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谈工业控制计算机液晶屏低温启动方法

2019/11/14 阅读:

关键词:液晶显示屏;工业计算机;低温环境;加热设计

当今液晶显示器件的应用已经相当普遍,其优点已为人们所熟知,但液晶器件的低温失控问题一直以来都是液晶材料研究领域的主要课题之一[1-2],十多年来还未找到负温度特性较好的液晶材料,到目前为止主要依靠辅助加热方法来克服低温失控的问题[3-4]。由于液晶显示器在环境温度低于0℃时,液晶材料就会变成粘稠状,随着温度的降低,液晶的阈值电压升高,响应速度变慢,甚至会出现液晶结晶的情况[5]。从而导致液晶显示器在低温启动工作时,显示画面变色、亮度低、出现“拖尾”现象,严重时根本看不清图形、图像显示[6-7];而且低温会降低背光源的亮度,影响背光源荧光灯管的寿命[8]。因此,为了将液晶显示屏应用于低温环境条件下,并保证其工作的可靠性,本文设计了一种液晶显示屏低温启动的方法。

1液晶显示屏的介绍

液晶显示屏(LiquidCrystalDisplay,简称LCD),是属于平面显示器的一种,如图1所示,主要用于计算机和电视机的屏幕显示。该显示屏的主要优点是体积小、耗电量低、辐射低[9]。液晶显示屏使用了两片极化材料中的液体水晶溶液,使电流通过该液体时会使水晶重新排列达到成像的目的。液晶显示屏(LCD)是用于许多便携式计算机和数字型钟表的一种显示器类型。LCD显示使用了两片极化材料,在它们之间是液体水晶溶液。电流通过该液体时会使水晶重新排列,以使光线无法透过它们[10]。因此,每个水晶就像百叶窗,既能允许光线穿过又能挡住光线。目前科技信息产品都朝着轻、薄、短、小的目标发展,在计算机周边中拥有悠久历史的显示器产品当然也不例外[11]。在便于携带与搬运为前题之下,传统的显示方式如CRT映像管显示器及LED显示板等等,皆受制于体积过大或耗电量大等因素,无法达成使用者的实际需求。而液晶显示技术的发展正好切合目前信息产品的潮流,无论是直角显示、低耗电量、体积小、还是零辐射等优点,都能让使用者享受最佳的视觉环境[12]。

2工业计算机显示屏的加热设计

液晶显示屏的加热方法有环境加热法、外镀膜加热法、介质变频加热法和共模加热法等[13]。其中,环境加热法与其他加热法相比,加工工艺简单,不需要拆屏作业或液晶面板厂作相应工艺调整作业,有利于产品维护,方便大批量生产[14]。因此,本文设计了一种环境加热法的液晶显示屏温控系统,其加热设计方案主要分为结构设计、硬件控制设计和加热膜的设计。

2.1工业计算机显示屏的结构设计

环境加热法是在液晶显示屏背侧不通光的地方放置加热电阻器件加热膜,以此通电加热液晶显示屏[15]。其结构原理框图如图2所示,加热膜贴附在显示屏的背面一起装入屏支架中,温度传感器与嵌入式控制器(EmbedController,简称EC)一起安置在屏的转接板中作为温控板,在温度传感器(如ThermalSen-sor传感器)的位置屏支架上开通孔,温控板上也预留了接热敏电阻的接口,以提高温控板的结构可移植性。由结构布局分析,加热膜为液晶加热时的传热方式为热传导和辐射,但由于显示屏由多层次的结构件堆叠而成,且各层结构之间并没有填充介质,相邻结构之间有效接触十分有限,以致产生较大的接触热阻,所以辐射传热可能超过一半以上[16]。由此我们可以根据能量守恒简单绘制出-40℃环境下,热源(加热膜)和液晶随加热时间的温升特性曲线,如图3所示。由于液晶位于传热路径的远端,开始加热时液晶的温度变化斜率会比较小,随着电能不断转化为热能,热源与液晶存在较大的温差,迫使热量加速传递至液晶,致使液晶的温度变化斜率明显增大;随着温差的缩小,液晶的温升斜率将越来越小,直至加热膜和液晶的温度均趋于平衡。从液晶的温升特性曲线分析,如果将显示屏的预热启动时间定在温升斜率比较小的区域,那么所需的预热时间将难以预见和控制,所以预热时间控制在温升斜率较大的区域比较合适。

2.2工业计算机显示屏的硬件控制设计

硬件加热控制电路的设计方案,按基本功能分为:温度检测、信息处理及加热控制、加热膜及状态指示三部分,如图4所示,其中信息处理及加热控制采取EC方案实现,可以自动地对温度进行检测及处理,并实时控制加热膜的工作。(1)温度检测模块对于温度检测部分,可以通过温度传感器(如ThermalSensor传感器)或热敏电阻侦测温度,如图5所示,利用I2C读取ThermalSensor(ADT7461)的侦测温度,并实时传输到信息处理模块,实现对温度的实时检测,为加热控制模块是否开启加热装置提供判断依据。在实际装配中,温度传感器与EC一同安装于显示屏的转接板中。(2)信息处理及加热控制模块对于信息处理及加热控制部分模块,采取EC软件控制方案,通过EC内部的SMBUS控制器读取温度,实现屏的温度采集,并根据检测到温度值来控制加热膜电源开关,以及发出状态信号驱动LED指示。EC控制方案的优点是控制精度较高,并能用软件来实现温度升降的回滞曲线,实现简单,并容易根据实际测试结果进行修正、改善。尤其在本案中,根据环境温度,使用不同功率的2组加热膜,用EC能很简单地使用2个口输出来控制,并且成本低廉。为防止加热膜在温度控制临界点反复通断电,在软件中设置升温过程在-5℃点,控制停止加热,当温度降温过程,则在-15℃点,控制开始加热。在实际电路中预留有纯硬件温度控制电路,以提高在不同产品中的可移植性,如图6所示。其原理为:利用运算放大器(以下简称运放)搭建的比较器实现,实现信息处理及加热控制功能。将运放设计为迟滞比较器工作模式,并根据实际的工作温度情况设计相应的迟滞电压窗口;在图6中,将运放的输出端与正相端经由电阻相连,而基准电压也连接到运放的正相端,温度检测的输出电压连接到运放的负相端;通过合理的选择电阻值,可以设计出不同的迟滞电压窗口,来实现温度检测的输出电压对运放输出端控制;随着温度的降低,检测得到的电压信号增大到窗口的上限时,运放输出加热控制信号来开启加热模块,而随着温度的升高,检测得到的电压信号减小到窗口的下限时,运放输出加热控制信号来关闭加热模块。(3)加热模块对于加热模块,利用聚酰亚胺加热膜实现,加热膜内部有2组不同功率的加热回路,其中加热膜直接从小板上取电,其输入电源控制开关由上述的加热控制模块输出信息进行控制。为了防止温控失效而过热的极端情况,在加热膜中封装有温度保险丝。在实际装配时,加热膜直接贴附在液晶屏的背面。功率30W电源开关,其中LCD_HEAT_ON连预留纯硬件方案控制,由SLP_S3控制关闭;LCD_HEAT_ON_H为EC输出控制,如图7所示。功率15W电源开关,其中LCD_HEAT_ON_L为EC输出控制,如图8所示。(4)加热状态指示加热状态指示采取发光二极管实现,如图9所示,利用加热控制信号控制发光二极管的开关。

2.3工业计算机显示屏加热膜的设计

如图10所示,加热膜采用铜箔外面加聚酰亚胺膜进行封装实现,加热膜上分布了两组铜箔,电阻设计为9.6Ω(外)/4.8Ω(内),采用12V供电,设计功耗为15W(外)/30W(内),功率密度均匀。加热膜上串接温度保险丝,实现加热膜过热保护功能。当温度保险丝温度高于60℃时自动断开加热膜电源,停止加热。同一块膜上两种加热功率的设计,当两组电阻同时供电时,加热的总功率可达到45W,温升斜率大,达到显示屏开启温度时间短;当显示屏开启后,断开30W的加热功率,15W加热功率继续加热,以起到保温的作用,使显示屏在工作时的温度变化梯度尽量平稳。从而达到低温加热启动的设计目的。

3结束语

通过对液晶显示屏低温加热启动的分析,本文设计了一种低温环境加热启动的方法,为工业计算机液晶显示屏在低温环境下的应用,提供了理论设计依据和技术指导。

参考文献

[1]万海峰,姚建芳,曹允,等.一种加固液晶显示器的低温加热补偿技术[J].光电子技术,2013(3)

[2]郑杲.基于ARM的液晶显示控制设计[D].南京:南京理工大学,2007

[5]余雷,钱永胜.有源矩阵液晶显示器微功耗低温加固技术[J].液晶与显示,2003(5)

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[7]李晓莲,任国度.高温显示液晶的合成[J].液晶与显示,1999(1)

[10]金红莉,孙彦.液晶显示屏的工作原理简介[J].信息记录材料,2018,19(10):229-231

[11]王元庆,董戴,洪光烈.液晶显示屏的液晶层温度测量方法的研究[J].仪器仪表学报,2001(6):632-635

[12]王元庆,董戴,洪光烈.液晶显示屏温度特性的试验研究[J].电子测量与仪器学报,2001(4):52-55

[13]杨保亮,蒲琪,代祥俊.基于TMS320F2812控制的液晶显示屏的设计和实现[J].山东理工大学学报(自然科学版),2007(3):87-89,93

[14]谢松廷,吕国强,杨军.液晶显示屏的热特性模拟及其热仿真软件的设计与开发[J].液晶与显示,2008(3):382-386

[15]王裕,林魏峣,钱雪华.手机液晶显示屏色温矫正[J].液晶与显示,2017,32(12):949-955

[16]雷博琳,郭小军,司秉玉,等.浅谈低功耗液晶显示屏的设计技术[J].现代显示,2013(6):37-42

作者:江广浪 付典林 史洪波 单位:研祥智能科技股份有限公司

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