基于光照传感器TSL2550的LCD亮度自动调节系统设计

传感器技术 Sdtt蝴ott琴霹e—强●a‘∞鲈 基于光照传感器"rSL2550的 LCD亮度自动调节系统设计 DesigningforAutocontrolSystemofLuminanceof LCDBasedonOpticalSensorTSL2550 北京交通大学电子信息工程学院(北京100044)刘晓琳娄淑琴刘雪莲 摘要：针对应用于大多数电子产品上的LCD亮度自动调节的需要，本文提出一种基于TSL2550实现 LCD亮度自动调节的新型控制系统。本控制系统以光照传感器TSL2550检测环境光照度，经过对比度矫 正，对LCD显示器的亮度做出自动调整。系统采用全硬件实现，提高了响应速度，避免了软件实现带来 的不利因素。 Abstract：ToimprovetheLCDusedinmostofelectronicequipment，anewkindofsystem，basedonTSL2550， wasproposedtoimplementtheautocontroloftheluminanceofLCD．Accordingtothemeasurementresultofop— toelectricsensorTSL2550onthebackgroundluminance，theEPLDcontrolsystemautomaticallyadjuststhelumin— anceofLCDonthevisualacuityfunctionandthebrightnesscontrast．Theautomaticcontrolfunctionswerenotim— plementedwithsoftwarebuthardwarecircuitandthentheresponsespeedofthecontrolsystemwasimproved，various problemsavoided． 关键谕：光照传感嚣TSL2550EPLDLcD显示器亮疫 Keywords：OpticalsensorTSL2550EPLDLCDdisplayLuminance 1引言 液晶显示器(LiquidCrystalDisplay，LCD)具有 显示容量高、画质好、体积小、质量轻、功耗低等 优点，在电子设备中得到了广泛的应用。在给定的 环境光条件下，LCD显示器背景光的强度是至关重 要的，光强过大会影响整个产品的使用寿命；光强 过小会造成显示器失效。尤其在背景光强度发生剧 烈变化的时候，液晶显示器经常会无法为人眼所辨 识，给使用者造成不便，所以亮度调节是LCD发展 的必需环节。 自动亮度调节最重要的部分是判断背景光的强 度，这个环节在过去由于红外光的影响常常产生较大 的测量误差。 TAOS公司的光照传感器TSL2550的出现使这种 对背景光强度的判断变得更准确。这种光传感器提供 的输出是根据两个组合传感器读数推导出来的，其中 一个传感器检测可见光及红外光，另一个传感器只检 测红外光。只要将这两个读数相减，并将结果数字 化，TSL2550就能得到近似人眼的响应，从而评估可 见光光强以及红外线的影响，调整背景照明。 2TSL2550简介 普通的光照传感器只有一个光电探测器，检测 2005年第6期中阈儇髯俄表 万方数据 傣■■曩拳 蔫蔫囊月-o■豫C霸"燃。臻y 到的光信号既包含可见光成分又有红外光成分。当 周围环境的可见光并不十分强而红外光较强时，检 测的结果会受到红外光的影响，输出光照强度大的 测量值，与人眼的感觉有很大的差异。因此，在光 照传感器设计中，一个关键的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 是要滤除红外光 对光照传感器检测结果的影响。本系统选用TAOS公 司的TSL2550型光照传感器，结构如图1所示。 VDD NC NC CND SMBDATA NC NC SMBCLK 劁lTSL2550结构管脚俐 该传感器为对显示器背光进行亮度控制的专用 环境光照传感器。它配备有2个光电探测器，探测 器0检测环境中可见光和红外光总的光照度，探测 器1只检测环境中红外光光照度。探测器1的红外 探测结果用于减小红外光在检测结果中的影响。 TSL2550型光照传感器检测值经A／D转换器转换 为数字信号，输入到EPLD光亮度自动控制系统。 EPLD光亮度自动控制系统将A／D转换器数字信号输 出值按照 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 (1)计算： L=Ch。×(0．46)×(P3 138) 尺：国，／国。 (1) 式中： L为亮度，单位流明； ch。和ch．分别代表光照传感器两个光电探测器 所采集到的数值； R表示ch，和ch0的比值，即当前环境中红外光 所占的比重。 公式(1)是在荧光和白炽光源下进行光学测试 得出的经验公式，在实际的强光环境下，亮度值要 略高一些。表1为不同光源照明条件下TSL2550型 光照传感器的检测值输出。 表1 TSL2550传感器输出对应表 TSL2550通过系统管理总线(SystemManagement Bus，SMBus)与主控制端接口。SMBus是1995年由 Intel公司提出的应用于移动PC和桌面PC系统中的 低速率通讯。它主要是希望通过一条廉价并且功能 强大的总线，控制主板上的设备并收集相应的信息。 SMBus为系统和电源管理这样的任务提供了一条控 制总线。使用SMBus的系统，设备之间发送和接收 信息都通过SMBus，而不是使用单独的控制线，这 样可以节省设备的管脚数。 在TSL2550提供的与SMBus兼容的输出信号中 包含了这两个光电探测器检测的结果，从而使红外 光的影响减到了最低，即检测结果与人的肉眼所感 觉到的光强十分相似。TSL2550内部还集成了一个模 数转换器，可以直接将检测的结果转换成串行数字 信号输出，简化了硬件的设计。 3亮度调节原理 亮度是在规定的工作条件下，显示器件显示部 分发光强度的量度。液晶显示器件是被动发光器件， 本身并不发光，其亮度受制于背光源的亮度、液晶 屏本身透过率和环境光强。不同的应用对液晶显示 器件有不同的亮度要求。 对于面积为S、光通量为①的理想漫散射面，可 认为亮度处为光源法线方向的光强I。散射面平均 照度为： E=础，／S (2) 可以根据光照传感器的测量来进行亮度调节。 人眼的主观亮度不只随光源的辐射光功率和波 长改变，还与周围环境和光源的明亮对比度有关。主 观亮度感觉F与光源亮度值B的对数成比例： F=KlgB+K,, (3) 其中K。，和K是与周罔环境亮度有关的常数。实 验表明，在不同的亮度B值下，人眼能觉察的最小 光源 亮度(流明) Ch。(测量值)Ch，(测量值)R：Ch，／Ch。， 亮度／Ch。， 荧光灯 300 83l 68 0．082 0．360 自然光 100 895 343 0．380 0．¨0 白炽灯 50 959 67l 0．700 0．052 光源亮度变化AB。。取决于相对亮度变 化。人眼可察觉的最小相对亮度变化 AB。。／B称为对比灵敏度阈，用6表示， 其值通常在o．005～0．05之间。故只要 保持光源的最大亮度风，。与最小亮度 2005年第6期中阅儇嚣{霸表 万方数据 ||!■■藤羹豢 j泪瀚—麒7I霉爿骊飘o●y B⋯的比值稳定，即对比度一定，就能够给人真实 感。实际观察时，人眼的对比灵敏度会受到环境光 亮度值B。的影响而下降，实际的对比度为： G=畿<篆 4系统总体设计 (4) 光照传感器TSL2550检测环境光强度，经模数 转换器转换为数字信号，输入以EPLD构造的光亮 度自动控制系统。EPLD根据LCD显示器当前的亮 度值，判断是否需要改变背光强度，以及改变的合 适幅度，来适合当前外界的亮度，从而实现LCD显 示器亮度自动调节。 图2为EPLD内部模块以及各个模块之间的关 系。EPLD模块接收到光照传感器采集的数据，将 ch0和ch。串并转换成S_DATA0和S-DATAl输入到 比较器，T—Ctrl判断是否进行操作控制。EPLD内部 比较器有3个输出，一是判断是否需要调节LCD显 示器亮度，CTRLl和CTRL0两个控制信号分别用于 控制收数据(R—DATA)模块和发数据(W—DATA) 模块，发出“读取LCD当前亮度”命令并读取LCD 亮度值。计算亮度调节值模块根据比较器的另一个 输出——当前外界亮度值和LCD当前的亮度值，计 算出LCD亮度的调节值，并通过发数据模块对LCD 的亮度进行调整。 光照传感器TSL2550提供SMBus接口，与EPLD 通过SMBData信号进行通信。为了保证系统的同步， TSL2550的时钟可由系统时钟经过EPLD分频后提 供。EPLD每隔一段时间从TSL2550读取一次数据。 为了避免LCD显示器的亮度的频繁变化，只有当前 后两次读人的外界亮度值的变化大于某个值的时候， 才对LCD显示器的亮度进行调节。当需要调节LCD 显示器的亮度时，EPLD先读取LCD显示器当前的 亮度值，然后根据当前外界的亮度值，即TSL2550 检测的结果，计算出LCD显示器亮度调节值，对 LCD显示器的亮度进行调节。系统状态机如图3所示。 SDATA0 (：11HLU SMBDATA 光照 SMBus 比 当前外界 收 RDATA 传感器 SNBCLK 接口 较 亮度值 计 LCD当前数· S DATAl器 算 亮度值 据 旯 CTRLl度 LCD m 调 节 显示器 值 LCD调整 计算对 ＼—— 后亮度值 反 WDATA 1"SL2550比度调 丁厂 数 据 控制器 节值 48 图2EPLD内部设计模块 图3系统状态机 5仿真与实现 VHDL(VHSICHardwareDe～ scriptionLanguage)语言是超高 速集成电路硬件描述语言，是 IEEE工业标准的硬件描述语言。 使用VHDL语言设计电路 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 灵 活，硬件描述能力强，能有效的 支持逻辑单元的复用、类属以及 带参数过程和函数。将VHDL语 2005年第6期中团豫嚣豫走 万方数据 mlil!黍 S曩囊闼黼琴童絮铡睛—熊ooy 言设计方法引入LCD显示器亮度调节的EPLD电路 设计，将使电路移植性更强，便于修改，支持与工 艺无关的编程。 参照图2所示EPLD的内部模块功能和图3所示 的状态机，采用VHDL语言对EPLD进行设计，并 对亮度之问的比较过程进行仿真。 经过SMBus总线变换出的并行数据DataO和 Datal分别包含和不包含周围环境的可见光亮度值， 转换成数字信号，作为16位的二进制数进行处理。 对这两组数进行比较，可以得到周围可见光的亮度 数字信息，将此信息与采集到的当前LCD工作状态 对应的环境亮度值进行比较，如果介于调节区问内 (调节区间的设立主要是为了避免对环境亮度值的微 小变化进行调节而引起系统资源的浪费)，那么就将 新的亮度值发送给LCD控制部分，实现对LCD亮度 的自动调节。 本系统可以顺利完成以下操作： (1)TSL2550初始化 主要包括设置输出数据的格式、使能A／D转换 器和设置A／D转换器数据格式等。在本系统中初始 化操作任务由EPLD通过SMBData管脚对TSL2550进 行读写来完成。 (2)读取TSL2550的检测数据 TSL2550接口为SMBus格式，EPLD须通过SMBus 将串行信号转换成快速处理的并行信号，将亮度值 从SMBData读人的数据中提取出来，输人到比较器 中进行处理。TSL2550两个光电探测器检测到的两组 信号Inputl和Input0的值是不同的，通过比较滤出 红外光的数值，即得到单纯可见光的亮度值。 (3)计算LCD显示器亮度调节值并进行LCD亮 度控制 EPLD根据当前外界环境的亮度值和当前LCD的 亮度值和视函数来判断是否需要改变LCD的亮度， 如果需要的话，计算调节值是多少。EPLD通过读写 来控制LCD显示器，在本文中主要指对LCD显示器 亮度进行控制。 为了把一幅图像的灰度层次显示出来，一般是 50 把图像上的像素的颜色根据其亮度进行相应的量化。 本系统采用32级灰度量化仿真，需要用5位二进制 数，三原色红、绿、蓝的亮度量化需要15位二进制 数表示。实验发现这个系统也可以适应亮度突然增 大和突然减小的环境，调节的延迟时间可以控制在 0．05s左右。 6结论 本文针对LCD显示器的亮度调节问题，提出了 一种基于TSL2550的设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。方案基于TSL2550 光照传感器的检测结果，控制系统对LCD显示器的 亮度自动作出相应的调整。由于采用全硬件实现系 统调节，避免了由软件实现带来的各种不利因素，提 高了响应速度。通过仿真运用，证明以上方案是可 行的，调节的延迟时间在实验室条件下可以控制在 0．05s左右，可以适应环境亮度的突然变化。 参考文献 1 M．Menozzi，F．Lang，U．Napflin，C．Zeller，H．Krueger． CRTversusLCD：effectsofrefreshrate，displaytechnology andbackgroundluminanceinvisualperformance．Dis— plays，2001，3． 2TSL2550传感器产品说明书． 3母国光，战元令．光学．科学出版社，1978． 4Badano，Aldo，MichaelJ．Flynn，JerzyKanicki．Accurate small-spotluminancemeasurementsDisplays．2002，4． 5阎晓东．基于EPLD的PCI总线设计．内蒙古大学学 报，2003，1． 6侯伯亨．VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计． 西安电子科技大学出版社，1998． 7刘宝琴．可编程逻辑器件的现状与应用．电子技术 应用，1997，4． 8陈建军．LCD大屏幕显示系统的对比度与亮度调节 技术．光电子技术，1997，2． 作者简灸：刘晓琳，在读硕士，主要从事电 子设计自动化方面的研究。 2005年第6期中闭该嚣豫表 万方数据 基于光照传感器TSL2550的LCD亮度自动调节系统设计 作者： 刘晓琳， 娄淑琴， 刘雪莲 作者单位： 北京交通大学电子信息工程学院,北京,100044 刊名： 中国仪器仪表 英文刊名： CHINA INSTRUMENTATION 年，卷(期)： 2005，(6) 引用次数： 4次 参考文献(8条) 1.M. Menozzi.F. Lang.U. Napflin.C. Zeller, H. Krueger CRT versus LCD:effects of refresh rate,display technology and background luminance in visual performance 2001 2.TSL2550传感器产品说明书 3.母国光.战元令 光学 1978 4.Badano Aldo.MichaelJFlynn.Jerzy Kanicki Accurate small-spot luminance measurements Displays 2002 5.阎晓东.特木尔.班志杰 基于EPLD的PCI总线设计[期刊 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 ]-内蒙古大学学报(自然科学版) 2003(1) 6.侯伯亨 VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计 1998 7.肖儿良.纪爽.卢子峰.吴常泳 可编程视频输入处理芯片SAA7111及其在图象多媒体中的应用[期刊论文]-电子技术 应用 1999(4) 8.陈建军 LCD大屏幕显示系统的对比度与亮度调节技术 1997(2) 相似文献(0条) 引证文献(4条) 1.朱运利 基于Cortex-M3处理器的智能建筑环境监测系统设计[期刊论文]-低压电器 2009(8) 2.王俭.王强 智能建筑光环境模糊控制与节能研究[期刊论文]-建筑节能 2009(3) 3.方旭杰.周益明.程文亮.丁潮洪.杨祥龙 基于ZigBee技术的无线智能灌溉系统的研制[期刊论文]-农机化研究 2009(1) 4.易铃芳.吕涛.周燕媚.张仁杰 基于GPRS的电力远程监管系统设计[期刊论文]-仪器仪表学报 2006(z3) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_zgyqyb200506010.aspx 下载时间：2010年4月30日