LED顯示屏亮度自動控制技術與應用

【摘 要】在當今信息社會中，LED電子顯示屏已廣泛應用在各種媒體中。LED亮度隨著環境光變化而變化的調整控制技術逐漸得到客戶的關注，文章通過實際的工程設計案例，分析軟件、硬件、自動控制三個方法完成LED亮度變化的方案情況，對自動控制方案實現進行了詳細的描述，該方法已應用在工程中，相信對相關工程技術人員有一定的啟發與幫助。

【關鍵詞】LED 顯示屏 亮度 光電池

【中圖分類號】TN873 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-4810（2012）23-0195-02

一 引言

發光二極管（LED）是20世紀60年代末發展起來的一種半導體顯示器件，20世紀70年代，隨著半導體材料合成技術、單晶制造技術和P-N結形成技術的研究進展，發光二極管在發光顏色、亮度、性能等方面得以提高并迅速進入批量化和實用化。

LED顯示屏是20世紀80年代后期在全球迅速發展起來的新型信息顯示媒體，它利用發光二極管構成點陣模塊或像素單元組成的平板顯示屏幕，以可靠性高、使用壽命長、環境適應能力強、性能價格比高、使用成本低等特點，在短短的十幾年中，迅速成長為平板顯示的主流產品，在信息顯示領域更是得到了廣泛的應用。

二 LED亮度控制

1.亮度自動控制的需求

LED顯示屏歷經文字、圖形、16級灰度、64級灰度、256級灰度顯示等發展過程。早期的顯示屏控制技術比較單一，只是提供顯示圖文的基本功能，用戶在使用中主要以人工方式開關計算機和顯示屏開關。隨著LED應用技術的不斷深入開發，為方便用戶使用，適應實際使用環境變化的需要，新的要求不斷被提出。比如，遠距離定時或自動開關屏、自動或手動亮度調節、自動或手動灰度調節等。尤其是室外LED顯示屏，白天和夜晚的環境照度變化很大，如果顯示屏僅設置一種亮度，那么如設置為白天看上去視覺效果較好，則晚上看上去就會感到眩目，文字顯示模糊不清；如設置為晚上看上去視覺效果較好，則因白天環境較亮，顯示的圖像就變得較暗，而看不清楚圖像。

2.LED顯示屏亮度調節方法

第一，軟件調節。早期的LED顯示屏亮度控制主要是采用軟件調節的方法。

LED顯示屏亮度，可通過控制數據輸出使能脈寬進行調節。顯示屏控制系統在設計時，預先設置幾種使能脈寬，通過軟件加載不同的使能脈寬信號，達到改變顯示屏亮度的目的。

第二，硬件調節。硬件調節主要是通過開關量的控制加載不同的使能脈寬信號，達到改變顯示屏亮度的目的。

第三，自動調節。早期的亮度調節方式，不論是軟件的還是硬件的，都是通過人工進行控制的，不方便，不能及時適應顯示屏使用現場環境的照度變化，且亮度調節的范圍也有限，因此，能根據顯示屏使用環境照度的變化自動進行亮度調節的要求被提出。本文介紹的顯示屏亮度控制系統具備這樣的自動調節控制能力。

三 亮度自動檢測系統

1.系統構成框圖

圖1 亮度檢測原理框圖

2.設計說明

單片機采用ATML89C2051，晶振11.0592M；P3.7腳帶40A固態繼電器，驅動器用7407（20mA）；A/D轉換器采用

ADC0809，為8通道8位逐次逼進型AD轉換器，P3.4腳提供ADC0809的啟動和地址鎖存信號，P3.5腳提供ADC0809的時鐘信號，P3.2腳用于檢測ADC0809的轉換結束信號，ADC0809的D0-D7接89C2051的P1口，A0、A1、A2接地（0通道），+Vref接VCC，-Vref接地；光電轉換采用硒光電池（0～500mV）；信號放大采用LM324，單+5V供電；看門狗采用MAX813L，由P3.3腳提供觸發信號。

3.光敏器件選型

光敏元件有光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、光電池等。光敏二極管和光敏三極管又分硅管（2CU、2DU、3CU、3DU）和鍺管（2AU、3AU）；光電池又有硅光電池、硒光電池、砷化鎵光電池。

光敏電阻、光敏二極管的光生電流在照度為200lx（勒克斯）左右即達到飽和，一般用作光控開關，不宜作光敏探測元件。

光敏三極管、光電池均可用作光敏探測元件。本文選用的是光電池。

4.光電池

光電池是利用光生伏特效應把光能直接轉變成電能的器件。通常用于把太陽能轉變成電能，所以又稱太陽能電池。

硅光電池：應用廣泛，價格低，光電轉換效率高，適于接收紅外光（0.4μm～1.2μm），峰值波長0.8μm。

硒光電池：工藝成熟，光電轉換效率低，適于可見光（0.3μm～0.7μm），峰值波長0.56μm。

砷化鎵光電池：轉換效率高，光譜響應特性與太陽光譜吻合，耐輻射，在宇宙電源方面應用廣泛。

硅光電池、硒光電池均適合作為自然光的光敏檢測元件，尤以硒光電池更好。本文介紹的應用對光照度的分辨率要求不高，因此，選用的是價格較低的硅光電池。

5.硅光電池的照度特性

圖2 硅光電池照度特性曲線

從圖2可以看出，短路電流在很大范圍內與光強呈線性關系，而開路電壓隨光強的變化是非線性的，且當照度在2000lx時就趨于飽和了。因此，把光電池作為測量元件時，應把它作為電流源的形式使用，不宜作電壓源。

6.光電轉換信號放大電路

光電探測電路接成電流源工作方式，光生電流經運算放大器作電流電壓轉換而變為電壓信號，經8位A/D轉換后送AT89C2051單片機P1口。單片機與顯示屏控制計算機之間通過串口進行通訊。圖3中MAX813L為“看門狗”，7407之后部分用于遠距離開關屏。

圖3 光電轉換信號放大電路原理圖

7.自動檢測電路工作方式

主動方式：單片機定時（時間長短可由控制計算機任意設定）啟動A/D轉換，將環境照度轉換為數字信號送單片機P1口，單片機采樣后通過串口控制計算機，控制計算機再根據這一數值控制顯示屏亮度。

被動方式：單片機處于接收控制計算機命令狀態，A/D轉換器處于休眠狀態。控制計算機定時（時間長短可任意設定）發送讀取環境照度狀態命令給單片機，單片機接到命令后，即啟動A/D轉換，并將轉換的結果送給控制計算機，控制計算機根據這一數值控制顯示屏亮度。

8.亮度控制范圍

理論上8位A/D轉換器的分辨率可達256級，但由于實際使用中使用單5V供電，由于器件本身的壓降，實際的分辨率只能做到180級左右。不過，這對于LED顯示屏的亮度控制已足夠了。

9.調試說明

圖3中，電阻R4、R5共同決定運算放大器的放大倍數，R4用于環境照度基準的調整，R4的大小（幾百歐姆～幾千歐姆）決定了整個光敏探測系統對環境照度檢測的線性敏感區間的大小。可調電位器R2用于環境照度基準的微調。

四 結論

本系統實現了LED顯示屏使用環境照度的自動探測，顯示屏控制計算機根據探測系統提供的數據，自動控制LED顯示屏的亮度，使顯示屏的亮度自動隨環境照度的變化而改變，以適應顯示屏白天和夜晚觀看的需要。同時，還提供了遠距離開關顯示屏的控制功能。

本系統穩定、可靠的檢測控制效果在城市交通誘導顯示屏上的實際工程應用中，得到了進一步的驗證。

參考文獻

[1]馬家辰.MCS-51單片機原理及接口技術[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，1997

[2]何金田.傳感器原理與應用課程設計指南[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2009

[3]周繼明.傳感技術與應用（第2版）[M].長沙：中南大學出版社，2009

[4]范朝勛.LED投影發展和趨勢述評[J].現代顯示，2006（12）

〔責任編輯：李繼孔〕