环境光自适应LED显示屏设计

1、摘 要随着LED显示屏技术的成熟、成本降低、以及安装使用方便等特点，LED显示屏得到了越来越广泛的应用。由于LED显示亮度不随外界环境光而改变，存在白天显示不清或黑夜因太亮而炫目的问题。设计一个环境光自适应LED显示屏具有实际的意义。本文介绍一种实现LED显示屏随着环境的光照强度改变其亮度的控制系统。该系统以STC89C52单片机为主控制器，使用电流型传感器ON9658对环境光照强度进行采集，通过AD0809模数转换器将采集到的数据进行转换，送到单片机进行处理。通过采样值判断8*8LED显示屏亮度，避免了白天显示不清或黑夜因太亮而炫目。单片机采用全局使能PWM方法控制脉宽的调制方法来实现LED

2、显示屏亮度控制，也就是周期性改变电流脉冲宽度(即占空比)从而改变改变LED灯管的平均电流，从而改变显示屏的亮度。该设计实现了自动调整LED显示屏亮度和人为手工调节其亮度的功能，并且能够显示LED显示屏的亮度值。文中介绍了系统的设计方案和工作原理，详细阐述了系统各个模块（单片机控制模块、光照强度采集模块、数据处理模块、驱动模块等）的软硬件实现方法，包括主要元器件介绍；电路模块的设计说明；软件设计流程。文中提供了测试数据，总结了系统实现的功能，分析出不足，并提出了展望。关键词：STC89C51单片机；环境光自适应；PWM；LED显示屏；ON9658AbstractWith the maturity

3、 of the LED（light emitting diode）display technology, cost reduction, as well as to install and easy to use features, LED display has been widely used. As the LED display brightness does not vary with outside ambient light changes, there are daytime show is unclear or night due to too bright and dazz

4、ling, the design of an Ambient Light Adaptive LED display real meaning. This paper describes a LED display to change its brightness with the light intensity of the environment control system. The system controller mainly to STC89C52 microcontroller, using the current sensor ON9658 collection of ambi

5、ent light intensity, will be collected by the AD0809 analog-to-digital converter to convert the data sent to the microcontroller for processing. 8 * 8LED display brightness by sampling the value judgment to avoid the daytime show is unclear or night due to too bright and dazzling. Microcontrollers i

6、n the global enable PWM control pulse width modulation method to achieve the LED display brightness control, cyclical changes in the current pulse width (duty cycle) to change to change the average current of the LED lamp, thereby changing the display brightness. The design automatically adjust the

7、LED display brightness and man-made manually adjusting the brightness, and be able to display the value of the brightness of the LED display. This paper describes the design and working principle of the system. Described the various modules of the system (MCU control module, the light intensity acqu

8、isition module, data processing module, drive module, etc.) in detail. hardware and software implementation, including the introduction of the main components; circuit module design Notes; the software design process. Provided test data, summed up the system to achieve a lack of, and raised the pros

9、pect.Key words：STC89C51; ambient light adaptive; PWM; LED display目 录引言.11 课题背景.11.1 LED显示屏现状. .11.2 研究的目的和主要内容.22 系统的硬件设计.22.1 数据采集模块.32.1.1传感器的选择.42.1.2传感器应用设计.52.2 模数转换模块.52.2.1模数转换的选择.52.2.2模数转换电路.62.3 按键模块.72.4 主控制器模块.72.4.1主控制器选择.72.4.2主控制器应用设计.82.5 LED显示屏及其驱动电路.92.5.1LED显示屏简介及应用设计.92.5.2列行驱动简介

10、及应用设计. 103 系统硬件的调试.123.1 调试过程.123.2 调试过程遇到的问题及解决办法.134 软件设计.144.1自适应与手动调节.144.2 按键处理程序.154.3 数据采集处理.175 数据的测试.195.1传感器输出数据的测试.195.2 LED显示屏电流的测试测量.206 结论.22谢 辞. 23参考文献. 24附录一.25附录二.26引言50年代人们已经了解半导体材料的基本知识，其应用也逐步走入人们的视野。第一个商用发光二极管产生于七十年代，它的基本结构是一块电致发光半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封。最近十年，高亮度化、全色化一直是LED材

11、料和器件工艺技术研究的前沿课题。因为LED显示屏的应用对环境的适应性比较高，随着人们对LED显示屏的需求越来越大，人们对其要求也会越来越高。材料、技术的成熟及市场价格的基本均衡之后，LED显示屏的标准化和规范化将成为LED显示屏发展的一个新趋势。近几年业内的发展，市场竞争是以价格作为主要的竞争手段，几番价格回落调整达到基本均衡，产品质量，系统的可靠性等将成为主要的竞争因素，设计的LED显示屏自适应具有很好的应用价值，可以减少LED显示屏给人们生活带来的光污染，也可以节约能源。LED 显示屏与LCD、PDP 等同类平板显示产品一样, 近年的发展增长比较快。LED显示屏因其性能稳定, 使用寿命长、

12、功耗较低、价格相对适宜等特点。LED 显示屏的关键控制技术随着新型大规模集成电路的开发将有新的提高, CPLD、DSP、FPGA 等在显示屏领域已得到应用，在今后的市场发展中将会更趋成熟。中国发展LED起步于七十年代，相对于国外来说产品方面是处于落后的，特别是在工艺方面。产业出现于八十年代。全国约有100多家企业，95%的厂家都从事后道封装生产，所需管芯几乎全部从国外进口。工艺的落后只有通过加强自主研发的能力才能真正振兴民族产业。通过几个“五年计划”的技术改造、技术攻关、引进国外先进设备和部分关键技术,使中国LED显示屏领域的生产技术已向前跨进了一大步。1 课题背景1.1 LED显示屏现状我国

13、的LED显示屏产业经过几年的发展，基本形成了一批具有一定规模的骨干企业。LED 显示屏产业的在我国形成和发展主要从90年代开始。随着国民经济的快速增长和商业繁荣, LED 显示屏作为信息显示手段, 在购物引导和广告宣传方面发挥了积极作用。证券投资、期货交易的迅猛发展, 再度引发了LED 显示屏的大幅度需求。我国 LED 显示屏的发展现状产业发展初具规模。LED 显示屏的应用涉及社会经济的许多领域，大街小巷随处都可以看见。主要包括：证券交易、金融信息显示。这一领域的 LED 显示屏占到了前几年国内LED显示屏需求量的 50% 以上，目前仍为 LED 显示屏的主要需求行业。金融营业机构广泛使用了

14、LED 显示屏；机场航班动态信息显示。民航机场建设对信息显示的要求非常明确， LED 显示屏是航班信息显示系统的首选产品；港口、车站旅客引导信息显示。以 LED 显示屏为主体的信息系统和广播系统、列车到发揭示系统、票务信息系统等共同构成客运枢纽的自动化系统；体育场馆信息显示。 LED 显示屏已取代了传统的灯泡及 CRT 显示屏；道路交通信息显示,智能交通系统的兴起，在城市交通、高速公路等领域， LED 显示屏作为可变情报板、限速标志等，替代国外同类产品，得到普遍采用；调度指挥中心信息显示。电力调度、车辆动态跟踪、车辆调度管理等，也在逐步采用高密度的 LED 显示屏。邮政、电信、商场购物中心等服

15、务领域的业务宣传及信息显示。遍布全国的服务领域均有国产 LED 显示屏在信息显示方面发挥作用。广告媒体新产品。除单一大型户内、户外显示屏做为广告媒体外，国内一些城市出现了集群 LED 显示屏广告系统。在LED显示屏广泛使用的情况下，LED显示屏环境光自适应的探索具有一定的意义和价值。1.2 研究的目的和主要内容设计的环境光自适应LED显示屏来解决生活中LED显示屏给我们的生活带来负面影响。由于LED显示亮度不随外界环境光而改变，存在白天显示不清或黑夜因太亮而炫目的问题，白天和夜晚不同的时间和地点环境的亮度变化极大，如果LED显示屏的播放亮度大于环境亮度60%我们就明显感觉眼睛的不适应，也就会造

16、成严重的光污染。通过传感器对户外光照强度采集系统。主控制器通过对模数转换的值进行读取处理，从而控制显示屏行列驱动来适应该环境下显示屏的亮度。 设计中的环境光传感器ON9658对的环境光感应产生的电流，通过负载1K电阻转换成电压信号，模数转换AD0809通过对电压信号进行转换，主控制器STC89C52读取模数转换AD0809的值。主控制器对采样值进行处理，然后通过译码器74HC138和功率放大器74HC4953对LED显示屏发光二极管的阳极电流驱动来控制亮度，主控制器通过SPI方式对74HC595进行来控制LED显示屏的阴极。程序通过全局PWM方式来调节流过LED显示屏中发光二极管的电流大小，从

17、而控制显示屏上的亮度，并且把LED显示屏的亮度值显示在LED显示屏上。并且通过按键扫描方式来手动调节LED显示屏的亮度，满足不同人对屏幕光感应的不同而对屏幕亮度调整的需求.2 系统的硬件设计系统硬件主要由环境光采集模块、模数转换模块、主控制器模块、按键模块和LED显示屏行列驱动模块组成。其电路图如图2.1所示。本设计是通过传感器对环境光强度进行采集，然后通过模数转换把采样的电压值转换成单片机能识别的数字信号，然后由主控制器处理模数转换的电压值，通过程序对采样值的处理和判断，最后分析其大小并且对显示屏的行列驱动进行控制，通过控制LED显示屏中发光二极管的电流的平均值，从而控制和调节LED显示屏的

18、亮度。并且把亮度值显示在LED显示屏上。硬件设计中包括了通过手动调节LED显示屏亮度的功能，通过主控制器对按键管脚进行扫描来判断和选择需求的亮度，最后通过程序对显示屏的行列驱动进行相应的操作，同样也控制其亮度。其中复位电路和晶振电路是包含在单片机的最小系统里面的最基本的部分。复位电路包括上电复位和按键复位，晶振电路为单片机提供6MHz的时钟，同时为模数转换提供经过6倍频的时钟信号。本章节内容详细介绍了环境光采集模块、模数转换模块、主控制器模块、按键模块和LED显示屏行列驱动模块的方案选择、电路设计、芯片简介以及操作流程等按键传感器主控制器数模转换列驱动行驱动LED显示屏图2.1 系统硬件框图2

19、.1 数据采集模块选择的传感器须对环境光照强度进行采集。ON9658是一个光电集成传感器，典型入射波长为p=520nm，内置双敏感元接收器。可见光范围内高度敏感，输出电流随照度呈线性变化。通过对该传感器加入反向电压，传感器处于反偏状态，在反偏状态下，传感器中的反向电流将随入射光强度而变化，R是传感器输出电流的负载电阻，在R上可取出随入射光照强度变化的信号，光照强度越强，反向电流越大取出的电压信号越大，适合电视机、LCD 背光、数码产品、仪器仪表、工业设备等诸多领域的节能控制、自动感光、自适应控制。2.1.1传感器的选择以下是选择ON9658的原因以及其参数。其额定参数如表2.1所示：表2.1

20、ON9658传感器额定参数表参数名称符号额定值单位输入电压Vdd2.4-12V功率损耗P150mW工作温度范围Topr.-20 to +75存储温度Tstg.-40 to +120焊接温度Tsol.260在光线很弱的情况下暗电流小，对低光照响应，灵敏度高，电流随光照度增强呈线性变化；内置双敏感元，自动衰减近红外，光谱响应接近人眼函数曲线；内置微信号CMOS放大器、高精度电压源和修正电路，输出电流大，工作电压范围宽，温度稳定性好；可见光透过，紫外线截止、近红外相对出：其工作电压范围宽，可以直接与整个系统共同使用5v的电压，使得设计简单；工作温度范围为-20到+75完全能适合环境要求，光电参数如下

21、表2.2所示：从表2.2中可以看出在Vcc=5V、R=1K、Ta=25条件下，其对入射波长为520nm的环境光进行采集，其产生的为电流型参数。表 2-2 光电参数参数名称符号测试条Vcc=5V,R=1K,Ta=25最小值典型值最大值单位典型入射波长p-520-nm静态电流IDEv=0Lux,00.034uAEv=5Lux58人眼函数、硅光器件、照度传感器光谱曲线对照如图2.2所示：图 2.2 人眼函数、硅光器件及传感器函数如图2.2所示：横轴为波长，纵轴为光谱感应度。在Y轴上往下数第一条为人眼对自然环境中波长的感应强度分布；第二条为照度传感器对自然环境中波长的感应强度分布；而第三条为硅光器件对

22、环境中波长的感应强度分布。从图中看出来人眼对自然环境光波长为550nm感应的最灵敏，也就是人眼的视觉基本集中在550nm的附近，然而传感器ON9658对波长为520nm的环境光进行采集，从图2中可以看出，传感器对环境光的感应与人眼对环境光的感应波长有一些差别，但是可以满足课题对可见光的采集。基本满足了采集模块对环境光照强度采集的要求。2.1.2传感器应用设计环境光传感器ON9658光照强度与输出电流曲线如图2.3所示。光照强度(照度) 是物体被照明的程度，也即物体表面所得到的光通量与被照面积之比，单位是Ix(l勒克斯是l流明的光通量均匀照射在l平方米面积上所产生的照度)。夏季在阳光直接照射下，

23、光照强度可达6万10万lx，没有太阳的室外0.1万1万lx，夏天明朗的室内1005501x，夜间满月下为0.21x。如图，随着光照强度的增加，传感输出的电流成线性的增大。图2.3 光照强度与输出电流采集电图如图2.4。如图，通过1K电阻对传感器的电流信号进行电流转换为电压信号，直接送到AD0809对传感器信号进行采集。 图2.4 传感器电路2.2 模数转换模块2.2.1模数转换的选择 系统需要把传感器采集的模拟信号进行转换成数字信号才能供单片机进行识别，在选择传感器的类别与型号的时候主要考虑到是整个系统对采集精度要求，所以选择AD0809对传感器ON9658输出后电流信号转换成的电压信号进行采

24、集，其被内部功能如图2.5所示： 输出缓冲器逻辑控制电路比较器逐次逼近寄存器时钟D/A转换器D7-D0UsUi启动转换结束输出允许图2.5 AD0809内部结构图ADC0809 模数转换的原理是8位逐次逼近型A/D转换器。包含了8路模拟开关、一个地址锁存译码器、一个A/D 转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D 转换器进行转换。本系统只选择IN0对信号进行模数转换，三态输出锁器用于锁存A/D 转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。AD0809的应用如图2.6所示。选择了AD0809模拟量输入通道IN0

25、对传感器输入信号进行采集，A、B 和C 为地址选择端口，所以直接全部接地。输入信号电压范围是05V。传感器采集的电流经过负载电阻转换后的输入电压合适，可以直接采集。4条地址输入和控制线,ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A、 B、C 三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道IN0的模拟量进转换器进行转换。START为转换启动信号。当ST 上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D 转换；在转换期间，START 应保持低电平。系统直接把ALE和START信号线连接在一个管脚来控制。EOC 为转换结束信号。当EOC 为高电平时，表

26、明转换结束；否则，表明正在进行A/D 转换。OE为输出允许信号，用于控制输出锁存器向单片机P0口输出转换得到的数据。OE1，输出转换得到的数据；OE0，输出数据线呈高阻状态。D7D0 为数字量输出线。CLK为时钟输入信号线，由单片机ALE管脚经过6倍频后提供，得到的是1MHz的时钟信号，完全符合其要求的1.2MHz一下的时钟信号要求。参考电压VREF（），VREF（）分别接+5V和地。输出信号直接连接主控制器的P0口进行读取。图2.6 AD0809应用电路图2.3 按键模块按键功能划分如下表2.3所示：复位键包括上电复位和按键复位的功能。“+” 键和“-” 键分别通过上拉1K电阻设计为手动调节

27、LED显示屏的亮度。表2.3按键占用端口及功能按键名称占用端口功能描述复位键RET管脚实现单片机复位“+” 键INT0增加显示屏亮度“-” 键INT1降低显示屏亮度2.4 主控制器模块主控制器是整个系统的核心部分，必须考虑到各个模块能否协调工作和处理能力是否达到了设计要求。现在随着LED显示屏的广泛应用，由于它的控制系统均是基于嵌入式微处理器的开发，加上LED显示屏控制较复杂，特别是在如今LED显示屏行业高速发展的情况下，对硬件的要求也是越来越高。CPLD、DSP、FPGA和单片机等都在LED显示屏应用中得到使用。对于不同的场合有不同的需求，在如今考虑成本第一的时代，单片机在其领域也占有一席之

28、地。2.4.1主控制器选择主控制器是一个系统的核心部分，选择主控制器主要考虑其资源、价格、功耗、开发难易程度等多方面综合考虑。设计采用主控制器选择STC89C52单片机，该单片机是一种低功耗的8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash 存储器。拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。具有以下标准功能： 8k字节Flash，512字节RAM，32 位I/O 口线。STC的单片机直接通过串口就可以下载，下载调试十分方便，编程用法与其他单片机都基本相同，STC的单片机速度更快！价格更低保密性更强！2.4.2主控制器应用

29、设计其功能一一列举在下表2.4中，基本上使用了几乎全部的I/O口，对于其各个功能使用将在主控制器电路部分进行详细的说明。单片机在此形成总控制器作用，通过控制采集模块和处理判断来控制各个模块的协调工作。其电路图如图2.7所示，电源为5V，晶振电路为单片机提供6MHz的时钟信号，复位功能包括了上电复位了按键复位两个功能。按键模块接在P3.0和P3.1上面，通过上拉1K电阻来保持两个管脚为高电平，当有按键按下的时候选择按键值调节LED显示屏亮度的功能。P2口直接连接AD0809，因为是只执行读数据功能，所以不用上拉电阻。P2.4-P2.6为AD0809控制端口，通过单片机控制转换的开始以及通过相应端

30、口的值来判断转换是否完成，如果完成转换即可控制转换的输出，AD0809的模数转换值读取用来控制LED显示屏。P1.0-P1.2为74HC138控制输出端口，通过三个端口输入到74HC138进行译码操作，译码值来控制74HC4953某个场效应管来控制显示屏的列值输出高电平使电流的放大，驱动LED显示屏的二极管。P3.0、P3.1用来接相应STC89C52的下载器，通过相应的软件把生产的hex程序下载到单片机flash里面，使用非常方便。ALE通过时钟信号经过6倍频输出供模数转换器的时时钟信号来使用。通过Keil编程来组织单片机通过判断管脚高低电平来判断是否执行手动LED显示屏亮度调节。表 2.4

31、 单片机引脚分配表MCU型号Pin脚名称功能说明STC89C52P0.0-P0.7AD0809转换后单片机读书端口P1.0-P1.274HC138译码P1.3-P1.674HC595控制P2.4-P2.6控制AD0809P3.0、P3.1STC89C52下载口P3.2、P3.3按键选择端口XTAL1、XTAL2晶振端口图2.7 主控制器电路2.5 LED显示屏及其驱动电路该模块通过单片机通过P1.0-P1.2来控制74HC138来控制某一位的电压为低电平，再经过74HC595对列信号进行电流放大构成列驱动来控制LED显示屏的阳极（也就是列值）。通过P1.3-P1.6对74HC595写行信号来控

32、制LED显示屏的阴极，也就是SPI方式输入。整个驱动通过调节74HC595的使能端OE全局使能PWM方法控制脉宽的调制方法来实现LED显示屏亮度控制，也就是周期性改变电流脉冲宽度(即占空比)从而改变改变LED灯管的平均电流，从而改变显示屏的亮度，进行环境光自适应LED显示屏。2.5.1 LED显示屏简介及应用设计LED显示屏分为动态和静态显示屏，操作原理都是通过行列扫描，只是动态要求的控制比较复杂，不同大小的显示屏都是由很多小的模块组成的。随着要求的增加其控制的复杂度也增加。其由半导体发光二极管像素点均匀排列组成。现在,市场上销售的LED显示屏是很多企业利用相同的设计技术、方法、显示模块生产的

33、,但其性能差别比较大。颜色配比的不同,产生图像效果差别就很大，模块的扫描频率、工作电流既影响亮度,又涉及到使用寿命等问题。因其内部电路如图2.8所示，8*8点阵共需要64个发光二极管组成，且每个发光二极管是放置在行线和列线的交叉点上，当对应的某一列置1电平，某一行置0电平，则相应的二极管就亮；因此要实现一根柱形的亮法，对应的一列为一根竖柱，对不同的交叉点的控制就可以显示不同的值。因为不同厂家的点阵管脚封装不一样，用万用表的导通挡来测量本LED点阵的管脚结构，其管脚结构分布图为2.9，上排为HG1A3FD0，下一排为46BC7E52。通过动态扫描显示需要的值。通过行列驱动来控制LED显示屏。图2

34、-8 LED点阵内部结构图2-9 LED点阵管脚图2.5.2列行驱动简介及应用设计列驱动是为LED显示屏提过足够的电流大小的电路，设计通过74HC138进行译码来控制74HC4953来控制LED显示屏的列值。其使用电路图如图2.10所示：74HC138是一款高速CMOS器件，74HC138译码器可接受3位二进制加权地址输入（A0, A1和A2），并当使能时，提供8个互斥的低有效输出（Y0至Y7）。这样就唯一控制某一列的LED显示屏的电平。74HC138有3个使能输入端，两个低有效（E1和E2）和一个高有效（E3）。设置E1和E2置低且E3置高，否则74HC138将保持所有输出为高。通过P1.0

35、、P1.1、P1.2三个端口来控制3位二进制加权地址输入（A0, A1和A2）而进行译码。其译码的值分别接到74HC4953进行驱动LED显示屏。译码输出中只有某位为低电平，于是LED显示屏上只有某一列为高电平，其余列为低电平，然后通过行的组合来显示。图2.10 74HC138电路图由74HC4953构成的电流放大部分电路图如图2.11所示。每一LED显示屏的发光二极管需要的电流是比较大的，如果直接使用单片机的管脚直接控制LED显示屏的亮度，这样的结果是电流太小，LED显示屏里面的发光二极管不够亮。所以必须添加驱动芯片达到LED显示屏管的所需电流大小，每片74HC4953可以驱动2个显示列，其

36、内部是两个CMOS管，1、3脚VCC，2、4脚控制脚，2脚控制7、8脚的输出，4脚控制5、6脚的输出，只有当2、4脚为“0”时，7、8、5、6才会输出“1”，否则输出为高阻状态。图2.11 74HC4953电路图该列驱动电路通过74HC138控制某一列位的电压为“0”，当74HC4953控制端口为“0”时，其控制的相应输出端口为高电平，通过74HC595控制行向量的电平就可以控制相应点的亮灭。通过行列的循环控制就可以显示不同的值在LED显示屏上面。图2.12 74HC595电路图设计中选择串行输入，并行输出行驱动电路，通过SPI方式进行控制，不仅节约端口，而且电路更方便操作。74HC595电路

37、图如图2.12所示。74HC595是硅结构的CMOS器件，兼容低电压TTL电路。 74HC595是具有8位移位寄存器和一个存储器，三态输出功能。移位寄存器和存储器是分别的时钟。 数据在SHcp的上升沿输入到移位寄存器中，在STcp的上升沿输入到存储寄存器中去。如果两个时钟连在一起，则移位寄存器总是比存储寄存器早一个脉冲。 移位寄存器有一个串行移位输入（Ds），和一个串行输出（Q7）,和一个异步的低电平复位，存储寄存器有一个并行8位的，具备三态的总线输出，当使能OE时（为低电平），存储寄存器的数据输出到总线。8位串行输入/输出或者并行输出移位寄存器，具有高阻关断状态。三态。将串行输入的8位数字，

38、转变为并行输出的8位数字。通过STcp、SHcp、Ds、和OE使能端来控制LED显示屏的阴极。因为通过74HC4953放大的电流太大了，经过一段的时间就有发热现象，通过串联上一个100欧姆的电阻进行分压，同时便于测试不同亮度情况下流过LED显示屏发光二极管的电流大小。3 系统硬件的调试3.1 调试过程首先检查线路的导通性，通过万用表对照PCB图进行比较各个管脚的连接是否良好，然后依次各个模块的检测是否正常工作。包括复位是否正常工作；ON9658传感器模块输出的电流信号经过电阻的转换的电压信号是否随着光照强度相应的产生变化，对环境光的敏感程度，以及输出的电压大小；AD采集模块是否工作正常，对EO

39、C进行读取来判断AD工作情况；通过单片机给74HC138信号观察其输出结果是与真值表的译码相同；并且用万用表测试74HC4953的输入以及输出是否与理论相同；通过74HC595来控制对串行输入并行输出的时序操作是否正常，通过测试管脚来判断输入与锁存是否相同；通过LED显示屏的阳极和阴极配合控制显示屏的亮灭来判断LED工作方式以及编写适合的显示的码；最后，综合各个模块的程序通过按键和ON9658传感器信号对整个模块进行编程合理分配控制。3.2 调试过程遇到的问题及解决办法（1）开始忽略了AD0809时钟信号不能超过1.2MHz，使用了的是单片机12MHz晶振经过6倍频供AD0809时钟输入信号使

40、用，其提供的时钟信号为2MHz，对AD0809采集的时候有时候出现不稳定的现象。解决办法有两种：方法一是选择晶振小一些的为单片机提供时钟信号，如6MHz；方法二是在单片机倍频信号输出后再进行2倍频。因为考虑到本课题硬件已经确定，本课题选择了方案一来满足AD0809对时钟信号的要求。（2）当用万用表对负载电阻的电压信号进行采集，同时改变环境光照强度观察其电压信号的变化。在测试的时候，传感器输出信号对环境光的采集是随着环境光的强弱变化很明显，当强度大的时候输出的电压大，反之。但是在用AD对电压信号进行采集的时候进行比较和判断，单片机读数是不断变化的，初步判断是因为电压表测量的信号是输入信号的平均值

41、，但是单片机采集的是实时的电压值，通过给单片机编写程序来观察各个值并且测量观察各个两个闪烁信号的的边界点。以此来判断传感器ON9658对稳定环境光的采集不是时刻都一样的输出值，而是间断的受环境光中可见光的大小。通过以下两种方法来判断：方法一是通过给AD输入固定的稳定电压信号进行采集，观察其采集结果与输入之间的关系和采集的值会不会发生变化的。当给一个稳定的电压时，单片机通过AD采集的信号是一个稳定大小的电压信号，从而判断传感器输入信号是一个有微笑波动的信号。方法二是通过示波器对输入信号进行显示，其结果如下图3.1所示。通过图3.1所示可以看出来，传感器对环境光强弱的采集是有周期性的，在一个周期内

42、的值并不是都图3.1 示波器采集传感器信号相同的，而是有变化的，特别是在一个周期的开始阶段其输出的电流很大，所以必须对输入信号进行处理才能正确处理相应环境光强度下LED显示屏的亮度值。通过示波器对输入信号在不同环境光强度下进行采集，其采样周期是固定的，在软件里面通过函数进行处理再进行判断。如果不处理将会采集到的数据是时刻在变化的，影响数据的判断，从而LED显示屏会出现一闪一闪的现象，实践也证明不处理的AD数据直接采集会出现一闪一闪的现象。所以在设计软件的时候必须考虑在传感器感应环境光的一个周期内进行。考虑到环境光的采集基本都是对人眼范围内的可见光，所以可能是因为环境光的频率问题而影响到环境光传

43、感器的采集周期性问题，因为传感器对波长为520nm的环境光感应最灵敏，通过示波器观察其频率f=2.577Hz，与环境无关。从而判断是传感器的自身的原因造成的。（3）对LED显示屏调节亮度方法一的原理是流过LED显示屏屏体的电流，一般LED灯管允许连续工作电流在20毫安左右，除了红色管芯的LED灯有饱和现象外，其他LED灯管亮度基本上与流过的电流成比例；另一种方法是利用人眼的视觉惰性与视觉印象差，用脉宽调制方法来实现灰度控制，也就是周期性改变光脉冲宽度（即占空比），只要这个重复点亮的周期足够短（即刷新频率足够高），人眼是感觉不到发光象素在抖动。由于脉宽调制更适合于数字控制，所以在普遍采用微机来提

44、供LED显示屏体显示内容的今天，几乎所有的LED显示屏都是采用脉宽调制来控制灰度等级的。单片机负责控制LED显示屏上的若干行（列），而每一行上LED的显控信号则用串行的方式传送。通过测试必须保证其刷新率在人眼不能感觉到的时间内进行PWM调制。经过测试因为通过给予LED各个不同的延时，观察其在能在人眼的识别范围内，（即不产生闪烁）其最大的延时时间为8*15*T的时间，其中T约等于2us，可以把此区间平均分为8等份，从而控制LED显示屏亮度来满足对亮度的调整。（4）对传感器信号输出的电压信号如何处理的问题，因为此传感器对环境光的采集之后的电压信号是一个比较宽的区间范围，如果也是按照PWM方式平均分

45、区间，那样对于现实的来说是不符合实际的，必须给LED显示屏最高的亮度来显示，在不同环境光照下观察LED显示屏最合适的亮度，从而测出其输入值，依次为参考点依次往光照更低的地方进行测试。（5）在对课题要求中的把亮度值显示出来的设计，因为在忽略了74HC595和74HC138对单片机P1口的使用情况下，添加了一个数码管也使用P1口的资源，解决办法有三种：方法一是对数码管用一个锁存器对输出数码管的数进行锁存，然后送到数码管显示当前的亮度值；方法二是使用其他单片机端口来控制数码管的值；方法三是抛弃了这个设计，把亮度值显示在LED显示屏上面。考虑到从重新做板对一些芯片的需求，本设计采用了方案三。4 软件设

46、计4.1 自适应与手动调节既能实现环境光自适应也能实现对LED显示屏的人为调节其亮度，其程序流程图如下图4.1所示。考虑到人为调节能符合不同人群的需求，人为调节肯定是具有更高的优先级，所以必须在人为调节的情况下屏蔽掉自动AD采集。该程序通过开始就判断是否有按键按下，按键通过上拉电阻来判断按键端口的高低电平。然后再延时去抖判断按键是调亮还是调暗，进入按键调节的程序对LED显示屏进行调节，当调节超过范围的时候就返回主函数对AD进行采集。通过采集的数据对LED显示屏进行控制。NY执行按键程序是否有按键执行AD采集处理按键计算显示值处理采集值并判断大小显示相应的亮度值和效果开始返回图4.1 数据处理模

47、块流程图 4.2 按键处理程序按键相对于环境光传感器来说具有更高的优先级，其流程图如图4.2所示。在主程序开始就用一个if语句就可以进入按键控制语句，通过超出或者少于规定值的时候就跳出此循环语句。当有按键按下的时候一直进入到一个关于判断按键控制的LED显示屏亮度的控制程序。也就是一个while（1）语句中循环判断以及显示相应的数据，在此循环语句中不断对按键进行扫描，扫描的时候必须进行按键延时去抖动处理，防止意外抖动或者按键一按下程序做多次处理的发生，通过按键的值做相应的赋值处理。在整个按键处理的循环程序中，因为设计的亮度值是1-9。最后通过switch语句判断值进行显示亮度值和显示该亮度值下的亮度效果。必须在赋值语句中判断其值是否超出规定的范围，如果超出或者小于该的范围，那么必须跳出此按键程序，进入到AD采集程序和处理程序，通过AD对环境光的强弱进行采集和处理，通过采集值自适应控制LED显示屏的亮度和输出其亮度值。NYNYNNNYYYN延时去抖动进入while语句按键0？=0Cont+Cont-根据Cont值判断显示屏亮度及亮度值Cont?=10Cont?=0跳出循环是否有按键执行AD采集程序按键0？=1Cont=5延时延时按键1？=1开始返回图4.2 按键处理模块流程图4.3 数据采集处理数据采集和处理是在主控制器的通过传感器对外界的信息获取和使