏，可实现单点维护，有效克服马赛克现象
LED显示屏的分类
　　LED显示屏分类多种多样，大体按照如下几种方式分类：
① 按使用环境分为户内,户外及半户外
　　户内屏面积一般从不到1平米到十几平米,点密度较高，在非阳光直射或灯光照明环境使用，观看距离在几米以外，屏体不具备密封防水能力。
　　户外屏面积一般从几平米到几十甚至上百平米，点密度较稀(多为1000-4000点每平米),发光亮度在3000-6000cd/平米(朝向不同，亮度要求不同)，可在阳光直射条件下使用，观看距离在几十米以外，屏体具有良好的防风抗雨及防雷能力。
半户外屏介于户外及户内两者之间,具有较高的发光亮度,可在非阳光直射户外下使用，屏体有一定的密封，一般在屋檐下或橱窗内。
② 按颜色分为单色，双基色，三基色
　　单色是指显示屏只有一种颜色的发光材料，多为单红色，在某些特殊场合也可用黄绿色(例如殡仪馆)。
　　双基色屏一般由红色和黄绿色发光材料构成。
　　三基色屏分为全彩色(full color),由红色，黄绿色(波长570nm)，蓝色构成及真彩色(nature color),由红色，纯绿色(波长525nm),蓝色构成。
③ 按控制或使用方式分同步和异步
　　同步方式是指LED显示屏的工作方式基本等同于电脑的监视器，它以至少30场/秒的更新速率点点对应地实时映射电脑监视器上的图像,通常具有多灰度的颜色显示能力，可达到多媒体的宣传广告效果。
异步方式是指LED屏具有存储及自动播放的能力，在PC机上编辑好的文字及无灰度图片通过串口或其他网络接口传入LED屏,然后由LED屏脱机自动播放，一般没有多灰度显示能力，主要用于显示文字信息，可以多屏联网。
④ 按像素密度或像素直径划分
　　由于户内屏采用的LED点阵模块规格比较统一所以通常按照模块的像素直径划分主要有：
　　∮3.0mm 60000像素/平米
　　∮3.75mm 44100像素/平米
　　∮5.0mm 17200像素/平米
　　户外屏的像素直径及像素间距目前没有十分统一的标准，按每平米像素数量大约有1024点，1600点,2000点,2500点,4096点等多种规格。

LED显示屏的选择
一、 屏体尺寸设计
　　在设计屏体大小时,有三个重要的因素:
　　(1) 显示内容的需要
　　(2) 场地空间条件
　　(3) 显示屏单元模板尺寸（室内屏）或象素大小（户外屏）
　　在设计室内显示屏的几何尺寸时，应以显示屏单元模板的尺寸为基础。一块单元模板分辨率一般为32行× 80列，即共有2560个象素，其几何尺寸如下：
　　φ3.75mm单元模板尺寸为：152 mm（高）×381 mm（宽）
　　φ5 mm单元模板尺寸为： 245 mm（高）×610 mm（宽）
　　室内显示屏体外边框的尺寸可按要求确定，一般应与屏体大小成比例。外边框的尺寸通常为5cm-10cm（每边）。
对于户外屏而言，首先要确定象素尺寸。象素尺寸的选定除了应考虑前面提到的显示内容的需要和场地空间因素外，还应考虑安装位置和视距。若安装位置与主体视距越远，则象素尺寸应越大，因为象素尺寸越大，象素内的发光管就越多，亮度就越高，而有效视距也就越远。但是，象素尺寸越大，单位面积的象素分辨率就越低，显示的内容也就越少。
耗电与电源要求
　　显示屏的耗电量分为平均耗电量和最大耗电量。平均耗电量又称工作电量是平时实际耗电量。最大耗电量是启动时或全亮等极端情况时的耗电量，最大耗电量是交流电供电（线径，开关等）必须考虑的要素。
φ5 mm显示屏耗电量:
　　单色平均耗电量：200W/平方米；最大耗电量：450W/平方米
　　双基色平均耗电量 700W/平方米；最大耗电量1000W/平方米
φ3.75mm显示屏耗电量=φ5 mm显示屏耗电量×2.5倍
　　显示屏属大型精密电子设备，为了安全使用及可靠工作，其AC220V电源输入端或与其相连微机的AC220V电源输入端必须接大地
　　注：微机的AC220V电源输入接地端已与微机机壳相连。
户外屏须特别考虑的问题
　　户外屏的主要问题如下:
　　（1） 显示屏安装在户外，经常日晒雨淋，风吹尘盖，工作环境恶劣。电子设备被淋湿或严重受潮会引起短路甚至起火，引发故障甚至火灾，造成损失。
　　（2） 显示屏可能会受到雷电引起的强电强磁袭击。
　　（3） 环境温度变化极大。显示屏工作时本身就要产生一定的热量，如果环境温度过高而散热又不良，集成电路可能工作不正常，甚至被烧毁，从而使显示系统无法正常工作。
　　（4） 受众面宽，视距要求远、视野要求广；环境光变化大，特别是可能受到阳光直射。
针对以上特殊要求，户外显示屏必须做到：
　　（1） 屏体及屏体与建筑的结合部必须严格防水防漏；屏体要有良好的排水措施，一旦发生积水能顺利排放。
　　（2） 在显示屏及建筑物上安装避雷装置。显示屏主体和外壳保持良好接地，接地电阻小于3欧姆，使雷电引起的大电流及时泄放。
　　（3） 安装通风设备降温，使屏体内部温度在-10℃～40℃之间。屏体背后上方安装轴流风机，排出热量。
　　（4） 选用工作温度在-40℃～80℃之间的工业级集成电路芯片，防止冬季温度过低使显示屏不能启动。
　　（5） 为了保证在环境光强烈的情况下远距离可视，必须选用超高亮度发光二极管。
　　（6） 显示介质选用新型广视角管，视角宽阔，色彩纯正，一致协调,寿命超过10万小时。显示介质的外封装为目前最流行的带遮沿方形筒体，硅胶密封，无金属化装配；其外型精致美观，坚固耐用，具有防阳光直射、防尘、防水、防高温、防电路短路"五防"特点。
LED显示屏的基本构成
简单地讲LED显示屏就是由若干个可组合拼接的显示单元(单元显示板或单元显示箱体)构成屏体，再加上一套适当的控制器(主控板或控制系统)。所以多种规格的显示板(或单元箱体)配合不同控制技术的控制器就可以组成许多种LED显示屏，以满足不同环境，不同显示要求的需要。
仔细分解一个LED显示屏，它由以下一些要素构成(以较为复杂的同步视频屏为例):
① 金属结构框架
　　户内屏一般由铝合金(角铝或铝方管)构成内框架，搭载显示板等各种电路板以及开关电源，外边框采用茶色铝合金方管，或铝合金包不锈钢，或钣金一体化制成。
户外屏框架根据屏体大小及承重能力一般为角钢或工字钢构成，外框可采用铝塑板进行装饰。
② 显示单元
　　是显示屏的主体部分，由发光材料及驱动电路构成。户内屏就是各种规格的单元显示板，户外屏就是单元箱体。
③ 扫描控制板
　　该电路板的功能是数据缓冲，产生各种扫描信号以及占空比灰度控制信号。
④ 开关电源
　　将220V交流电变为各种直流电提供给各种电路。
⑤ 双绞线传输电缆
主控仪产生的显示数据及各种控制信号由双绞线电缆传输至屏体。
⑥ 主控制仪
将输入的RGB数字视频信号缓冲，灰度变换，重新组织，并产生各种控制信号。
⑦ 专用显示卡及多媒体卡
除具有电脑显示卡的基本功能外还同时输出数字RGB信号及行，场，消隐等信号给主控仪。多媒体除以上功能外还可将输入的模拟Video信号变为数字RGB信号(即视频采集)。
⑧ 电脑及其外设
⑨ 其他信息源
电视机，DVD/VCD机,摄录像机及切换矩阵等。
真彩色LED屏与其他平板显示的比较
发光二极管(Lighted Electronic Diode)作为显示器材早期仅应用于仪器仪表等低亮度领域，随着半导体材料技术的不断发展，亮度逐渐提高，稳定性及寿命逐渐延长，色彩逐渐丰富，迅速进入大屏幕工程显示领域。尤其在体育场馆等场合的应用，因其超高亮度，色彩鲜艳，长寿稳定，已成一统天下之势。而近几年LED显示材料的产量迅猛增长，成本迅速下降，使其进入户内高密度大屏幕市场成为可能。户内LED大屏幕的发展呈现如下几个发展阶段：
1． 第一代 单色LED显示屏
以单红色为基色，显示文字及简单图案为主，主要用于通知通告及客流引导系统。
2． 第二代 双基色多灰度显示屏
以红色及黄绿色为基色，因没有蓝色，只能称其为伪彩色，可以显示多灰度图象及视频，目前在国内广泛应用于电信，银行，税务，医院，政府机构等场合，主要显示标语，公益广告及形象宣传信息。
3． 第三代 全彩色(full color)多灰度显示屏
以红色，蓝色及黄绿色为基色，可以显示较为真实的图象，目前正在逐渐替代上一代产品。
4． 第四代 真彩色(true color)多灰度显示屏
以红色，蓝色及纯绿色为基色，可以真实再现自然界的一切色彩(在色坐标上甚至超过了自然色彩范围)。可以显示各种视频图象及彩色广告，其艳丽的色彩，鲜亮的高亮度，细腻的对比度，在宣传广告领域应用具有极好的视觉震撼力。 益泰集团生产的真彩色5mm户内大屏幕属于上述第四代产品。它具有高亮度，不受环境亮度影响，厚度薄，占用场地小，色彩鲜艳丰富，视角宽，可以在宽敞的厅堂环境应用，没有拼接图象损失。其与其他几种可用于户内显示的大屏幕相比较情况如下：
项目
介绍
优点
缺点
真彩色LED
1.就是发光二极管(Lighted Electronic Diode)。
2.利用二极管的单向导电性，用电子线路控制其色彩和灰度，实现图文显示。
1.亮度高，是主动发光器材，不受环境影响，使用寿命长，个别像素损坏可维护且不影响全局。
2.色彩艳丽，视角大。没有拼接图象损失，可以作为数平米的大屏幕使用。
3.是真正的纯数字显示器材。
目前点密度不高，不适合近距离观看。
PDP
1.就是等离子体显示(Plasma Display)。
2.在整块玻璃上刻蚀加工后填涂发光物质，用电子线路控制其色彩和灰度，实现图文显示。
薄板，节约空间，使用方便。
屏幕小(42英寸居多，难以超过52英寸)价格昂贵。 不能修补。不能拼接使用。
CRT
1.就是阴极射线管(Cathode Ray Tubes)。
2.利用阴极射线(电子束)轰击玻壳上涂的荧光物质发光成像。 CRT投影机即常说的"三枪机"或"三管机"，因它有三个CRT分别发红R绿G蓝B光，经汇聚成像。
色彩还原性好。
尺寸小，分辨率低。电视机最大34寸、38寸。非平面显示，图象有一定失真。拼接成电视墙使用有曲面失真。
F-PRJ
1.即是正投影显示（Front Projection）。即LCD 投影。
2. 人与投影机分布在屏幕同侧。人眼靠投影机在屏幕上的反射光来观看图像
超大屏幕，图像几乎可以任意大小。价格相对较低，结构简单，容易做到高分辨率。
亮度低，受环境光影响大，对比度低，一体性差。寿命短，不适合长时间使用。属于模拟器材，图象模糊。
R-PRJ
1.即是背投影显示（Rear Projection）。
2.人与投影机分布在屏幕两侧。人眼靠投影机从屏幕上透射出来的投射光来观看图像。
超大屏幕，投影幕墙显示尺寸几乎可以任意大小。与正投影相比有着不可比拟的高对比度。
结构复杂，占地面积较大。拼接使用有失真，各单元亮度一致性差。视角稍差。

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