液晶电视亮度感应自动控制的设计

摘要：文章对液晶电视亮度感应自动控制存在的问题进行了深入探讨，并提出了对应的改进和防范措施。通过亮度感应器，采集到周围环境的亮度；进行多次采样自动校正算法，减少外界环境亮度变化的干扰，得到稳定的亮度；通过模拟迟滞比较算法，减少亮度忽亮忽暗的变化，设定稳定的控制液晶面板背光的脉宽调制信号；由脉宽调制信号对液晶面板背光进行调整得到自适应环境的最舒服的画面亮度。
关键词：液晶电视；亮度；感应器；脉宽调制

0 引言
    随着数字技术的突飞猛进，以及液晶电视机功能的越来越齐全，使用户能够进行频道、颜色、亮度、对比度、音量等个性化的设置。亮度是彩色液晶电视机质量的一个指标，在现有的液晶电视中，使用者可以通过调整OSD菜单项进行调亮或者调暗，但是不能根据当前周围环境的亮暗，自动进行亮度调整。因此，如何使个人在看液晶电视时避免眼睛疲劳，随时都能在最舒服的亮度下欣赏节目，成为影响液晶电视进一步提升的重要瓶颈。在白天阳光强烈或显示屏有反光现象时，如果此时液晶背光板亮度不够，就不能清楚地欣赏节目和操作；在黄昏或光源较暗的时候，如果液晶背光板亮度太强，使用者会感受到刺眼的感觉，眼睛易疲劳。因此要实现适合人眼观看的液晶电视亮度，关键是亮度感应自动控制。

1 亮度感应自动控制的功能
    脉宽调制(PWM)是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。
    亮度感应自动控制是通过亮度感应器，采集到周围环境的亮度，液晶电视中央处理器自动根据周围环境的亮度设定稳定的控制液晶面板背光的PWM信号，由PWM信号对液晶面板背光进行调整，得到自适应环境的最舒服的画面亮度。在白天阳光强烈时或显示屏有反光现象时，此时液晶背光板亮度不够，液晶电视自动调高亮度，使得用户能够清楚地欣赏节目和操作；在黄昏或光源较暗的时候，液晶电视自动调低亮度，那么降低了液晶背光板的亮度，用户就不会有刺眼的感觉，眼睛不易疲劳，不容易会引起眼力劳损，出现视力模糊或视力下降等症状。

2 亮度感应自动控制存在的问题
    现有的液晶电视的亮度自动控制方法不理想，当周围环境亮度突然变亮，液晶电视即自动启动调亮亮度；当周围环境亮度突然变暗，液晶电视即自动启动调暗亮度。由于周围环境亮度由亮变暗，由暗变亮的变化时间非常短，液晶电视也自动跟着调整由暗变亮，由亮变暗，这样在液晶屏幕上所看到的忽亮忽暗的变化，大大影响用户欣赏节目，同时加大眼睛疲劳度。所以为了解决亮度能够自动控制，又不引起画面忽亮忽暗，让用户随时都能在最舒服的亮度下欣赏节目，成为影响液晶电视进一步提升的重要瓶颈。亮度感应自动控制存在的问题，主要表现在以下几个方面：
2．1 亮度感应自动控制环境不稳定因素
    (1) 光线的变化。液晶电视的亮度感应器对周围环境亮度的变化非常敏感，但是周围环境亮度受多种因素的影响，环境灯光的开关，例如室内装饰灯、日光灯，会引起亮度的变化；自然太阳光光线照射进来，亮度变亮，当太阳光光线被乌云遮蔽，亮度变暗；
    (2) 运动物体。周围环境物体的移动，包括人的移动，产生阴影引起亮度的变化，进而影响到液晶电视的亮度自动控制。
2．2 液晶电视结构的限制
    亮度感应自动控制用感应器的感光效果，还受到感应器安装在液晶电视的位置，安装感应器塑胶壳子上的开孔孔径，安装感应器的角度等影响。
    (1) 感应器安装位置。一般感应器接受器安装在液晶电视的前壳上，如果安装在壳子的正中央位置，接受光线的效果会比较好，但是会影响到整机外观。为了不影响到整个外观，所以一般感应器接受器安装在前壳的右下脚位置，在LED指示灯边上。
    (2)感应器开孔孔径。感应器接受器安装在液晶电视的前壳上，开孔的孔径大小也会影响到光的接受，如果开孔的孔径足够大，提高接受光线的效果，但是会影响到整机外观， 所以一般壳子的开孔的孔径至少为感应器接受器的孔径大小。
    (3)感应器有效接收角度。有些液晶电视的前框壳子，由于造型的要求，会有些斜边的角度，如果感应器接受器安装在斜边的位置上，将会影响感应器的光感应接收。
2．3 软体系统存在不完善
    软体系统的设计逻辑架构的合理性，软体侦侧感应器的方法是影响到亮度感应自动控制的主要因素，其中主要因子是侦侧的时间和次数。如果侦侧的时间和次数太短，感应器接受器不够稳定，造成亮度感应自动控制启动过于频繁；如果侦侧的时间和次数过长，感应器接
受器接收到的也许是过时数据，不能实时反馈周围环境亮度的变化，造成亮度感应自动控制启动反应较迟钝。通常在OSD菜单上，设计一项亮度感应自动控制启动／关闭可选开关。如果开关选择关闭，将禁止亮度感应自动控制，即画面亮度不会由于环境亮度的变化而改变。另外，液晶电视机器本身故障、元器件损坏，也会影响到软体的亮度感应自动控制。
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3 硬件电路设计
    亮度感应自动控制的基体方块由光感应器、A／D转换、CPU、图形处理器、亮度控制模块、液晶面板等组成。根据周围环境的亮度状况，光感应器输出一定值的直流电平，该直流电平信号通过A／D转换成数字信号，并送到CPU。一方面由CPU根据程序的设定，输出特定周期和占空比的PWM方波信号，经过滤波和整形之后，变为一定的直流电平，作为亮度控制模块的亮度控制信号，再由亮度控制模块改变液晶面板灯管的电流，从而改变液晶面板的亮度大小；另一方面CPU根据程序的设定，调整图形处理器的亮度寄存器值，从而改变输出到液晶面板的数据亮度的大小。从图像处理器输出自适应亮度数据信号和自适应的亮度控制信号到亮度控制模块，从而最终实现对液晶电视的感应自动控制。如图1所示。

4 系统软件设计
4．1 亮度感应自动控制软件架构
    亮度感应自动控制的软件架构主要包含亮度数据采集、实时监测技术、自动校正算法和模拟迟滞比较算法。亮度数据采集是通过光感应器感应周围环境的亮度，将亮度信号转换为模拟电信号，再由ADC转变为数字信号，此数字信号再送到液晶电视的CPU进行处理。通过亮度数据采集到的数字信号，送到CPU进行自动校正算法处理；然后再进行模拟迟滞比较算法得到稳定的PWM信号；由控制背光亮度模块控制液晶面板的背光。如图2所示。

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4．2 自动校正算法
    亮度感应自动控制的自动校正算法的步骤：首先设定采集亮度数据的时间间隔以及设定采样次数；当时间间隔定时到时，读取光感应器亮度的数据；当采样次数到达预设次数后，输出稳定的亮度；再由CPU输出稳定的PWM，去控制液晶面板的背光。设定采集亮度数据时间间隔201是初始化每次采集光感应器亮度的时间。时间定时到202是达到可以去采集光感应器亮度的时间。采集亮度数据203是CPU读取光感应器亮度数据通过ADC的数字信号的数值。到达采样次数204是到达采集亮度数据都一样的次数，表示环境亮度已经稳定，不再变化。输出稳定的亮度205是CPU输出稳定的PWM去控制液晶面板的背光。如图3亮度感应自动控制的自动校正算法的工作流程所示。

4．3 模拟迟滞比较算法
    模拟迟滞比较算法与普通的自动感应亮度控制的一个阈值电压不同，设定了两个阈值电压，分别称为正向阈值电压和负向阈值电压。在环境亮度输入信号从低电平(暗)上升到高电平(亮)的过程中使PWM电路状态发生变化的输入电压称为正向阈值电压，在输入信号从高电平(亮)下降到低电平(暗)的过程中使PWM电路状态发生变化的输入电压称为负向阈值电压。
    亮度感应自动控制的模拟迟滞比较算法将PWM的背光控制分成五段，四个模拟迟滞比较算法控制。每个模拟迟滞比较器有两个阈值ADC值，分别称为正向阈值ADC和负向阈值ADC。在环境亮度输入信号从低电平(暗)上升到高电平(亮)的过程中使PWM电路状态发生变化的输入ADC称为正向阈值ADC，在输入信号从高电平(亮)下降到低电平(暗)的过程中使PWM电路状态发生变化的输入ADC称为负向阈值ADC。例如ADC2是正向阈值ADC，ADC1是负向阈值ADC，在环境亮度输入信号从ADCI低电平(暗)上升到ADC2高电平(亮)的过程中，使PWM状态由PWN5转变为PWM4；在环境亮度输入信号从ADC2高电平(亮)下降到ADC1低电平(暗)的过程中，使PWM状态由PWN4转变为PWM5。这样设计成阻止环境亮度输入信号出现微小变化(低于某一阈值ADC)而引起输出PWM的改变，确保稳定的液晶面板背光控制。如图4亮度感应自动控制的模拟迟滞比较算法的曲线图所示。

5 结束语
    本设计实现了亮度感应自动控制，分为亮度数据采集、自动校正算法、模拟迟滞比较算法、控制背光亮度模块。通过多次采样自动校正算法，得到稳定的亮度控制信号。提出软体模拟迟滞比较算法模型，避免由于环境亮度出现微小变化而引起画面亮度忽亮忽暗的变化，为液晶电视的亮度感应处理提供了一个理想的解决方案。