基于MSP430F169的環(huán)境光自適應(yīng)LED顯示屏設(shè)計(jì)
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摘要： 本設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)LED 顯示屏隨著環(huán)境光改變其亮度，以避免白天顯示不清或黑夜因太亮而炫目；并與上位機(jī)進(jìn)行通信。 本系統(tǒng)由MSP430F169 單片機(jī)、16* 32 共陽極LED 點(diǎn)陣顯示屏、行驅(qū)動(dòng)電路、列驅(qū)動(dòng)電路、環(huán)境光自適應(yīng)電路、數(shù)字開關(guān)調(diào)壓電路、直流穩(wěn)壓源電路等組成。 采用按列并行發(fā)送數(shù)據(jù)，按行掃描的方式實(shí)現(xiàn)LED 點(diǎn)陣屏內(nèi)容的顯示； 單片機(jī)通過數(shù)字開關(guān)調(diào)壓電路實(shí)現(xiàn)對(duì)LED 點(diǎn)陣屏電源電壓的自動(dòng)調(diào)節(jié)，使屏幕亮度隨環(huán)境光自動(dòng)變化。
LED 點(diǎn)陣顯示屏在生活中是很常見的，給我們的生活帶來了很多的便利。 由于LED 顯示亮度不能隨外界環(huán)境光而改變，存在白天顯示不清或黑夜因太亮而炫目的問題。 如果能實(shí)現(xiàn)控制其亮度，不僅可以節(jié)省能源，還可以使顯示屏的顯示效果更加清晰。 本設(shè)計(jì)介紹的是利用MSP430F169單片機(jī)系統(tǒng)控制的環(huán)境光自適應(yīng)LED 顯示屏，該屏能夠根據(jù)環(huán)境光的強(qiáng)弱自動(dòng)調(diào)整亮度，以避免白天顯示不清或黑夜因太亮而炫目，并與上位機(jī)進(jìn)行通信。 LED 顯示屏應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，如商場(chǎng)、娛樂場(chǎng)所、工廠、學(xué)校等大型場(chǎng)所，對(duì)其研究有著實(shí)用的價(jià)值及良好的發(fā)展前景。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
本系統(tǒng)主要由MSP430F169 單片機(jī)系統(tǒng)、降壓整流濾波電路、穩(wěn)壓電路、開關(guān)調(diào)壓電路、RS485 通信接口電路、LED 行列驅(qū)動(dòng)電路、環(huán)境光檢測(cè)電路、LED 顯示屏、上位PC 計(jì)算機(jī)等構(gòu)成。
本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，如圖1 所示。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框
2 基本原理
本設(shè)計(jì)采用列發(fā)送數(shù)據(jù)，行掃描的方式實(shí)現(xiàn)LED 顯示文字或圖像。 本方法與硬件電路相結(jié)合，達(dá)到顯示屏整體亮度相對(duì)均勻的目的。
利用光敏電阻對(duì)環(huán)境光的敏感特性，采集環(huán)境光的變化狀況，將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并送入到單片機(jī)中，由單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)處理，并按照一定的規(guī)律控制輸出PWM 波的占空比。
在單片機(jī)與LED 顯示屏之間加一個(gè)開關(guān)調(diào)壓電路，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)顯示屏的亮度調(diào)整。 將調(diào)整后的PWM 波對(duì)開關(guān)調(diào)壓電路進(jìn)行控制，從而調(diào)節(jié)顯示屏的輸入電壓的大小，最終實(shí)現(xiàn)顯示屏的亮度控制。
3 電路設(shè)計(jì)
3. 1 MSP430F169 單片機(jī)系統(tǒng)電路
MSP430F169 單片機(jī)系統(tǒng)電路為主控制電路。 MSP430 系列單片機(jī)是美國德州儀器公司1996 年開始推向市場(chǎng)的一種16 位超低功耗的混合信號(hào)處理器（ Mixed Signal Processor） ，該單片機(jī)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)： 超低功耗、強(qiáng)大的處理能力、豐富的片內(nèi)外圍模塊、方便高效的開發(fā)環(huán)境、系統(tǒng)工作穩(wěn)定。 由于MSP430F169 單片機(jī)內(nèi)部集成了12 位的A/D 和D/A 并且產(chǎn)生PWM 波程序簡單，不再需要外加A/D 電路、D/A 電路和PWM 波產(chǎn)生電路，由此簡化了外圍電路的設(shè)計(jì)，所以本設(shè)計(jì)選用MSP430F169 單片機(jī)，如圖2 所示。
圖2 單片機(jī)系統(tǒng)電路 3. 2 降壓整流濾波電路 220 V 交流電經(jīng)過變壓器降壓后，由整流橋整流成單向脈動(dòng)電壓，經(jīng)電容濾波成脈動(dòng)很小的直流電壓。 由于該直流電壓隨電網(wǎng)電壓波動(dòng)，如果直接作為顯示屏電源，會(huì)造成顯示屏的閃爍，因此采用穩(wěn)壓電路對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)壓。 7805 是專用的三端穩(wěn)壓器件，輸入濾波后的電壓（ U≈9 V） ，穩(wěn)壓輸出的5 V 電壓（ VCC） 供IPIC68273 使用。 MSP430系列單片機(jī)電源電壓范圍是1. 8 ～ 3. 6 V，因此將5 V 電壓經(jīng)二極管降壓0. 7 V（ VSS） 后，供單片機(jī)系統(tǒng)使用。 經(jīng)長期實(shí)驗(yàn)證明，單片機(jī)系統(tǒng)可長期安全可靠運(yùn)行，其優(yōu)點(diǎn)是與5 V 供電的TTL 或CMOS 電路接口，不必再加電平轉(zhuǎn)換電路，如圖3所示。 圖3 降壓整流濾波電路 3. 3 開關(guān)調(diào)壓電路 利用兩個(gè)NPN 型晶體管組成反相放大電路以實(shí)現(xiàn)PMOS 開關(guān)管斬波放大，用PWM 波調(diào)整PMOS 開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間來控制VDD 作用于顯示屏的平均電壓的大小，進(jìn)而控制LED 的亮度。 為防止網(wǎng)絡(luò)電壓的波動(dòng)對(duì)顯示屏造成影響，故用定值電阻R4 與R5 組成分壓測(cè)量電路，對(duì)電壓進(jìn)行精確測(cè)量控制，用于實(shí)現(xiàn)顯示屏電壓的穩(wěn)定可靠，如圖4 所示。 圖4 開關(guān)調(diào)壓電路 3. 4 行列驅(qū)動(dòng)電路 LED 顯示驅(qū)動(dòng)采用動(dòng)態(tài)掃描驅(qū)動(dòng)方式，每次只能點(diǎn)亮一行LED（ 共陽形式LED 顯示點(diǎn)陣模塊） ，由于TPIC6B273 是以O(shè)C 門方式輸出的，所以特別適宜選擇共陽形式LED 顯示點(diǎn)陣模塊做基礎(chǔ)顯示單元。 行掃描電路采用4 /16 譯碼器CD4515 譯碼形成行掃描脈沖，放大后直接形成行掃描信號(hào)，如圖5 所示。
圖5 單色共陽極LED 驅(qū)動(dòng)電路
3. 5 環(huán)境光檢測(cè)電路
光敏電阻是用半導(dǎo)體材料制成的光電器件，它沒有極性。 利用光敏電阻RG 與定值電阻R1 組成環(huán)境光檢測(cè)電路，通過測(cè)量R1 兩端電壓的變化來檢測(cè)環(huán)境光強(qiáng)弱的變化，如圖6 所示。
圖6 環(huán)境光檢測(cè)電路
3. 6 RS485 通信接口電路
MAX485 是用于RS485 通信的差分平衡收發(fā)器，由MAXIM 公司生產(chǎn)。 芯片內(nèi)部包含一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)接收器，適用于半雙工通信。 上位PC 機(jī)通過通信接口電路與單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行通信，如圖7 所示。
圖7 RS485 通信接口電路
4 程序設(shè)計(jì)
環(huán)境光自適應(yīng)LED 顯示屏控制程序使用IAR 軟件，利用C 語言進(jìn)行編寫，如圖8 所示。
圖8 環(huán)境自適應(yīng)LED 顯示屏程序框
5 結(jié)論
本文所論述的環(huán)境光自適應(yīng)LED 顯示屏，可隨環(huán)境光的變化而改變亮度，使顯示屏不至于太過刺眼或者太暗，同時(shí)有效地控制了能耗，使電源效率達(dá)到75%以上，本系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?通過改進(jìn)，可應(yīng)用于學(xué)校、商場(chǎng)、工廠、證券交易等場(chǎng)所的顯示，本系統(tǒng)的研究有著極其實(shí)用的價(jià)值和良好的發(fā)展前景。
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