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1、第 22卷第 4 期量子电子学报 V01.22No.4 2005 年 8 月 C 王王:嘲 E JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS Aug.2005 文章编号 :螂秘 6120酾 O 枷 65 卿 3 用单片机直接驱动液晶显示器 鲍健,。丁湘琳 2,孙力君 ,潘,媛。 (1中固科学豌爱徽光学精密机攘珊究雳豇安徽合肥230031; 2舍犯工业大掌计算机每信息学院,安徽畲肥 230009; 3砉徽农北大学信息与计算机学院,毒徽畲肥 230036 摘要:讨沦了用普通单片机能否壹接驱动液晶显示器的问题,通过对液晶显示器 工作原理及电气特性的深入分析,给出了具体豹硬件电路 ,驱
2、动信号波形及软件设计 愚錾,实验表明 ,警通单片机可以直接驱动液晶显示器,在许多场合下此法具有较高应 用价值 . 关键词 :光电子学 ;单片机 ;液晶显示器 ;偏置;占空比 中囝分类号 :TNl41.9 文献标识码 :A 1引言 液晶显示器 (LCD 具有显示清晰 ,美观、功耗微小等优点。近年来随着产量的增 加,其价格已十分低廉 ,是值得首选的显示器件 ,然而液晶显示器的使用相对复杂一些, 令许多设计人员望而却步。实际上,现在驱动液晶的器件很多,许多新型单片机本身 就带液晶驱动器 ,使用起来当然很方便。但是在我们设计产品时常常遇到这种情况: 需要显示的内容并不多 ,如果选用带液晶驱动器的单片机
3、颇有些大材小用,通过对液 晶显示器工作原理的深入分析和实验,用我们熟悉的普通单片机直接驱动液晶显示 器是完全可行的。 2液晶显示原理 液晶显示器分为字段式与点阵式,字段式所显示的图形都是预先制作好的,例如 七段数码字的 “ 段”,在显示时不能变化 ;而点阵式比较灵活 ,可以组成任意的图形 ,但点 阵式液晶显示器比较复杂,需要配专门的驱动电路 ,本文只讨论字段式的液晶显示 器。想要用普通单片机 (不带液晶驱动器 ,以下同驱动液晶显示器 ,首先得熟悉液晶显 示器的电参数。液晶显示器是由面电极与底电极(面、底电极都是透明的 ,不加电几 乎看不见中间充满液态晶体所构成。驱动信号就加在面电极与底电极上。
4、为了避免 “ 极化” 现象,工作时液晶显示器上的字段无论显示与否,面、底电极之间的驱动信号 都必须为交流信号 ,且不能含有直流分量。显示时,驱动信号幅度大 (大于液晶屏的显 示阀值。此时的信号幅值称为该液晶显示器的“ 工作电压 ”;熄灭时 ,驱动信号幅度小 (小于该液晶屏的显示阀值,媳灭时的信号幅度与显示时的信号幅度之比称为该显示 器的“ 偏置” 。例如 :1/3 偏置(简称 1/3B 的液晶显示器就是指它熄灭时驱动信号幅度 与显示时的幅度之比为1:3。要想让它显示就加一个幅度大的信号,不想让它显示就 将信号幅度减少至1/3 就行 Fig.1The composition of two ele
5、ctrodes 收稿日期 :200405-12;修改日期 :2004-0603 E-mail:krcaiofm.aC.cn 了。如 果每个 “ 字段” 都有一个独立的面电极和底电极与之对应,那倒确实如此 ,由于下面所 述的原因 ,使这个问题变得稍微复杂了一些。为了减少引脚数目,通常几个 “ 段” 电极 连在一起由一个引脚引出,在一个显示周期内各段轮流显示,每个段的显示时间与显 示周期之比称为显示占空比。例如:四个“ 段” 连在一起的液晶显示器,其显示占空比 是 1/4(简称 1/4D。此外 ,液晶显示器的其他参数还有最佳视角,通常形象地用钟点 万方数据 第 4期鲍毽等 :用单片瓠直接驱动液晶显
6、示器稻1 表示。例如 :最佳视角为 300,称为 6 点钟;垂直观看为最佳前称为12 点钟等。 t 述这些参敷在具体应用对如何选择呢?首先,工作电压是由驱动部件 (如单片机的 i/o 口所提供的高屯平藉菹所决定;偏置与显示占空比这两者之间有制约的关系,偏置越 小,显示占空比也可以越小 (从减少引脚数目角度考虑,占空比越小越好 ,例如 i/2 偏置 的液晶显示器其显示占空比只能做到1/3 左右,如占空比再缩小 ,其显示对比度就不 够满意了。不同偏置的液晶显示器是因其自身差异所致,而非外加信号所致 ,换句话 说,1/4偏置的液晶显示器并不是因为我们给它加上1/4 偏置的信号它才成为1/4 偏 置的
7、,实际上你如果给它加上1/2偏置的信号根本不能正常工作。 3液晶驱动信号 在介绍驱动信号之前 ,还得回过头来看一下液晶显示器的面电极与底电极的电 气结构 .以 1/3偏置、 1/4 占空比 (1/3B,1/4D 的液晶屏为例 ,面电极方面 ,每四个段 (参 见图 1,为使读者看清楚 ,图中用四个小矩形表示四个显示段,实际的显示段既可以是 一段“ 笔划” 也可以是一个图案连在一起由个引脚引出 ,分别称为面 1、面 2、 面 n(即图中的 topl、top2、top n;而与上述面电极的四个段子对应的四个底电极 是分开的 ,称为 COMl、COM2、COM3、COM4,每个面电极所对应的COMl
8、全部连 在一起由一个引脚引出 ,COM2、COM3、COM4 也是如此 ,所以底电极又称公共电 极.清楚了面电极与底电极的关系,就可以研究液晶显示器驱动信号了。如前所述,显 示时,面、底电极的电压振幅 (面、底电极的电压差信号为工作电压;熄灭时 ,面、底 电极的电压振幅为工作电压的三分之一(13B。现在的问题是四个显示段(A、B、 c、D 是连在一起的 ,如何让它们既满足 E 述原则又不相互影响 ,总不能让它们要亮一 道亮要灭一道灭吧 ,好在显示与否是由面、底电极电压之差决定的,我们可以通过面 电极信号与底电极信号的协调动作从时间上相互“ 岔开”,其思路是把显示周期分为 四个时间段 (a/4D
9、,在第一时间段让COMl 信号为大幅度而COM2、COM3、COM4 为小幅度 ,在这种情况下只有COMl 电 极所对应的显示段 (如 topl 电极中的 A 才有亮的可能 ,究竟亮不亮还与面电极信 号有关 ,如果想让它亮那就在面电极加上一个与COMl 信号相位相反的大幅度信号, 反之就加一个小幅度信号,总之,只有两个互为反相的大幅度信号同时碰在一起才能 显示(只有这样面、底电极电压之差才等于工作电压,否则就是熄灭。第一时间段的 情况搞清楚了 ,第二时间段与此类似让COM2 信号为大幅度而 COMl 、COM3、 COM4 为小幅度 ,后面的第三、四时间段的情况就依此类推了。下面我们通过具体
10、的电路 ,更详细地介绍信号的合成方法。电路如图2所示,底电极与面电极信号合成 电路是类似 、,一 a clock b clock !磐酊 corrll 生。j corn2 M 旦。j com3L C! 磐!C 酊 corn4C 墨磐.罄. U mp l D 女。=;i I。一 top2 180k360k ?亡一 top n 的,唯有不同的是它们的偏置电阻的公共接点所接的时钟信F19? 2 schema,1 。 ,Mcu 越 ve LcD d 妣 tly 号(图中单片机 a、b两脚产生的是互为反 相的。 COMl 、COM2、COM3、COM4 信号的产生是这样的 ,在第一时间段单片机 C脚信号
11、与时钟信号同相其合成信号与时钟信号相同(大幅度信号幅值为1,在第 二、三、四时间段C 脚信号与时钟信号反相 ,其合成信号按串联电阻分压为高度是 1/3和 2/3的小幅度信号 (见图 3,为了节约版面图中只画了COMl 信号,而 COM2、 COM3、COM4 信号与 COMl 类似,只是大信号位置分别出现在第二、三、四时间 段而已 ;面电极信号的合成情况也是相似的,底电极信号 (COMl 、GOM2、COM3、 COM4 波形是固定不变的 ,而面电极信号根据各个显示段的显示与否而有所变化。 在第一时间段单片机g 脚信号如果与反相时钟信号同相则A 段显示,而如果不同相 则 A 段熄灭 ;在第二、
12、三、四时间段情况完全相同(只不过对象变成 B、C、D 段依 此类推即可。图 3 下边的两个波形分别表示topl 电极的 A 亮 B、C、D 灭与 A、B 亮 c、D 灭两种情况 (A、B、C、D 从全亮到全灭共有16种组合。这组信号是否满 足前面所述的要求 ,只要将面电极信号减去底电极信号(例如用图 3的 topl 信号减去 COMl 信号即可发现它们的差信号正好满足要求。图2中的 abcdefgh等为单片万 方数据 652量子电子学报 22卷 机的任意 I/O 端口,偏置电阻按 1/3偏置计算出来是2:1的关系 , 如果是 1/2 偏置则应为 3:1 的关系 ,而如果是 114偏置则应为 5
13、:3 的 关系,偏置越小两阻值越接近 ,两阻值的和通常取几百K 左右,取 小些驱动能力强些 ,当然耗电也稍大些 (液晶屏越大 ,工作频率越高 对驱动能力要求也越高。另外还有一点要说明,能满足这个要求的 信号并不是唯一的 ,只是这组信号的通用性较好,只要改变电阻值 即可改变偏置 ,所以用得较多。 4软件实现方法 驱动电路每秒种完成的显示周期数称做工作频率。液晶显示器 的工作频率范围相当宽 ,从 25Hz到数百 Hz 均可。由于用普通单片 机驱动液晶显示器没有硬件支持,驱动波形均由软件完成 ,所以应选用较低的工 作频率 ,以减少软件开销。编程时在主程序中对显示缓冲区内容进行各种处理,在内 存中建立
14、映射表 ,将液晶显示器的每一个显示“ 段” 与映射表中的每一个 “ 位” 对应起 来,如需某 “ 段” 显示,则将其对应 “ 位” 置 1,否则置 o;每四个连在一起的 “ 段” 所对应的 四位二进制数构成一个 “ 指针”(从。到 15共 16 个状态 ,由 1 2/3 1/3 top 1 l 广广厂厂 这个指针查 “ 波形表 ” 即可得到某个面电极的波形数据,每个波形 数据有八个状态 ,正好为一字节 ;由于底电极和时钟信号均为固定Fig.3 Fhe driving wave蛔 m of Luu 波形,其波形数据是固定不变的,也就无需查表了 , 然后将这些波形数据经过旋转变换存入显示缓冲区就可
15、以了。在定时中断服务程序 中将显示缓冲区内容依次送出,即可形成液晶驱动波形。 本文所述方法最适合显示内容不太多(60段以下、有一定批量、低成本的电子 产品中。设计者可以将液晶显示器的显示图案及技术要求提供给厂家,由厂家为您 制作液晶显示器。笔者用这种方法开发成功带液晶显示的空调遥控器、定时温度, 湿度控制器等多项产品 ,效果很好。 参考文献 : 1Li Weidi,Guo Qiang.Application Technology of LCD( 液晶显示器件应用技术 M.Beijing:Beijing University of Posts and Telecommunications Pre
16、ss,1993.(in Chinese. 2He Liming.Selected Works About Application Technology o,MCU( 单片机应用 技术选编 M】.Beijing:Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press,1998.(in Chinese. 3Atmel Corporation.Microcontroller Data Bookz.Atmel Corporation USA,1995. Driving LCD directly by MCU BAO dianl,DING Xia
17、ng-lin2,SUN Li3,PAN Yuan2 (1Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Hefei230031,China 2Computer and Information College,Hefei University of Technology,Hefei230009,China; 3InformationMCU;LCD;bias;duty cycle 万方数据 用单片机直接驱动液晶显示器 作者:鲍健, 丁湘琳 , 孙力, 潘媛, BAO Jian, DING Xiang-
18、lin, SUN Li, PAN Yuan 作者单位 :鲍健,BAO Jian(中国科学院安徽光学精密机械研究所,安徽,合 肥,230031, 丁湘琳 ,潘媛,DING Xiang-lin,PAN Yuan( 合肥工业大学计算机与信息学院, 安徽,合肥,230009, 孙力 ,SUN Li(安徽农业大学信息与计算机学院,安徽,合肥,230036 刊名: 量子电子学报 英文刊名 :CHINESE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS 年,卷(期:2005,22(4 引用次数 :3次 参考文献 (1 条 1.LI Weidi.Guo Qiang 液晶显示器件应用技术 199
19、3 相似文献 (10条 1.期刊论文刘勇 .周喃.朱震.朱灵.于清华 .翟玉峰 .LIU Yong.ZHOU Nan.ZHU Zhen.ZHU Lin.YU Qing-hua.ZHAI Yu- feng压电陶瓷光纤相位调制控制系统的研制-量子电子学报 2008,25(3 压电陶瓷光纤相位调制器是光纤傅里叶变换光谱测量系统中的核心器件之一, 压电陶瓷驱动控制系统的输出电压特性决定了压电陶瓷光纤相位调制器的多种性能, 如线性、分辨率、动态特性等,从而对光纤傅里叶变换光谱测量系统的光谱分辨 率、测量速度和系统噪声等重要指标产生影响.应用复杂可编程逻辑器件 (CPLD、 复合高压运放和单片机等先进电子
20、技术设计压电陶瓷光纤相位调制控制系统.实验 表明,该系统加载压电陶瓷容性负载后,在设定的频率范围内显示出了较好的动态特 性与线形度 ,能很好地满足光纤相位调制技术对压电陶瓷工作电压波形的要求. 2.学位论文李井润用於脉冲CO激光雷达的 8031单片机数据处理技术1996 该文探讨激光雷达在进行气溶胶或大气分子后向散射数据的转换和归一化时可 能出现的系统误差和测量误差,特别对硬目标归一化技术的激光雷达实验中的数据 获取,数据平均 ,数据脉冲能量归一化和模拟处理所产生的各种误差,结合光电子学测 量理论 ,提出了消除这些误差的方法.该文对误差的分析和一些实验结果对设计激光 雷达及其数据处理系统有一定
21、的参考价值.该文介绍了自行设计和制作的用于脉冲 CO激光雷达的 8031单片机数据处理系统 .实验证明该数据处理系统的性能和功 能符合脉冲激光雷达的基本工作要求. 3.学位论文马青气敏传感器多路动态测试系统研究1999 在气敏传感器的研制开发过程中,对元件性能进行精确的综合测试是十分重要 的.研究人员研制了一种气敏传感器测试系统.系统由单片机控制ADC 电路采集 3 4 传感器阵列输出信号 ,经简单的编码处理后再通过串行通讯接口送入微机进行处理. 微机可以向单片机发出各种命令来控制系统工作状态.系统在微机上运行的软件用 C+语言编写 ,使用 Windows 对象封装库 ,具有良好的性能 .研究
22、人员利用该测试系统 加上传感器阵列 ,结合人工神经网络技术构成了相应的人工嗅觉系统-电子鼻 ,并对 几种有机气体 (甲苯、甲醇、乙醇和几种不同标号的汽油进行了测试.其中神经网络 模型研究人员选用了得到了广泛使用的误差反传模型.用测试数据对网络进行训练 后,网络能分辩出这几种有机气体和汽油.结果表明该测试系统在实际应用中效果良 好. 4.会议论文孙政 .萧泽新 .童有为基于单片机的数字化调光装置的设计与实现 2008 介绍了一种光学仪器照明调光电路的创新设计.通过由 Atmega8单片机微控制 器产生的 PWM 信号来控制卤钨灯的亮度.照明调光电路具有电路简单,光强输出稳 定,其亮度可数字化线性
23、调节和具有记忆功能等特点,同时还可以通过计算机实现自 动调光 . 5.学位论文张丙荣 CCD 器件在工业自动检测中的应用研究1997 该文重点内容是圆钢及螺纹钢参数的在线实时测量,详细论述了螺纹钢和圆钢 自动检测装置的硬件设计思想及各部分的工作原理,对软件的编程构思结合实验结 果进行了深入的分析和研究,整个系统包括 CCD摄象机、视频处理电路、单片机应 用系统和 LED 显示器四个部分 .视频处理电路通过阈值电平箝位把来自CCD 器件 的视频信号数字化 ,由单片机系统及时存储和处理,最后在显示器上显示内径、螺距 等参数 . 6.学位论文刘明晖半导体激光血管内照射治疗仪的研究及其应用1997 该
24、论文旨在研制工作波长为650nm及 842.2nm的新型半导体激光血疗仪,研究 单片机控制系统硬软件的结构、医用光纤与半导体激光器的耦合和整机的装配工艺, 初步探索该疗法的治疗机理. 7.学位论文韩太林激光大屏幕显示控制系统研究1999 该论文提出了以激光做为光源,用声光调制器调制激光束强度,振镜作为行、场 扫描器 ,结合计算机、多媒体、近代光学等技术手段形成一个激光大屏幕显示系统. 利用 IBM-PC 机读取 BMP 文件和汉字库 ,并将数据转换成控制系统可以接收的格式 程序设计 ;控制文件编辑器 ;以 MCS-51 系列单片微型计算机作为控制系统实现了 行、场同步信号的产生 ;接收数据信号
25、电路 ;串行/并行转换电路和显示模式控制电路 等;实现了图象分辨率为128 16点阵、颜色为单色、帧频为50Hz 和调制带宽为 15MHz 的激光显示系统 .该系统可以应用在大屏幕显示的地方,如广场、机场、水 幕、天空等地方 . 8.学位论文刘小冬彩色显示管电子枪动态测试系统的研制1997 该文介绍了电子枪动态测试系统的设计原理与功能实现方法.并着重对测试系 统中的脉冲信号发生器、行、场偏转放大器、视频功率放大器的工作原理进行了分 析,讨论了扫描电路的设计思想与方法. 9.会议论文李俊铎 .齐国生显微图像分析仪倍率控制系统的设计与实现2008 设计了一套基于 P89V51 单片机的显微图像分析
26、仪倍率控制系统.使用变焦镜头 内部电机实现变倍以及位置传感器探测变焦镜头组的位置,单片机电路控制部分实 现位置值的获取和电机的控制,上位机控制环节完成用户命令的发布和接收,实现了 显微图像分析仪放大倍率的精确控制.该系统倍率控制精度满足医疗检验要求,给医 学临床检验提供定性 /定量等数据 ,为医疗诊断提供依据 . 10.期刊论文孙韶媛 .王利平 .刘世才 .张保民 .Sun Shaoyuan.Wang Liping.Liu Shicai.Zhang Baomin激光测距数 据与夜视图像的实时叠加 -激光与光电子学进展2000(11 以更好地获取夜间战场信息为目标,设计了可以完成激光测距数据与微
27、光夜视 图像实时叠加功能的硬件电路.主要利用单片机 8031和 OSD可编程芯片 uPD6450, 通过汇编语言控制激光测距仪数据输出接口与硬件电路间的数据传送,实时地完成 了距离数据与微光图像的叠加. 引证文献 (3 条 1.赵虎.刘炜.王福平基于未确知有理数滤波方法的涂油量控制系统设计期刊论 文-中国仪器仪表 2008(06 2.薛旭.乔毅.吴化柱浅谈一种基于ATmega48段式液晶显示器的驱动方法期刊 论文-太原科技 2007(11 3.王伊.程善美基于 8XC196KC 单片机控制的液晶显示技术期刊论文 -河南科 技大学学报 (自然科学版 2006(02 本文链接 :http:/ 下载时间 :2010年 1月 2日