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關鍵詞：液晶顯示屏；工業計算機；低溫環境；加熱設計

當今液晶顯示器件的應用已經相當普遍，其優點已為人們所熟知，但液晶器件的低溫失控問題一直以來都是液晶材料研究領域的主要課題之一［1－2］，十多年來還未找到負溫度特性較好的液晶材料，到目前為止主要依靠輔助加熱方法來克服低溫失控的問題［3－4］。由于液晶顯示器在環境溫度低于0℃時，液晶材料就會變成粘稠狀，隨著溫度的降低，液晶的閾值電壓升高，響應速度變慢，甚至會出現液晶結晶的情況［5］。從而導致液晶顯示器在低溫啟動工作時，顯示畫面變色、亮度低、出現“拖尾”現象，嚴重時根本看不清圖形、圖像顯示［6－7］；而且低溫會降低背光源的亮度，影響背光源熒光燈管的壽命［8］。因此，為了將液晶顯示屏應用于低溫環境條件下，并保證其工作的可靠性，本文設計了一種液晶顯示屏低溫啟動的方法。

1液晶顯示屏的介紹

液晶顯示屏（LiquidCrystalDisplay，簡稱LCD），是屬于平面顯示器的一種，如圖1所示，主要用于計算機和電視機的屏幕顯示。該顯示屏的主要優點是體積小、耗電量低、輻射低［9］。液晶顯示屏使用了兩片極化材料中的液體水晶溶液，使電流通過該液體時會使水晶重新排列達到成像的目的。液晶顯示屏（LCD）是用于許多便攜式計算機和數字型鐘表的一種顯示器類型。LCD顯示使用了兩片極化材料，在它們之間是液體水晶溶液。電流通過該液體時會使水晶重新排列，以使光線無法透過它們［10］。因此，每個水晶就像百葉窗，既能允許光線穿過又能擋住光線。目前科技信息產品都朝著輕、薄、短、小的目標發展，在計算機周邊中擁有悠久歷史的顯示器產品當然也不例外［11］。在便于攜帶與搬運為前題之下，傳統的顯示方式如CRT映像管顯示器及LED顯示板等等，皆受制于體積過大或耗電量大等因素，無法達成使用者的實際需求。而液晶顯示技術的發展正好切合目前信息產品的潮流，無論是直角顯示、低耗電量、體積小、還是零輻射等優點，都能讓使用者享受最佳的視覺環境［12］。

2工業計算機顯示屏的加熱設計

液晶顯示屏的加熱方法有環境加熱法、外鍍膜加熱法、介質變頻加熱法和共模加熱法等［13］。其中，環境加熱法與其他加熱法相比，加工工藝簡單，不需要拆屏作業或液晶面板廠作相應工藝調整作業，有利于產品維護，方便大批量生產［14］。因此，本文設計了一種環境加熱法的液晶顯示屏溫控系統，其加熱設計方案主要分為結構設計、硬件控制設計和加熱膜的設計。

2．1工業計算機顯示屏的結構設計

環境加熱法是在液晶顯示屏背側不通光的地方放置加熱電阻器件加熱膜，以此通電加熱液晶顯示屏［15］。其結構原理框圖如圖2所示，加熱膜貼附在顯示屏的背面一起裝入屏支架中，溫度傳感器與嵌入式控制器（EmbedController，簡稱EC）一起安置在屏的轉接板中作為溫控板，在溫度傳感器（如ThermalSen-sor傳感器）的位置屏支架上開通孔，溫控板上也預留了接熱敏電阻的接口，以提高溫控板的結構可移植性。由結構布局分析，加熱膜為液晶加熱時的傳熱方式為熱傳導和輻射，但由于顯示屏由多層次的結構件堆疊而成，且各層結構之間并沒有填充介質，相鄰結構之間有效接觸十分有限，以致產生較大的接觸熱阻，所以輻射傳熱可能超過一半以上［16］。由此我們可以根據能量守恒簡單繪制出－40℃環境下，熱源（加熱膜）和液晶隨加熱時間的溫升特性曲線，如圖3所示。由于液晶位于傳熱路徑的遠端，開始加熱時液晶的溫度變化斜率會比較小，隨著電能不斷轉化為熱能，熱源與液晶存在較大的溫差，迫使熱量加速傳遞至液晶，致使液晶的溫度變化斜率明顯增大；隨著溫差的縮小，液晶的溫升斜率將越來越小，直至加熱膜和液晶的溫度均趨于平衡。從液晶的溫升特性曲線分析，如果將顯示屏的預熱啟動時間定在溫升斜率比較小的區域，那么所需的預熱時間將難以預見和控制，所以預熱時間控制在溫升斜率較大的區域比較合適。

2．2工業計算機顯示屏的硬件控制設計

硬件加熱控制電路的設計方案，按基本功能分為：溫度檢測、信息處理及加熱控制、加熱膜及狀態指示三部分，如圖4所示，其中信息處理及加熱控制采取EC方案實現，可以自動地對溫度進行檢測及處理，并實時控制加熱膜的工作。（1）溫度檢測模塊對于溫度檢測部分，可以通過溫度傳感器（如ThermalSensor傳感器）或熱敏電阻偵測溫度，如圖5所示，利用I2C讀取ThermalSensor（ADT7461）的偵測溫度，并實時傳輸到信息處理模塊，實現對溫度的實時檢測，為加熱控制模塊是否開啟加熱裝置提供判斷依據。在實際裝配中，溫度傳感器與EC一同安裝于顯示屏的轉接板中。（2）信息處理及加熱控制模塊對于信息處理及加熱控制部分模塊，采取EC軟件控制方案，通過EC內部的SMBUS控制器讀取溫度，實現屏的溫度采集，并根據檢測到溫度值來控制加熱膜電源開關，以及發出狀態信號驅動LED指示。EC控制方案的優點是控制精度較高，并能用軟件來實現溫度升降的回滯曲線，實現簡單，并容易根據實際測試結果進行修正、改善。尤其在本案中，根據環境溫度，使用不同功率的2組加熱膜，用EC能很簡單地使用2個口輸出來控制，并且成本低廉。為防止加熱膜在溫度控制臨界點反復通斷電，在軟件中設置升溫過程在－5℃點，控制停止加熱，當溫度降溫過程，則在－15℃點，控制開始加熱。在實際電路中預留有純硬件溫度控制電路，以提高在不同產品中的可移植性，如圖6所示。其原理為：利用運算放大器（以下簡稱運放）搭建的比較器實現，實現信息處理及加熱控制功能。將運放設計為遲滯比較器工作模式，并根據實際的工作溫度情況設計相應的遲滯電壓窗口；在圖6中，將運放的輸出端與正相端經由電阻相連，而基準電壓也連接到運放的正相端，溫度檢測的輸出電壓連接到運放的負相端；通過合理的選擇電阻值，可以設計出不同的遲滯電壓窗口，來實現溫度檢測的輸出電壓對運放輸出端控制；隨著溫度的降低，檢測得到的電壓信號增大到窗口的上限時，運放輸出加熱控制信號來開啟加熱模塊，而隨著溫度的升高，檢測得到的電壓信號減小到窗口的下限時，運放輸出加熱控制信號來關閉加熱模塊。（3）加熱模塊對于加熱模塊，利用聚酰亞胺加熱膜實現，加熱膜內部有2組不同功率的加熱回路，其中加熱膜直接從小板上取電，其輸入電源控制開關由上述的加熱控制模塊輸出信息進行控制。為了防止溫控失效而過熱的極端情況，在加熱膜中封裝有溫度保險絲。在實際裝配時，加熱膜直接貼附在液晶屏的背面。功率30W電源開關，其中LCD＿HEAT＿ON連預留純硬件方案控制，由SLP＿S3控制關閉；LCD＿HEAT＿ON＿H為EC輸出控制，如圖7所示。功率15W電源開關，其中LCD＿HEAT＿ON＿L為EC輸出控制，如圖8所示。（4）加熱狀態指示加熱狀態指示采取發光二極管實現，如圖9所示，利用加熱控制信號控制發光二極管的開關。

2．3工業計算機顯示屏加熱膜的設計

如圖10所示，加熱膜采用銅箔外面加聚酰亞胺膜進行封裝實現，加熱膜上分布了兩組銅箔，電阻設計為9．6Ω（外）／4．8Ω（內），采用12V供電，設計功耗為15W（外）／30W（內），功率密度均勻。加熱膜上串接溫度保險絲，實現加熱膜過熱保護功能。當溫度保險絲溫度高于60℃時自動斷開加熱膜電源，停止加熱。同一塊膜上兩種加熱功率的設計，當兩組電阻同時供電時，加熱的總功率可達到45W，溫升斜率大，達到顯示屏開啟溫度時間短；當顯示屏開啟后，斷開30W的加熱功率，15W加熱功率繼續加熱，以起到保溫的作用，使顯示屏在工作時的溫度變化梯度盡量平穩。從而達到低溫加熱啟動的設計目的。

3結束語

通過對液晶顯示屏低溫加熱啟動的分析，本文設計了一種低溫環境加熱啟動的方法，為工業計算機液晶顯示屏在低溫環境下的應用，提供了理論設計依據和技術指導。

參考文獻

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［15］王裕，林魏峣，錢雪華．手機液晶顯示屏色溫矯正［J］．液晶與顯示，2017，32（12）：949－955

［16］雷博琳，郭小軍，司秉玉，等．淺談低功耗液晶顯示屏的設計技術［J］．現代顯示，2013（6）：37－42

作者：江廣浪 付典林 史洪波 單位：研祥智能科技股份有限公司