基于LX1970的LCD可视化智能调节单元设计

摘要：随着科技的进步.LCD越来越多地用于户外显示器、军事装备和模拟训练器的显示界面，但是LCD本身并不能发光，为了达到显示器在各种光照环境下数据信息的清晰显示目标，利用一种能实现人眼仿真的集成化可见光亮度传感器LX1970，实现了对训练器材LCD显示器的智能调节，保证了显示器能适时清晰地显示数据信息，从而延长LCD的使用寿命。

引言

随着科学技术的发展，液晶显示器(LCD)越来越多地用于户外显示、武器装备和模拟训练器材的显示界面。但是由于LCD是一种介于液体和晶体之间的物质，本身并不会发光，只反射或透射外界光线，因此背光的亮度决定了它的亮度。如果显示器的亮度和周围环境的亮度反差过大或过小，都容易造成视觉疲劳，影响训练和作战能力的发挥。目前，普遍做法是在显示器周围加装防护罩，这样不仅增加了显示器重量，而且效果不好，也给操作手带来很多不适应。因此，为了适应全天候、不同地理环境情况下作战训练，就必须适时调整LCD的背光亮度以保证显示界面在任何时候都能清晰地显示数据信息。

显示界面可视化智能调节主要是根据显示器界面周围的环境照度对显示器的亮度和对比度进行适时自动调节，以适应环境亮度的变化，使数据信息清晰显示，满足训练和作战需要。亮度调节是指对显示器的亮度进行调节，保证在亮度较强的环境下显示清晰的影像。一般来说，液晶显示器的亮度越高，显示的颜色也就越亮，显示效果也就越好。但是如果过高，显示出来的颜色就会偏亮，功耗过高，并产生刺眼的感觉，使人眼疲劳。如果亮度过低，显示出来的颜色会偏暗，也不利于长时间观看。对比度调节是指调节显示器白色与黑色画面下亮度的比值。白色越亮，黑色越暗，对比度就越高，显示的画面就越清晰亮丽，色彩的层次感也就越强。如果对比度小于250：1，在看屏幕时就会产生模糊感。但是高对比度和高亮度的显示器由于太亮，容易令眼睛疲劳，甚至会产生眩光，所以须将亮度和对比度调节至适当的水平。

1 亮度传感器的选择

为了实现对显示界面周围环境亮度的检测，为操作手提供良好的视觉效果，需要一种灵敏的亮度传感器能够适应战场环境的需要，实现对不同环境亮度的检测，并以适当的方式输出。基于上述因素，系统选择了LX1970作为显示器的感光元件。

LX1970是一种能实现人眼仿真的集成化可见光亮度传感器，其相对灵敏度与波长的响应曲线如图1中粗线所示，细线是人眼的响应曲线(峰值波长为550 nm)。如图1中所示，LX1970接收光的波段与人眼非常相近，并且也像人眼一样灵敏，因而能代替人眼去感受环境亮度的明暗程度，对显示器周围环境亮度的明暗程度进行感测，并将接收到的可见光转换成电流信号，进而对背光源的亮度和显示器的对比度进行自动控制，实现显示器可视化的自动调节。

芯片正面有一个面积为0.369 mm2的受光区。UDD和USS分別接电源的正、负极。SNK为电流接收器的引出端，SRC为输出电流源的引出端，其余NC均为空脚。芯片工作时，LX1970将采集到的光电流经过高增益放大器送至两个电流输出端，其中一个是电流吸收器的引脚SNK，另一个是输出电流源的引脚SRC，二者的电流分别为ISNK和ISRC。其中，ISNK为灌入芯片中的电流，简称灌电流。这两种电流信号通过R1、R2可分别转换成电压信号USNK、USRC。改变R1(或R2)的电阻值可调整电压增益，电阻值允许范围是10～50kΩ。C1和C2为滤波电容，可用来决定传感器的响应时间。

传感器的引脚4输出的USNK与环境亮度成反比，引脚5的电压USRC与环境亮度成正比，二者呈互补输出特性。其输出特性曲线如图2所示，可任选一路信号作为输出电压U0。当显示器周围环境照度小于325 lx时，背光控制系统采用引脚4，使背光亮度随显示器周围环境照度的增大而不断减小;当显示器周围环境照度在325～540lx时，背光熄灭;当系统显示器周围环境照度大于540 lx时，背光控制系统采用引脚5，使背光亮度随显示器周围环境照度的增大而不断增大。

2 可视化调节的基本原理

在进行训练作战时，操作手的眼睛与目标显示屏的距离约为30 cm，显示器周围环境的照度值主要是自然光在显示器周围的照度值。表1显示了在阳光直射、晴天户外(无阳光直射)、阴天户外、晴朗夏天室内、晨昏蒙影和夜晚6种典型环境下的照度值，由于LCD表面较为光滑，因此对人眼的刺激会更强烈一些。

人眼主观亮度感觉S与光源亮度值B的对数成比例，计算公式如下：

S=K·lgB+K0 (1)

式中：K0、K为与周围环境亮度有关的常数。

实验表明，在不同的亮度值下，人眼能觉察的最小光源亮度变化△BMIN并非定值，即人眼的亮度变化感觉并非决定于绝对亮度变化，而是决定于相对亮度变化。B和△BMIN成正比，相对亮度变化△BMIN/B大致相同。人眼可察觉的最小相对亮度变化△BMIN/B称为对比灵敏度阈，用δ表示，其值通常在0.005～0.05。故只要保持光源的最大亮度DMAX与最小亮度BMIN的比值稳定，也就是对比度一定，就能够给人真实感。

实际观察的时候，人眼的对比灵敏度会受到环境光亮度值Bφ的影响而下降，实际的对比度为Cy：

显示界面可视化的目的是，在保证操作手能看清显示内容的情况下，尽量降低功耗。针对不同的环境照度值，LX1970通过检测显示器周围环境照度值，选择控制引脚，输出或吸入相应的电流，控制背光电流和对比度调节电流，自动调整背光亮度和对比度，使目标信息的显示达到最佳效果。

调节控制曲线如图3所示，实线是背光调节曲线，虚线是对比度调节曲线。背光调节过程是：当显示界面周围环境亮度值小于10lx时，属于黑暗区，需要供给背光电路以恒定电流，保证操作手能够看清显示内容，同时不会产生眩光。当显示界面周围环境亮度在10～100lx时，随着显示界面周围环境亮度的增大，到达弱光区域，背光亮度逐渐增大，当环境照度值达到100 lx时，环境照度加上显示器背光亮度能够满足操作手需要;当显示界面周围环境亮度的继续增大时，在满足需要的情况下，为了降低功耗，减弱了背光亮度;当环境照度值在325～540 lx时，属于正常区域，不需要开背光电路;当环境照度值在540lx以上时，背光亮度应该随着环境照度值的增加不断加大，以使操作手能看清

显示信息。对比度调节过程是：当环境照度小于540lx时，控制显示器的对比度在一个恒定值;当环境照度大于540lx时，调节显示器的对比度，使其随着环境照度的增大而增大。

3 可视化调节的技术实现

光亮传感器LX1970将接收可见光并转换成电流信号，SNK端、SRC端电流大小反映了亮度的高低。当环境亮度明显变暗时，LX1970能自动开启显示器的背光源以提高显示器的亮度。

基本结构是在显示器的表面挖一个小圆形采光孔，将LX1970设置在显示器孔内测量环境照度值，可视化调节的硬件实现电路如图4所示，其由单片机STC89C55、亮度传感器LX1970、液晶显示器、电源和相关电路组成。其中亮度传感器将采集到的显示器界面光电流经过高增益放大器送至两个电流输出端SRC和SNK端，单片机通过判断SRC和SNK电流的大小，得到环境亮度值的大小，选择控制方案，实现对显示器背光亮度的自动调节。亮度传感器的电流输出端SRC与液晶显示器的20引脚连接，电流吸入端SNK与液晶显示器的19引脚连接，并分别与单片机的23引脚相连，以控制SRC端、SNK端与显示器模块间电流的通断。单片机的22引脚也与液晶显示器的19引脚连接，以提供恒电流。

软件工作流程如图5所示，系统在上电开始工作后，首先进行系统初始化，LX1970感测显示器界面周围环境照度值，输出相应的电流值送至控制单片机进行判别。若检测到的环境照度值S>540lx，则计算出需要调整值后，控制单片机启动引脚5进行背光控制和对比度调节;否则显示器的对比度维持在一个恒定值;若检测到的环境照度值S<325 lx，计算出需要调整值后，控制单片机启动引脚5进行背光控制;若检测到的环境照度值为325 lx≤S≤540lx，背光关闭。调整完成后，LX1970继续采集环境照度值进行下一轮的感测调节，通过这种方式来实现适时调节。

结语

本文在利用LX1970作为感光元件的基础上，借助微控制技术，提出了一套完整的武器装备和模拟训练器显示界面的可视化智能调节方案。经过实验，该方案能够满足LCD不同环境下的可视化需求，无论是军用还是民用，都具有很高的应用价值。