MSP430F169的环境光自适应LED显示屏的设计方案

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本设计主要实现LED 显示屏随着环境光改变其亮度，以避免白天显示不清或黑夜因太亮而炫目;并与上位机进行通信。 本系统由MSP430F169 单片机、16* 32 共阳极LED 点阵显示屏、行驱动电路、列驱动电路、环境光自适应电路、数字开关调压电路、直流稳压源电路等组成。 采用按列并行发送数据，按行扫描的方式实现LED 点阵屏内容的显示; 单片机通过数字开关调压电路实现对LED 点阵屏电源电压的自动调节，使屏幕亮度随环境光自动变化。
　　LED 点阵显示屏在生活中是很常见的，给我们的生活带来了很多的便利。 由于LED 显示亮度不能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。 如果能实现控制其亮度，不仅可以节省能源，还可以使显示屏的显示效果更加清晰。 本设计介绍的是利用MSP430F169单片机系统控制的环境光自适应LED 显示屏，该屏能够根据环境光的强弱自动调整亮度，以避免白天显示不清或黑夜因太亮而炫目，并与上位机进行通信。 LED 显示屏应用领域广泛，如商场、娱乐场所、工厂、学校等大型场所，对其研究有着实用的价值及良好的发展前景。
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　　1 系统结构框图
　　本系统主要由MSP430F169 单片机系统、降压整流滤波电路、稳压电路、开关调压电路、RS485 通信接口电路、LED 行列驱动电路、环境光检测电路、LED 显示屏、上位PC 计算机等构成。
　　本系统的结构框图，如图1 所示。
　　



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　　图1 系统结构框
　　2 基本原理
　　本设计采用列发送数据，行扫描的方式实现LED 显示文字或图像。 本方法与硬件电路相结合，达到显示屏整体亮度相对均匀的目的。
　　利用光敏电阻对环境光的敏感特性，采集环境光的变化状况，将其转换成电信号并送入到单片机中，由单片机进行信号处理，并按照一定的规律控制输出PWM 波的占空比。
　　在单片机与LED 显示屏之间加一个开关调压电路，实现单片机对显示屏的亮度调整。 将调整后的PWM 波对开关调压电路进行控制，从而调节显示屏的输入电压的大小，最终实现显示屏的亮度控制。
　　3 电路设计
　　3. 1 MSP430F169 单片机系统电路
　　MSP430F169 单片机系统电路为主控制电路。 MSP430 系列单片机是美国德州仪器公司1996 年开始推向市场的一种16 位超低功耗的混合信号处理器( Mixed Signal Processor) ，该单片机具有以下几个特点： 超低功耗、强大的处理能力、丰富的片内外围模块、方便高效的开发环境、系统工作稳定。 由于MSP430F169 单片机内部集成了12 位的A/D 和D/A 并且产生PWM 波程序简单，不再需要外加A/D 电路、D/A 电路和PWM 波产生电路，由此简化了外围电路的设计，所以本设计选用MSP430F169 单片机，如图2 所示。
　　



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　　图2 单片机系统电路
                          
                       
                          
                                3. 2 降压整流滤波电路
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　　220 V 交流电经过变压器降压后，由整流桥整流成单向脉动电压，经电容滤波成脉动很小的直流电压。 由于该直流电压随电网电压波动，如果直接作为显示屏电源，会造成显示屏的闪烁，因此采用稳压电路对其进行稳压。 7805 是专用的三端稳压器件，输入滤波后的电压( U≈9 V) ，稳压输出的5 V 电压( VCC) 供IPIC68273 使用。 MSP430系列单片机电源电压范围是1. 8 ～ 3. 6 V，因此将5 V 电压经二极管降压0. 7 V( VSS) 后，供单片机系统使用。 经长期实验证明，单片机系统可长期安全可靠运行，其优点是与5 V 供电的TTL 或CMOS 电路接口，不必再加电平转换电路，如图3所示。
　　



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　　图3 降压整流滤波电路
　　3. 3 开关调压电路
　　利用两个NPN 型晶体管组成反相放大电路以实现PMOS 开关管斩波放大，用PWM 波调整PMOS 开关管的导通时间来控制VDD 作用于显示屏的平均电压的大小，进而控制LED 的亮度。
　　为防止网络电压的波动对显示屏造成影响，故用定值电阻R4 与R5 组成分压测量电路，对电压进行精确测量控制，用于实现显示屏电压的稳定可靠，如图4 所示。
　　



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　　图4 开关调压电路
　　3. 4 行列驱动电路
　　LED 显示驱动采用动态扫描驱动方式，每次只能点亮一行LED( 共阳形式LED 显示点阵模块) ，由于TPIC6B273 是以OC 门方式输出的，所以特别适宜选择共阳形式LED 显示点阵模块做基础显示单元。 行扫描电路采用4 /16 译码器CD4515 译码形成行扫描脉冲，放大后直接形成行扫描信号，如图5 所示。
　　



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　　图5 单色共阳极LED 驱动电路
                          
                       
                          
                                3. 5 环境光检测电路
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　　光敏电阻是用半导体材料制成的光电器件，它没有极性。 利用光敏电阻RG 与定值电阻R1 组成环境光检测电路，通过测量R1 两端电压的变化来检测环境光强弱的变化，如图6 所示。
　　



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　　图6 环境光检测电路
　　3. 6 RS485 通信接口电路
　　MAX485 是用于RS485 通信的差分平衡收发器，由MAXIM 公司生产。 芯片内部包含一个驱动器和一个接收器，适用于半双工通信。 上位PC 机通过通信接口电路与单片机系统进行通信，如图7 所示。
　　



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　　图7 RS485 通信接口电路
　　4 程序设计
　　环境光自适应LED 显示屏控制程序使用IAR 软件，利用C 语言进行编写，如图8 所示。
　　



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　　图8 环境自适应LED 显示屏程序框
　　5 ：结论
　　本文所论述的环境光自适应LED 显示屏，可随环境光的变化而改变亮度，使显示屏不至于太过刺眼或者太暗，同时有效地控制了能耗，使电源效率达到75%以上，本系统达到了预期的实验目的。