鱼缸温度控制系统.

EL背光源结构
LED背光源
• LED(Light Emitting Diode(发光二极管)) • 主要特性：
– 亮度均匀 – 使用寿命长（10^5h） – 低电压驱动，不需要逆变器 – 颜色丰富
LED背光源结构
CCFL vs EL vs LED
光源 LED EL CCFL 形式 点光源 面光源 线光源 均匀度 不好 极好 好 功耗 大 小 较大 应用 小尺寸 中、小尺寸 大尺寸 成本 低 较高 高 专用电源 无 有 有
开口率
• 什么是开口率？光线能透过LCD的有效区 域的比例 • 开口率直接决定了LCD的亮度
开口率的计算
开口率计算举例
• 光线从背光板发射出，依次经过一下几个 零件，各个零件的穿透率如下：
– 偏光片：50% – 玻璃：95% – 液晶：95% – 开口率：50% – 彩色滤光片：27%
• 计算光线的总通过率
彩色TN-LCD屏结构
• 结构说明
–1 – 2&3 –4 – 5&6 –7 –8 玻璃基材 方向互相垂直的偏光板 彩色滤光片 方向互相垂直的电极 配向膜 垫片（spacer）
TFT-LCD切面结构图
LCD部分
• • • • • • • • 偏光板 玻璃基板 Black matrix 彩色滤光片 配向膜 框胶和Spacer 薄膜晶体管 存储电容
LCD背光源分类
• CCFL背光源 • EL背光源 • LED背光源
CCFL背光源
• CCFL(冷阴极荧光灯)：充满惰性气体的密 闭玻璃管
CCFL背光源结构
EL背光源
• 场致发光片（EL冷光片）：将发光粉（荧 光粉）置于两个平板电极之间构成 • 发光原理：发光材料中电子在电场的作用 下碰撞发光中心，出现电力并发生能级跃 迁而导致发光 • 平面光源
液晶
• 液晶（LC,Liquid Crystal）
– 物质第四态——液晶
• 液晶的发现（关键词）
– 植物学家 – 1888 – 介于固相和液相间的半熔融流动白浊状液体 – 双折射率 – 等方性液态（isotropic liquid）
物质三态
• 三态
第四态
• 液晶态
什么是液晶
• 液晶定义：物质在一定温度范围内，同时 具有液体和固体的性质
TN-LCD工作原理
• 当上下两块玻璃之间没有施加电压时，液 晶的排列会按照两块玻璃上的配向膜而定 • 对于TN型液晶来说，上下的配向膜的角度 恰好为90°，所以液晶分析的排列由上而 下会自动旋转90° • 当入射的光线经过上面的偏光板时，会只 剩下单方向极化的光波。
• 通过液晶分子时，由于液晶分子总共旋转了90度， 所以当光波到达下层偏光板时，光波的极化方向 恰好转了90度。而下层的偏光板与上层的偏光板， 角度也恰好差异90°。所以，光线便可顺利的通 过。 • 如果对上下两块玻璃之间施加电压时，液晶分子 受到磁场的影响，排列方向会倾向平行于电场方 向。从图中可以看到，液晶分子的排列都变成站 立着的，此时通过上层的偏光板的单方向的极化 光波，经过液晶分子时，便不会改变极化方向， 因此就无法通过下层偏光板。
– 液晶显示器本身仅能控制光线通过的亮度，相 当于是开关，本身并无发光的功能，因此需要 加上一个背光板，提供一个光源
背光板的组成
背光板的工作过程
• 灯管是主要的发光零件，通过导光板，将 光线分布到各处，而反射板则将光线限制 住都只往TFT-LCD的方向前进，最后，通 过prism sheet和扩散板的帮助，将光线均 匀的分布到各个区域去，提供TFT-LCD一 个明亮的光源。 • TFT-LCD通过电压控制液晶的转动，控制 通过光线的亮度，以此来形成不同的灰阶。
偏光板光透图
偏光板的工作原理
玻璃基板
• 上下各一块 • 作用：夹住液晶 • 结构特点：玻璃与液晶接触的一面，并不 是光滑，而是有锯齿状的沟槽。 • 这个沟槽的目的是希望长棒状的液晶分子， 或沿着沟槽排列
配向膜
• 分布：玻璃与液晶接触的一面 • 作用：使液晶的排列有一定的顺序 • 实际的制造过程中，并无法将玻璃作成有 如此的槽状的分布，只能使用配向膜来使 液晶的排列有一定的顺序
• 几个概念
– 帧周期：驱动X电极从第一行到最后一行所需 时间为帧周期 – 占空比(Duty)：驱动每一行所占用的时间与帧 周期的比值为占空比Duty – 偏压比(Bias)：非选通时波形电压与选通时波 形电压之比为偏压比Bias
STN-LCD
• STN-LCD和TN-LCD结构相似 • 区别：
– 均匀性，即晶体内部各处宏观性质相同； – 各向异性，即晶体中不同的方向上性质不同； – 能自发形成多面体外形； – 有确定的、明显的熔点； – 有特定的对称性； – 能对X射线和电子束产生衍射效应等
液晶 VS 温度
液晶的性质
• 液体：流动性、连续性、粘滞性 • 固体（晶体）：各向异性、双折射率、布 拉格反射、衍射及旋光效应
背光板部分
• • • • • • 灯管 导光板 偏光板 扩散板 反射板 Prism sheet（棱镜片）
薄膜晶体管TFT
• TFT-LCD，中文名薄膜晶体管液晶显示器 • 液晶显示器需要电压控制来产生灰阶。 • TFT-LCD使用薄膜晶体管来产生电压，以 控制液晶转向的显示器 • 长在玻璃上的TFT就相当于一个开关，它主 要决定了LCD驱动器要不要对这一点充电。 • 至于充电的电压多高，直接决定显示怎么 样的灰阶，这个是由LCD驱动器决定
液晶的双折射率
• 液晶的特点是在外场的作用下，液晶分子 轴的方向会发生改变。例如当对液晶施加 电场时，液晶分子轴的排列会变化，从而 引起液晶光轴的转动，最终导致了液晶双 折射率的变化，这就是我们所说的液晶电 控双折射特性。
常见液晶的种类
TN-LCD结构
偏光板(polarizer)
• 光的波动性 • 光波的行进方向，是与电场及磁场互相垂 直的，同时，光波本身的电场与磁场分量， 彼此也是互相垂直的。 • 偏光片的作用就像栅栏一般，会阻隔掉与 栅栏垂直的分量，只允许与栅栏平行的分 量通过
鱼缸温度控制系统
实验四：LCD显示实验
系统设计回顾
数码管显示
CH452
LED指示
加热电路
MCU
蜂鸣器
温度传感器 DS18B20
鱼缸
现在的系统设计框图
实验目的
• 掌握LCD的原理 • 掌握LCD背光的原理 • 掌握LCD控制器的使用
实验要求
• 在前面温度采集、显示以及控制实验的基 础上，使用LCD屏（1602）实时显示采集 到的温度数值
晶体
• 晶体是原子、离子或分子按照一定的周期 性，在结晶过程中，在空间排列形成具有 一定规则的几何外形的固体。
• 晶体的分布非常广泛，自然界的固体物质 中，绝大多数是晶体。气体、液体和非晶 物质在一定的合适条件下也可以转变成晶 体。
• 石英晶体
• 石墨晶体
晶体的通性
• 晶体内部原子或分子排列的三维空间周期 性结构，是晶体最基本的、最本质的特征， 并使晶体具有下面的通性：
LCD屏分类（一）
• 按照驱动方式分类
– 静态驱动 – 被动矩阵驱动
• TN-LCD • STN-LCD
– 主动矩阵驱动
• TFT-LCD
数码管驱动
• 静态驱动 • 动态驱动
数码管静态显示
数码管动态显示
LCD静态驱动
LCD矩阵驱动
• LCD多路驱动
矩阵驱动原理
• 电极沿X、Y方向排列成矩阵，如前一页图 所示，按顺序给X电极施加选通波形，给Y 电极施加与X电极同步的选通或非选通波形， 如此周而复始 • 通过此操作，X、Y电极交点的像素可以是 单独的选通态或非选通态来自常见彩色滤光片的排列方式
框胶和Spacer
• 胶框：让液晶面板中的上下两层玻璃，能 够紧密黏住，并提供面板中的液晶分子与 外界的阻隔。框胶围绕于面板四周，将液 晶分子框限于面板之内 • Spacer：主要是提供上下两层玻璃的支撑， 要求均匀的分布在玻璃基板上
背光板部分
• CRT屏幕显示：利用高速的电子枪发射出 电子，打击在银光幕上的荧光粉，籍以产 生亮光，来显示出图像 • 为什么需要背光板？
实验分析
• 硬件需求分析
– LCD显示模块 – LCD控制和驱动电路设计
• 新的硬件
– LCD
常见的显示设备
• 普通的显示屏 • LCD显示器 • 背投电视
LCD原理
• 薄膜晶体管液晶显示器 • Thin-film transistor liquid crystal display， 简称TFT-LCD • 薄膜晶体管 • 液晶
Black matrix
• Black matrix：主要用来遮住不打算透光的 部分，例如：信号走线，薄膜晶体管TFT
彩色滤光片
• 三原色：红、绿、蓝 • 像素：将RGB三种颜色，分成独立的三个 点，各自拥有不同的灰阶变化，然后把邻 近的三个RGB显示的点，当做一个显示的 基本单位，也就是pixel
TFT-LCD梯面结构图
玻璃基板
• 上下各一块 • 作用：夹住液晶 • 结构特点：
– 下面的那层玻璃上长有薄膜晶体管(Thin film Transistor, TFT) – 上面的那层玻璃上则贴有彩色滤光片
配向膜
• 分布：玻璃与液晶接触的一面 • 作用：使液晶的排列有一定的顺序
放大镜下的LCD
– TN-LCD液晶分子的排列，由上到下旋转的角 度总共是90度 – STN-LCD液晶分子排列，其旋转的角度会大于 180度，一般为270度
LCD背光源
• 为什么要背光源？ • 常见的光源有哪几种？
常见光源
• • • • • • 白炽灯 卤钨灯 荧光灯 低压钠灯 高强度气体放电灯（HID） 场致发光照明