用單片機直接驅(qū)動液晶顯示器

第22卷第4期量子電子學(xué)報V01.22No.42005年8月C王王:嘲EJOURNALOFQUANTUMELECTRONICSAug.2005文章編號:螂秘61《20釃O枷65卿3用單片機直接驅(qū)動液晶顯示器鮑健,。丁湘琳2,孫力君，潘，媛。(1中固科學(xué)豌愛徽光學(xué)精密機攘珊究靂豇安徽合肥230031;2舍犯工業(yè)大掌計算機每信息學(xué)院，安徽畬肥230009;3砉徽農(nóng)北大學(xué)信息與計算機學(xué)院，毒徽畬肥230036摘要:討淪了用普通單片機能否壹接驅(qū)動液晶顯示器的問題，通過對液晶顯示器工作原理及電氣特性的深入分析，給出了具體豹硬件電路，驅(qū)動信號波形及軟件設(shè)計愚鏨，實驗表明，警通單片機可以直接驅(qū)動液晶顯示器，在許多場合下此法具有較高應(yīng)用價值.關(guān)鍵詞:光電子學(xué);單片機;液晶顯示器;偏置;占空比中囝分類號:TN141.9文獻標(biāo)識碼:A1引言液晶顯示器(LCD具有顯示清晰，美觀、功耗微小等優(yōu)點。近年來隨著產(chǎn)量的增加，其價格已十分低廉，是值得首選的顯示器件，然而液晶顯示器的使用相對復(fù)雜一些,令許多設(shè)計人員望而卻步。實際上,現(xiàn)在驅(qū)動液晶的器件很多,許多新型單片機本身就帶液晶驅(qū)動器,使用起來當(dāng)然很方便。但是在我們設(shè)計產(chǎn)品時常常遇到這種情況：需要顯示的內(nèi)容并不多,如果選用帶液晶驅(qū)動器的單片機頗有些大材小用，通過對液晶顯示器工作原理的深入分析和實驗，用我們熟悉的普通單片機直接驅(qū)動液晶顯示器是完全可行的。2液晶顯示原理液晶顯示器分為字段式與點陣式，字段式所顯示的圖形都是預(yù)先制作好的，例如七段數(shù)碼字的“段”，在顯示時不能變化;而點陣式比較靈活,可以組成任意的圖形，但點陣式液晶顯示器比較復(fù)雜，需要配專門的驅(qū)動電路，本文只討論字段式的液晶顯示器。想要用普通單片機（不帶液晶驅(qū)動器，以下同驅(qū)動液晶顯示器，首先得熟悉液晶顯示器的電參數(shù)。液晶顯示器是由面電極與底電極（面、底電極都是透明的，不加電幾乎看不見中間充滿液態(tài)晶體所構(gòu)成。驅(qū)動信號就加在面電極與底電極上。為了避免“極化”現(xiàn)象，工作時液晶顯示器上的字段無論顯示與否，面、底電極之間的驅(qū)動信號都必須為交流信號,且不能含有直流分量。顯示時，驅(qū)動信號幅度大（大于液晶屏的顯示閥值。此時的信號幅值稱為該液晶顯示器的“工作電壓”熄滅時，驅(qū)動信號幅度?。ㄐ∮谠撘壕恋娘@示閥值，媳滅時的信號幅度與顯示時的信號幅度之比稱為該顯示器的“偏置”。例如:1/3偏置（簡稱1/3B的液晶顯示器就是指它熄滅時驅(qū)動信號幅度與顯示時的幅度之比為1:3。要想讓它顯示就加一個幅度大的信號，不想讓它顯示就將信號幅度減少至1/3就行Fig.lThecompositionoftwoelectrodes收稿日期:2004—05-12;修改日期:2004-06—03E-mail:krc@aiofm.aC.cn了。如果每個“字段”都有一個獨立的面電極和底電極與之對應(yīng)，那倒確實如此，由于下面所述的原因，使這個問題變得稍微復(fù)雜了一些。為了減少引腳數(shù)目，通常幾個“段”電極連在一起由一個引腳引出，在一個顯示周期內(nèi)各段輪流顯示，每個段的顯示時間與顯示周期之比稱為顯示占空比。例如:四個“段”連在一起的液晶顯示器,其顯示占空比是1/4（簡稱1/4D。此外，液晶顯示器的其他參數(shù)還有最佳視角，通常形象地用鐘點萬方數(shù)據(jù)第4期鮑毽等:用單片瓠直接驅(qū)動液晶顯示器稻1表示。例如:最佳視角為300，稱為6點鐘;垂直觀看為最佳前稱為12點鐘等。t述這些參敷在具體應(yīng)用對如何選擇呢?首先,工作電壓是由驅(qū)動部件（如單片機的i/o口所提供的高屯平藉菹所決定;偏置與顯示占空比這兩者之間有制約的關(guān)系,偏置越小，顯示占空比也可以越?。◤臏p少引腳數(shù)目角度考慮，占空比越小越好，例如i/2偏置的液晶顯示器其顯示占空比只能做到1/3左右，如占空比再縮小，其顯示對比度就不夠滿意了。不同偏置的液晶顯示器是因其自身差異所致，而非外加信號所致，換句話說,1/4偏置的液晶顯示器并不是因為我們給它加上1/4偏置的信號它才成為1/4偏置的，實際上你如果給它加上1//2偏置的信號根本不能正常工作。3液晶驅(qū)動信號在介紹驅(qū)動信號之前，還得回過頭來看一下液晶顯示器的面電極與底電極的電氣結(jié)構(gòu).以1/3偏置、1/4占空比（1/3B,1/4D的液晶屏為例，面電極方面，每四個段（參見圖1,為使讀者看清楚,圖中用四個小矩形表示四個顯示段，實際的顯示段既可以是一段“筆劃”也可以是一個圖案連在一起由一個引腳引出，分別稱為面1、面2 面n（即圖中的topl、top2 topn;而與上述面電極的四個段子對應(yīng)的四個底電極是分開的，稱為COMl、COM2、COM3、COM4，每個面電極所對應(yīng)的COMl全部連在一起由一個引腳引出,COM2、COM3、COM4也是如此，所以底電極又稱公共電極.清楚了面電極與底電極的關(guān)系，就可以研究液晶顯示器驅(qū)動信號了。如前所述，顯示時，面、底電極的電壓振幅（面、底電極的電壓差信號為工作電壓;熄滅時，面、底電極的電壓振幅為工作電壓的三分之一（1[3B?，F(xiàn)在的問題是四個顯示段（A、B、c、D是連在一起的，如何讓它們既滿足E述原則又不相互影響，總不能讓它們要亮一道亮要滅一道滅吧,好在顯示與否是由面、底電極電壓之差決定的，我們可以通過面電極信號與底電極信號的協(xié)調(diào)動作從時間上相互“岔開”，其思路是把顯示周期分為四個時間段（a/4D,在第一時間段讓COMl信號為大幅度而COM2、COM3、COM4為小幅度，在這種情況下只有COMl電極所對應(yīng)的顯示段（如topl電極中的A才有亮的可能,究竟亮不亮還與面電極信號有關(guān)，如果想讓它亮那就在面電極加上一個與COMl信號相位相反的大幅度信號，反之就加一個小幅度信號，總之，只有兩個互為反相的大幅度信號同時碰在一起才能顯示（只有這樣面、底電極電壓之差才等于工作電壓，否則就是熄滅。第一時間段的情況搞清楚了，第二時間段與此類似讓COM2信號為大幅度而COMl、COM3、COM4為小幅度，后面的第三、四時間段的情況就依此類推了。下面我們通過具體的電路，更詳細(xì)地介紹信號的合成方法。電路如圖2所示，底電極與面電極信號合成電路是類似一一、，一aclockbclock!磐［酊corrll生。［jcorn2M旦。［jcom3LC!磐!C酊corn4C墨磐.罄.UmplD女。=;iI 。一top2180k360k［］ ， 亡］ 一topn的,唯有不同的是它們的偏置電阻的公共接點所接的時鐘信F192schema?1。。?Mcu越veLcDd妣tly號（圖中單片機a、b兩腳產(chǎn)生的是互為反相的。COMl、COM2、COM3、COM4信號的產(chǎn)生是這樣的，在第一時間段單片機C腳信號與時鐘信號同相其合成信號與時鐘信號相同（大幅度信號幅值為1,在第二、三、四時間段C腳信號與時鐘信號反相，其合成信號按串聯(lián)電阻分壓為高度是1/3和2/3的小幅度信號（見圖3,為了節(jié)約版面圖中只畫了COMl信號，而COM2、COM3、COM4信號與COMl類似，只是大信號位置分別出現(xiàn)在第二、三、四時間段而已;面電極信號的合成情況也是相似的，底電極信號（COMl、GOM2、COM3、COM4波形是固定不變的,而面電極信號根據(jù)各個顯示段的顯示與否而有所變化。在第一時間段單片機g腳信號如果與反相時鐘信號同相則A段顯示，而如果不同相則A段熄滅;在第二、三、四時間段情況完全相同（只不過對象變成B、C、D段依此類推即可。圖3下邊的兩個波形分別表示topl電極的A亮B、C、D滅與A、B亮c、D滅兩種情況（A、B、C、D從全亮到全滅共有16種組合。這組信號是否滿足前面所述的要求,只要將面電極信號減去底電極信號（例如用圖3的topl信號減去COMl信號即可發(fā)現(xiàn)它們的差信號正好滿足要求。圖2中的abcdefgh等為單片萬方數(shù)據(jù)652量子電子學(xué)報22卷機的任意I/O端口，偏置電阻按1/3偏置計算出來是2:1的關(guān)系，如果是1/2偏置則應(yīng)為3:1的關(guān)系，而如果是114偏置則應(yīng)為5:3的關(guān)系，偏置越小兩阻值越接近，兩阻值的和通常取幾百K左右，取小些驅(qū)動能力強些，當(dāng)然耗電也稍大些（液晶屏越大，工作頻率越高對驅(qū)動能力要求也越高。另外還有一點要說明，能滿足這個要求的信號并不是唯一的,只是這組信號的通用性較好，只要改變電阻值即可改變偏置，所以用得較多。4軟件實現(xiàn)方法驅(qū)動電路每秒種完成的顯示周期數(shù)稱做工作頻率。液晶顯示器的工作頻率范圍相當(dāng)寬，從25Hz到數(shù)百Hz均可。由于用普通單片機驅(qū)動液晶顯示器沒有硬件支持，驅(qū)動波形均由軟件完成，所以應(yīng)選用較低的工作頻率，以減少軟件開銷。編程時在主程序中對顯示緩沖區(qū)內(nèi)容進行各種處理，在內(nèi)存中建立映射表,將液晶顯示器的每一個顯示“段”與映射表中的每一個“位”對應(yīng)起來,如需某“段”顯示，則將其對應(yīng)“位”置1，否則置。；每四個連在一起的“段”所對應(yīng)的四位二進制數(shù)構(gòu)成一個“指針”（從。到15共16個狀態(tài)，由2/31/3top1l廣]廣]廠]廠]這個指針查“波形表”即可得到某個面電極的波形數(shù)據(jù)，每個波形數(shù)據(jù)有八個狀態(tài)，正好為一字節(jié);由于底電極和時鐘信號均為固定Fig.3Fhedrivingwave蛔mofLuu波形，其波形數(shù)據(jù)是固定不變的，也就無需查表了，然后將這些波形數(shù)據(jù)經(jīng)過旋轉(zhuǎn)變換存入顯示緩沖區(qū)就可以了。在定時中斷服務(wù)程序中將顯示緩沖區(qū)內(nèi)容依次送出，即可形成液晶驅(qū)動波形。本文所述方法最適合顯示內(nèi)容不太多（60段以下、有一定批量、低成本的電子產(chǎn)品中。設(shè)計者可以將液晶顯示器的顯示圖案及技術(shù)要求提供給廠家，由廠家為您制作液晶顯示器。筆者用這種方法開發(fā)成功帶液晶顯示的空調(diào)遙控器、定時溫度，濕度控制器等多項產(chǎn)品，效果很好。參考文獻：LiWeidi，GuoQiang.ApplicationTechnologyofLCD（液晶顯示器件應(yīng)用技術(shù)[M].Beijing:BeijingUniversityofPostsandTelecommunicationsPress，1993.（inChinese.HeLiming.SelectedWorksAboutApplicationTechnologyo，MCU（單片機應(yīng)用技術(shù)選編[M】.Beijing:Beijing

UniversityofAeronauticsandAstronauticsPress,1998.(inChinese.AtmelCorporation.MicrocontrollerDataBook[z].AtmelCorporationUSA,1995.DrivingLCDdirectlybyMCUBAOdianl,DINGXiang-lin2,SUNLi3,PANYuan2(1AnhuiInstituteofOpticsandFineMechanics,ChineseAcademyofSciences,Hefei230031,China2ComputerandInformationCollege,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009,China;3Information&ComputerCollege,AnhuiAgriculturalUniversity,Hefei230036ChinaAbstract:ItisaninterestedquestionwhetherMCUcandriveLCDdirectlyornot.ItdiscusseddeeplybyanalyzingoperationprincipleandelectriccharactersofLCD,demonstratingspecifichardwarecircuitandwaveformofdrivingsignal.Theideaofsoftwaredesignisgiven.ItistheconclusionthatMCUcandriveLCDdirectlyinpractice.萬方數(shù)據(jù)萬方數(shù)據(jù)Keywords:optoeleetronics;MCU;LCD;bias;dutycycle萬方數(shù)據(jù)萬方數(shù)據(jù)用單片機直接驅(qū)動液晶顯示器作者:鮑健,丁湘琳，孫力，潘媛,BAOJian,DINGXiang-lin,SUNLi,PANYuan作者單位:鮑健,BAOJian（中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機械研究所，安徽，合肥,230031,丁湘琳，潘媛,DINGXiang-lin,PANYuan（合肥工業(yè)大學(xué)計算機與信息學(xué)院,安徽,合肥,230009，孫力,SUNLi（安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與計算機學(xué)院,安徽,合肥,230036

刊名:量子電子學(xué)報英文刊名:CHINESEJOURNALOFQUANTUMELECTRONICS年，卷（期:2005,22（4引用次數(shù)：3次參考文獻（1條1.LIWeidi.GuoQiang液晶顯示器件應(yīng)用技術(shù)1993相似文獻（10條期刊論文劉勇.周喃.朱震.朱靈.于清華.翟玉峰.LIUYong.ZHOUNan.ZHUZhen.ZHULin.YUQing-hua.ZHAIYu-feng壓電陶瓷光纖相位調(diào)制控制系統(tǒng)的研制-量子電子學(xué)報2008,25（3壓電陶瓷光纖相位調(diào)制器是光纖傅里葉變換光譜測量系統(tǒng)中的核心器件之一，壓電陶瓷驅(qū)動控制系統(tǒng)的輸出電壓特性決定了壓電陶瓷光纖相位調(diào)制器的多種性能,如線性、分辨率、動態(tài)特性等，從而對光纖傅里葉變換光譜測量系統(tǒng)的光譜分辨率、測量速度和系統(tǒng)噪聲等重要指標(biāo)產(chǎn)生影響.應(yīng)用復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD、復(fù)合高壓運放和單片機等先進電子技術(shù)設(shè)計壓電陶瓷光纖相位調(diào)制控制系統(tǒng).實驗表明，該系統(tǒng)加載壓電陶瓷容性負(fù)載后，在設(shè)定的頻率范圍內(nèi)顯示出了較好的動態(tài)特性與線形度，能很好地滿足光纖相位調(diào)制技術(shù)對壓電陶瓷工作電壓波形的要求.學(xué)位論文李井潤用於脈沖CO＜，2＞激光雷達的8031單片機數(shù)據(jù)處理技術(shù)1996該文探討激光雷達在進行氣溶膠或大氣分子后向散射數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和歸一化時可能出現(xiàn)的系統(tǒng)誤差和測量誤差,特別對硬目標(biāo)歸一化技術(shù)的激光雷達實驗中的數(shù)據(jù)獲取，數(shù)據(jù)平均，數(shù)據(jù)脈沖能量歸一化和模擬處理所產(chǎn)生的各種誤差，結(jié)合光電子學(xué)測量理論，提出了消除這些誤差的方法.該文對誤差的分析和一些實驗結(jié)果對設(shè)計激光雷達及其數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)有一定的參考價值.該文介紹了自行設(shè)計和制作的用于脈沖CO<,2>激光雷達的8031單片機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng).實驗證明該數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的性能和功能符合脈沖激光雷達的基本工作要求.學(xué)位論文馬青氣敏傳感器多路動態(tài)測試系統(tǒng)研究1999在氣敏傳感器的研制開發(fā)過程中，對元件性能進行精確的綜合測試是十分重要的.研究人員研制了一種氣敏傳感器測試系統(tǒng).系統(tǒng)由單片機控制ADC電路采集3x4傳感器陣列輸出信號，經(jīng)簡單的編碼處理后再通過串行通訊接口送入微機進行處理.微機可以向單片機發(fā)出各種命令來控制系統(tǒng)工作狀態(tài).系統(tǒng)在微機上運行的軟件用C++語言編寫，使用Windows對象封裝庫，具有良好的性能.研究人員利用該測試系統(tǒng)加上傳感器陣列,結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)成了相應(yīng)的人工嗅覺系統(tǒng)--電子鼻，并對幾種有機氣體（甲苯、甲醇、乙醇和幾種不同標(biāo)號的汽油進行了測試.其中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型研究人員選用了得到了廣泛使用的誤差反傳模型.用測試數(shù)據(jù)對網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練后，網(wǎng)絡(luò)能分辯出這幾種有機氣體和汽油.結(jié)果表明該測試系統(tǒng)在實際應(yīng)用中效果良好.會議論文孫政.蕭澤新.童有為基于單片機的數(shù)字化調(diào)光裝置的設(shè)計與實現(xiàn)2008介紹了一種光學(xué)儀器照明調(diào)光電路的創(chuàng)新設(shè)計.通過由Atmega8單片機微控制器產(chǎn)生的PWM信號來控制鹵鎢燈的亮度.照明調(diào)光電路具有電路簡單，光強輸出穩(wěn)定,其亮度可數(shù)字化線性調(diào)節(jié)和具有記憶功能等特點，同時還可以通過計算機實現(xiàn)自動調(diào)光.學(xué)位論文張丙榮CCD器件在工業(yè)自動檢測中的應(yīng)用研究1997該文重點內(nèi)容是圓鋼及螺紋鋼參數(shù)的在線實時測量,詳細(xì)論述了螺紋鋼和圓鋼自動檢測裝置的硬件設(shè)計思想及各部分的工作原理，對軟件的編程構(gòu)思結(jié)合實驗結(jié)果進行了深入的分析和研究，整個系統(tǒng)包括CCD攝象機、視頻處理電路、單片機應(yīng)用系統(tǒng)和LED顯示器四個部分.視頻處理電路通過閾值電平箝位把來自CCD器件的視頻信號數(shù)字化，由單片機系統(tǒng)及時存儲和處理，最后在顯示器上顯示內(nèi)徑、螺距等參數(shù).學(xué)位論文劉明暉半導(dǎo)體激光血管內(nèi)照射治療儀的研究及其應(yīng)用1997該論文旨在研制工作波長為650nm及842.2nm的新型半導(dǎo)體激光血療儀,研究單片機控制系統(tǒng)硬軟件的結(jié)構(gòu)、醫(yī)用光纖與半導(dǎo)體激光器的耦合和整機的裝配工藝,初步探索該療法的治療機理.學(xué)位論文韓太林激光大屏幕顯示控制系統(tǒng)研究1999該論文提出了以激光做為光源，用聲光調(diào)制器調(diào)制激光束強度，振鏡作為行、場掃描器，結(jié)合計算機、多媒體、近代光學(xué)等技術(shù)手段形成一個激光大屏幕顯示系統(tǒng).利用IBM-PC機讀取BMP文件和漢字庫，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成控制系統(tǒng)可以接收的格式程序設(shè)計;控制文件編輯器;以MCS-51系列單片微型計算機作為控制系統(tǒng)實現(xiàn)了行、場同步信號的產(chǎn)生;接收數(shù)據(jù)信號電路;串行/并行轉(zhuǎn)換電路和顯示模式控制電路等;實現(xiàn)了圖象分辨率為128x16點陣、顏色為單色、幀頻為50Hz和調(diào)制帶寬為15MHz的激光顯示系統(tǒng).該系統(tǒng)可以應(yīng)用在大屏幕顯示的地方,如廣場、機場、水幕、天空等地方.學(xué)位論文劉小冬彩色