LED显示屏亮度自动控制技术与应用

【摘 要】在当今信息社会中，LED电子显示屏已广泛应用在各种媒体中。LED亮度随着环境光变化而变化的调整控制技术逐渐得到客户的关注，文章通过实际的工程设计案例，分析软件、硬件、自动控制三个方法完成LED亮度变化的方案情况，对自动控制方案实现进行了详细的描述，该方法已应用在工程中，相信对相关工程技术人员有一定的启发与帮助。

【关键词】LED 显示屏 亮度 光电池

【中图分类号】TN873 【文献标识码】A 【文章编号】1674-4810（2012）23-0195-02

一 引言

发光二极管（LED）是20世纪60年代末发展起来的一种半导体显示器件，20世纪70年代，随着半导体材料合成技术、单晶制造技术和P-N结形成技术的研究进展，发光二极管在发光颜色、亮度、性能等方面得以提高并迅速进入批量化和实用化。

LED显示屏是20世纪80年代后期在全球迅速发展起来的新型信息显示媒体，它利用发光二极管构成点阵模块或像素单元组成的平板显示屏幕，以可靠性高、使用寿命长、环境适应能力强、性能价格比高、使用成本低等特点，在短短的十几年中，迅速成长为平板显示的主流产品，在信息显示领域更是得到了广泛的应用。

二 LED亮度控制

1.亮度自动控制的需求

LED显示屏历经文字、图形、16级灰度、64级灰度、256级灰度显示等发展过程。早期的显示屏控制技术比较单一，只是提供显示图文的基本功能，用户在使用中主要以人工方式开关计算机和显示屏开关。随着LED应用技术的不断深入开发，为方便用户使用，适应实际使用环境变化的需要，新的要求不断被提出。比如，远距离定时或自动开关屏、自动或手动亮度调节、自动或手动灰度调节等。尤其是室外LED显示屏，白天和夜晚的环境照度变化很大，如果显示屏仅设置一种亮度，那么如设置为白天看上去视觉效果较好，则晚上看上去就会感到眩目，文字显示模糊不清；如设置为晚上看上去视觉效果较好，则因白天环境较亮，显示的图像就变得较暗，而看不清楚图像。

2.LED显示屏亮度调节方法

第一，软件调节。早期的LED显示屏亮度控制主要是采用软件调节的方法。

LED显示屏亮度，可通过控制数据输出使能脉宽进行调节。显示屏控制系统在设计时，预先设置几种使能脉宽，通过软件加载不同的使能脉宽信号，达到改变显示屏亮度的目的。

第二，硬件调节。硬件调节主要是通过开关量的控制加载不同的使能脉宽信号，达到改变显示屏亮度的目的。

第三，自动调节。早期的亮度调节方式，不论是软件的还是硬件的，都是通过人工进行控制的，不方便，不能及时适应显示屏使用现场环境的照度变化，且亮度调节的范围也有限，因此，能根据显示屏使用环境照度的变化自动进行亮度调节的要求被提出。本文介绍的显示屏亮度控制系统具备这样的自动调节控制能力。

三 亮度自动检测系统

1.系统构成框图

图1 亮度检测原理框图

2.设计说明

单片机采用ATML89C2051，晶振11.0592M；P3.7脚带40A固态继电器，驱动器用7407（20mA）；A/D转换器采用

ADC0809，为8通道8位逐次逼进型AD转换器，P3.4脚提供ADC0809的启动和地址锁存信号，P3.5脚提供ADC0809的时钟信号，P3.2脚用于检测ADC0809的转换结束信号，ADC0809的D0-D7接89C2051的P1口，A0、A1、A2接地（0通道），+Vref接VCC，-Vref接地；光电转换采用硒光电池（0～500mV）；信号放大采用LM324，单+5V供电；看门狗采用MAX813L，由P3.3脚提供触发信号。

3.光敏器件选型

光敏元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光电池等。光敏二极管和光敏三极管又分硅管（2CU、2DU、3CU、3DU）和锗管（2AU、3AU）；光电池又有硅光电池、硒光电池、砷化镓光电池。

光敏电阻、光敏二极管的光生电流在照度为200lx（勒克斯）左右即达到饱和，一般用作光控开关，不宜作光敏探测元件。

光敏三极管、光电池均可用作光敏探测元件。本文选用的是光电池。

4.光电池

光电池是利用光生伏特效应把光能直接转变成电能的器件。通常用于把太阳能转变成电能，所以又称太阳能电池。

硅光电池：应用广泛，价格低，光电转换效率高，适于接收红外光（0.4μm～1.2μm），峰值波长0.8μm。

硒光电池：工艺成熟，光电转换效率低，适于可见光（0.3μm～0.7μm），峰值波长0.56μm。

砷化镓光电池：转换效率高，光谱响应特性与太阳光谱吻合，耐辐射，在宇宙电源方面应用广泛。

硅光电池、硒光电池均适合作为自然光的光敏检测元件，尤以硒光电池更好。本文介绍的应用对光照度的分辨率要求不高，因此，选用的是价格较低的硅光电池。

5.硅光电池的照度特性

图2 硅光电池照度特性曲线

从图2可以看出，短路电流在很大范围内与光强呈线性关系，而开路电压随光强的变化是非线性的，且当照度在2000lx时就趋于饱和了。因此，把光电池作为测量元件时，应把它作为电流源的形式使用，不宜作电压源。

6.光电转换信号放大电路

光电探测电路接成电流源工作方式，光生电流经运算放大器作电流电压转换而变为电压信号，经8位A/D转换后送AT89C2051单片机P1口。单片机与显示屏控制计算机之间通过串口进行通讯。图3中MAX813L为“看门狗”，7407之后部分用于远距离开关屏。

图3 光电转换信号放大电路原理图

7.自动检测电路工作方式

主动方式：单片机定时（时间长短可由控制计算机任意设定）启动A/D转换，将环境照度转换为数字信号送单片机P1口，单片机采样后通过串口控制计算机，控制计算机再根据这一数值控制显示屏亮度。

被动方式：单片机处于接收控制计算机命令状态，A/D转换器处于休眠状态。控制计算机定时（时间长短可任意设定）发送读取环境照度状态命令给单片机，单片机接到命令后，即启动A/D转换，并将转换的结果送给控制计算机，控制计算机根据这一数值控制显示屏亮度。

8.亮度控制范围

理论上8位A/D转换器的分辨率可达256级，但由于实际使用中使用单5V供电，由于器件本身的压降，实际的分辨率只能做到180级左右。不过，这对于LED显示屏的亮度控制已足够了。

9.调试说明

图3中，电阻R4、R5共同决定运算放大器的放大倍数，R4用于环境照度基准的调整，R4的大小（几百欧姆～几千欧姆）决定了整个光敏探测系统对环境照度检测的线性敏感区间的大小。可调电位器R2用于环境照度基准的微调。

四 结论

本系统实现了LED显示屏使用环境照度的自动探测，显示屏控制计算机根据探测系统提供的数据，自动控制LED显示屏的亮度，使显示屏的亮度自动随环境照度的变化而改变，以适应显示屏白天和夜晚观看的需要。同时，还提供了远距离开关显示屏的控制功能。

本系统稳定、可靠的检测控制效果在城市交通诱导显示屏上的实际工程应用中，得到了进一步的验证。

参考文献

[1]马家辰.MCS-51单片机原理及接口技术[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1997

[2]何金田.传感器原理与应用课程设计指南[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2009

[3]周继明.传感技术与应用（第2版）[M].长沙：中南大学出版社，2009

[4]范朝勋.LED投影发展和趋势述评[J].现代显示，2006（12）