[科普中国]-自动亮度控制

概述

LCD屏背光亮度与环境光强不协调时，人眼就会产生视觉疲劳，而这种疲劳将对人眼视力造成不可逆的损伤。且屏幕亮度过高会直接影响LCD使用寿命；过低又影响显示器显示效果。因此，亮度调节成为显示必要的一项功能。

光敏电阻存在两个缺点：1）受温度影响大，在不同室温下，所采集到的数据会有差别；2）响应速度慢，延迟时间与搭配电路的复杂度相关。如果直接使用光电二极管，则需要与放大电路以及A/D转换器配合使用，系统设计增加复杂程度的同时，也引人了不必要的误差2。

系统结构及器件介绍亮度及其调节原理亮度是指发光体（反光体）表面发光（反光）强弱的物理量。LCD亮度定义为，在规定工作条件下显示器件发光强度的度量。LCD显示器其实是被动显示光强的部件，本身并不发光，而是借由内部冷阴极射线管即背光源 的发光穿透液晶产生亮度。LCD的亮度取决于背光源的亮度、液晶本身穿透率、环境光强等因素。

人眼的主观亮度不仅取决于显示器本身的亮度，还与主光源和外界光强的对比度有关。主管亮度感觉S与光源 亮度B的对数成比例：

其中，K和 是与环境光强有关的常数。

我们所说的调节LCD亮度其实是对发光源亮度进行控制，使人眼的主观亮度与环境光强协调，保证人眼舒适。因此，在这里需要考虑环境光强对主观亮度的影响，即结合测量到的外界光强，综合调节背光源的电压，实现亮度调节2。

系统总体结构及流程主要接口介绍：

SCL：IIC总线时钟引脚；SDA：IIC总线数据引脚；VCC：电源端口；DVI： 参考电压；GND：接地端。

本系统采用BH1750光照传感器感受光强，LCD1602模拟LCD显示屏，并综合使用数模转换器、运算放大器等相关电子器件，对实验预期的LCD屏幕光亮调节进行模拟。具体流程为：BH1750采集外界光强信号，光强模拟量经传感器处理成数字信号后输人单片机。单片机对数字量做出函数处理并把控制信号送至数模转换器，经运算放大器将之转换为合适的电压值，最终实现通过感应环境光强来调节控制LCD背光亮度的目的2。

BH1750传感器BH1750是由ROHM设计的，是一种用于两线式串行总线接口的数字型光强度传感器集成电路，支持I2CBUS接口。其感光元件拥有接近视觉灵敏度的光谱灵敏度特性，搭配相关内置电路后能够感应较大范围的光强值，总体量程为0-65535lx。BH1750最大优点在于内置模数转换器，能输出对应亮度的数字值，便于后续数字信号的处理。使用高集成度的BH1750能省去使用光敏电阻时的模数转换电路，使整体电路复杂度大大降低

BH1750工作原理为：外部光照被接近人眼反应的高精度光敏二极管PD探测到后，通过集成运算放大器将电
流转换为PD电压，经由模数转换器转换成为16字数据，然后通过逻辑和I2C对数据进行处理与存储。OSC则为内部振荡器，用以提供内部逻辑时钟，通过外界输人相应的指令操作即可对内部存储的光照数据进行读取操作2。

电路设计1.1750传感器与8051单片机

BH1750FVI的SCL、SDA接口分别于8051单片机的P3.0、P3.1相接，从而外界光强值的数字信号能顺利输入 单片机。VCC接口需要由单片机引人5V 左右的电压。ADDR、GND都做接地处理。

如图所示，BH1750只占用单片机两个I/O可正常工作，主要得益于该芯片采用IIC议，只需两个I/O接口即可完成数据传输工作。IIC总线是Philips公司于20世纪80年代开发的两线式串行总线。IIC数据过程总共有三种信号类型：开始信号、传输信号、结束信号。

BH1750与单片机信号传输过程分为两步：

（1）单片机向BH1750发送控制命令：①单片机产生启动信号； ②单片机发送8位地址数据；③单片读取BH1750的应答信号；④单片机发送8位命令指令；⑤单片机读取应答；⑥单片机产生停止信号。

（2）单片机从BH1750读取数据；①单片机产生启动信号；②单片机发送8位地址数据；③单片机读取应答；④单片机读取高8位数据；⑤单片机产生应答信号；⑥单片机读取低8位数据 ⑦单片机产生应答信号 ；⑧单片机产生停止信号2。

2.8051单片机与DAC0832数模转换芯片以及LM324运算放大器

8051单片机接受传感器数字信号并对其进行一定函数处理后才能输出，且只能输出数字信号，因此需借由数模转换器DAC0832及其LM324运算放大器组合使用，将单片机输出的数字信号转换为适合供给LCD背光源电压模拟量。

DAC0832采用单缓冲接法。其中，DI0至DI7与单片机P0.0至P0.7相连，输人数字信号。基准电压使用开发板电源供给，此时，输出端输出为负电压，因此，OUT2、OUT1分别与放大器的正、负输人相接，即运算放大器采用反向输人加法运算方式，使其能够输出正向电压，满足LCD正向供电。

LM324使用时必须严格控制其工作电压及其负载电阻，一般情况下工作电压正、负向需均有偏转，具体偏转值大小由输入输出模拟量决定。在这里给出本系统的处理方法，即采用W7912集成稳压电源配合12V开关电源，构造出负向12V电压，供LM324负向偏转工作2。

3.51单片机与LCD1602液晶显示屏

LCD1602在本系统中用来显示当前外界光强值，并代表理想LCD作为实验对象显示调节效果。

VSS、VDD用以提供LCD1602工作电压。RS、RW、E三个接口分别与单片机的P3.5、P3.6、P3.7相连，用 以单片机对LCD1602显示屏所显示数据的读写控制。D0至D7接口，分别与单片机P1.0至P1.7相连，使数字信号输入LCD1602显示屏，显示输出当前环境光强值。BLA、BLK分别是背光源的正负接头，我们所需调节的即是这两端的电压值，从而实现LCD背光亮度的改变。一般情况下，BLK连接GND线作为电压参照端，BLA端连接运放输出端，接收其变化的电压即可实现背光源电压改变，从而控制LCD显示亮度，达成实验目的2。

结果展示LCD屏幕显示的人眼适合亮度同环境光强的大小有着一定的依存关系，具体公式如下， 。但实际环境光强同显示屏亮度的人眼最适差值还没有可查数据。故而，我们采用实验的方法进行探究，经多次实验测得图中外界光强区间对应的比较合适的背光电压，也即屏幕亮度值。
如图，实验结果可看出，在环境光强较强时应该提高背光电压以保证较好的对比度，随着环境光强的减弱，LCD背光亮度也应该随之减弱，但是减弱幅度应该变小；随着环境光强减弱到一定限度之后，背光电压反而应该升高以便可以清晰的看到显示内容。整个变化趋势类似于二次函数曲线。

此外，实验中整个控制系统对光强变化的反应非常快，几乎在光强变化的同时就可以完成LCD的调节，这体现了单片机数字处理系统快速稳定的优点2。