自動亮度控制

近年來，隨著科技的發展和人們生活水平的提高，數碼產品得到了廣泛套用。當數碼產品的螢幕背光亮度與環境光強不協調時，人眼就會產生視覺疲勞，而這種疲勞將對人眼視力造成不可逆的損傷。且螢幕亮度過高會直接影響螢幕使用壽命；過低又影響顯示器顯示效果。因此，亮度調節成為顯示必要的一項功能。為了保護視力，以及延長螢幕壽命，這些數碼產品的螢幕亮度調節十分重要。這裡就介紹了一種基於BH1750的螢幕亮度自動調節控制設計與實現。

基本介紹

• 中文名：自動亮度控制
• 外文名：automatic brightness control
• 定義：螢幕亮度可以自動根據環境調節
• 目的：保護視力，提高顯示器顯示效果
• 使用工具：LCD螢幕
• 領域：計算機

定義

LCD屏背光亮度與環境光強不協調時，人眼就會產生視覺疲勞，而這種疲勞將對人眼視力造成不可逆的損傷。且螢幕亮度過高會直接影響LCD使用壽命；過低又影響顯示器顯示效果。因此，亮度調節成為顯示必要的一項功能。

光敏電阻存在兩個缺點：1）受溫度影響大，在不同室溫下，所採集到的數據會有差別；2）回響速度慢，延遲時間與搭配電路的複雜度相關。如果直接使用光電二極體，則需要與放大電路以及A/D轉換器配合使用，系統設計增加複雜程度的同時，也引人了不必要的誤差。

結構器件介紹

調節原理

亮度是指發光體（反光體）表面發光（反光）強弱的物理量。LCD亮度定義為，在規定工作條件下顯示器件發光強度的度量。LCD顯示器其實是被動顯示光強的部件，本身並不發光，而是藉由內部冷陰極射線管即背光源 的發光穿透液晶產生亮度。LCD的亮度取決於背光源的亮度、液晶本身穿透率、環境光強等因素。

人眼的主觀亮度不僅取決於顯示器本身的亮度，還與主光源和外界光強的對比度有關。主管亮度感覺S與光源 亮度B的對數成比例：

其中，K和 是與環境光強有關的常數。

我們所說的調節LCD亮度其實是對發光源亮度進行控制，使人眼的主觀亮度與環境光強協調，保證人眼舒適。因此，在這裡需要考慮環境光強對主觀亮度的影響，即結合測量到的外界光強，綜合調節背光源的電壓，實現亮度調節。

結構及流程

主要接口介紹：

SCL：IIC匯流排時鐘引腳；SDA：IIC匯流排數據引腳；VCC：電源連線埠；DVI： 參考電壓；GND：接地端。

本系統採用BH1750光照感測器感受光強，LCD1602模擬LCD顯示屏，並綜合使用數模轉換器、運算放大器等相關電子器件，對實驗預期的LCD螢幕光亮調節進行模擬。具體流程為：BH1750採集外界光強信號，光強模擬量經感測器處理成數位訊號後輸人單片機。單片機對數字量做出函式處理並把控制信號送至數模轉換器，經運算放大器將之轉換為合適的電壓值，最終實現通過感應環境光強來調節控制LCD背光亮度的目的。

感測器

BH1750是由ROHM設計的，是一種用於兩線式串列匯流排接口的數字型光強度感測器積體電路，支持I2CBUS接口。其感光元件擁有接近視覺靈敏度的光譜靈敏度特性，搭配相關內置電路後能夠感應較大範圍的光強值，總體量程為0-65535lx。BH1750最大優點在於內置模數轉換器，能輸出對應亮度的數字值，便於後續數位訊號的處理。使用高集成度的BH1750能省去使用光敏電阻時的模數轉換電路，使整體電路複雜度大大降低

BH1750工作原理為：外部光照被接近人眼反應的高精度光敏二極體PD探測到後，通過集成運算放大器將電

流轉換為PD電壓，經由模數轉換器轉換成為16字數據，然後通過邏輯和I2C對數據進行處理與存儲。OSC則為內部振盪器，用以提供內部邏輯時鐘，通過外界輸人相應的指令操作即可對內部存儲的光照數據進行讀取操作。

電路設計

1.1750感測器與8051單片機

BH1750FVI的SCL、SDA接口分別於8051單片機的P3.0、P3.1相接，從而外界光強值的數位訊號能順利輸入 單片機。VCC接口需要由單片機引人5V 左右的電壓。ADDR、GND都做接地處理。

如圖1所示，BH1750隻占用單片機兩個I/O可正常工作，主要得益於該晶片採用IIC議，只需兩個I/O接口即可完成數據傳輸工作。IIC匯流排是Philips公司於20世紀80年代開發的兩線式串列匯流排。IIC數據過程總共有三種信號類型：開始信號、傳輸信號、結束信號。

BH1750與單片機信號傳輸過程分為兩步：

（1）單片機向BH1750傳送控制命令：①單片機產生啟動信號； ②單片機傳送8位地址數據；③單片讀取BH1750的應答信號；④單片機傳送8位命令指令；⑤單片機讀取應答；⑥單片機產生停止信號。

（2）單片機從BH1750讀取數據；①單片機產生啟動信號；②單片機傳送8位地址數據；③單片機讀取應答；④單片機讀取高8位數據；⑤單片機產生應答信號；⑥單片機讀取低8位數據 ⑦單片機產生應答信號 ；⑧單片機產生停止信號。

2.8051單片機與DAC0832數模轉換晶片以及LM324運算放大器

8051單片機接受感測器數位訊號並對其進行一定函式處理後才能輸出，且只能輸出數位訊號，因此需藉由數模轉換器DAC0832及其LM324運算放大器組合使用，將單片機輸出的數位訊號轉換為適合供給LCD背光源電壓模擬量。

DAC0832採用單緩衝接法。其中，DI0至DI7與單片機P0.0至P0.7相連，輸人數位訊號。基準電壓使用開發板電源供給，此時，輸出端輸出為負電壓，因此，OUT2、OUT1分別與放大器的正、負輸人相接，即運算放大器採用反向輸人加法運算方式，使其能夠輸出正向電壓，滿足LCD正向供電。

LM324使用時必須嚴格控制其工作電壓及其負載電阻，一般情況下工作電壓正、負向需均有偏轉，具體偏轉值大小由輸入輸出模擬量決定。在這裡給出本系統的處理方法，即採用W7912集成穩壓電源配合12V開關電源，構造出負向12V電壓，供LM324負向偏轉工作。

3.51單片機與LCD1602液晶顯示屏

LCD1602在本系統中用來顯示當前外界光強值，並代表理想LCD作為實驗對象顯示調節效果。

VSS、VDD用以提供LCD1602工作電壓。RS、RW、E三個接口分別與單片機的P3.5、P3.6、P3.7相連，用 以單片機對LCD1602顯示屏所顯示數據的讀寫控制。D0至D7接口，分別與單片機P1.0至P1.7相連，使數位訊號輸入LCD1602顯示屏，顯示輸出當前環境光強值。BLA、BLK分別是背光源的正負接頭，我們所需調節的即是這兩端的電壓值，從而實現LCD背光亮度的改變。一般情況下，BLK連線GND線作為電壓參照端，BLA端連線運放輸出端，接收其變化的電壓即可實現背光源電壓改變，從而控制LCD顯示亮度，達成實驗目的。

結果展示

LCD螢幕顯示的人眼適合亮度同環境光強的大小有著一定的依存關係，具體公式如下， 。但實際環境光強同顯示屏亮度的人眼最適差值還沒有可查數據。故而，我們採用實驗的方法進行探究，經多次實驗測得外界光強區間對應的比較合適的背光電壓，也即螢幕亮度值。

如圖2，實驗結果可看出，在環境光強較強時應該提高背光電壓以保證較好的對比度，隨著環境光強的減弱，LCD背光亮度也應該隨之減弱，但是減弱幅度應該變小；隨著環境光強減弱到一定限度之後，背光電壓反而應該升高以便可以清晰的看到顯示內容。整個變化趨勢類似於二次函式曲線。

圖2 環境光強較強時應該提高背光電壓以保證較好的對比度

此外，實驗中整個控制系統對光強變化的反應非常快，幾乎在光強變化的同時就可以完成LCD的調節，這體現了單片機數字處理系統快速穩定的優點。