論文-基于分立元件段式液晶顯示驅動控制系統(tǒng)設計

1、 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 29 頁 共 29 頁引 言液晶顯示器件(LCD)是一種高新技術的基礎元器件。它利用液晶的各種電光效應，把液晶對電場、磁場、光線和溫度等外界條件的變化在一定條件下轉換為可視信號而制成的顯示器。雖然其應用已很廣泛，但對很多人來說，使用、裝配時仍感到困難。特別是點陣型液晶顯示器件，使用者更是會感到無從下手。特殊的連接方式和所需的專用設備也非人人了解和具備，故此液晶顯示器件的用戶希望有人代勞，將液晶顯示器件與控制、驅動集成電路裝在一起，形成一個功能部件，用戶只需用傳統(tǒng)工藝即可將其裝配成一個整機系統(tǒng)。而驅動程序是使這個功能部件穩(wěn)定有序工作，準確實現(xiàn)顯示的重要環(huán)節(jié)。隨著

2、模塊的標準化，用戶在選擇和使用過程中只關心模塊的接口，對于模塊的設計和構造以及在使用中出現(xiàn)的因為模塊設計原因產(chǎn)生的問題并不了解。本文通過對段式液晶顯示模塊的結構和顯示、驅動原理進行詳細介紹。并針對一些常用段式液晶顯示模塊的典型代表系列設計其與單片機的接口電路和驅動程序。使讀者可以較為全面地掌握段式液晶顯示驅動控制的原理。第1章 緒論1.1 液晶顯示器介紹液晶顯示器件(LCD)是一種高新技術的基礎元器件。它利用液晶的各種電光效應，把液晶對電場、磁場、光線和溫度等外界條件的變化在一定條件下轉換為可視信號而制成的顯示器。液晶顯示器具有低電壓、低功耗的特點，與CMOS集成電路相匹配.電池作為電源，適合

3、于便攜式顯示。段式LCD是通過電場控制液晶分子的排列從而改變液晶盒內偏振光的雙折射效應而實現(xiàn)顯示，段式LCD是目前LCD生產(chǎn)的中檔產(chǎn)品，段式LCD顯示器之所以被廣泛應用主要是因為具備以下優(yōu)勢：耗電量小，散熱小、沒有絲毫輻射、對人體健康無損害、完全平面、能精確還原圖像、無失真、可視面積大、款式新穎多樣、能大量節(jié)省空間、抗干擾能力強、顯示字符銳利、畫面穩(wěn)定不閃爍、屏幕調節(jié)方便。液晶顯示器還具有易彩色化，非發(fā)光式被動顯示的特點。彩色液晶顯示是利用液晶的光閥特性和彩色濾光膜及三基色燈來實現(xiàn)的，現(xiàn)有技術容易制造彩色濾光膜和三基色燈。還有液晶顯示靠調制外界光來實現(xiàn)的，顯示體本身不發(fā)光，不刺激眼睛，不易疲勞

4、等優(yōu)點。利用液晶光閥特性容易實現(xiàn)投影大屏幕顯示。因而，液晶顯示應用幾乎覆蓋所有顯示應用領域。液晶顯示模塊是一種將液晶顯示器件、連接件(斑馬條、斑馬紙或金屬管腳等)、PCB線路板、液晶顯示控制器、行列驅動控制器、負壓發(fā)生器、偏置電路、溫度補償電路、背光源、背光源驅動控制電路、結構件（框架或模具)等裝配在一起的組件。1.2 論文選題的意義隨著電子工業(yè)的飛速發(fā)展,諸多家用電子產(chǎn)品和各種儀器儀表在顯示技術方面提出了新的要求,原有的單純LED或LED數(shù)碼管、電磁式儀表等已遠不能滿足要求。建立性能優(yōu)良、價格低廉的既能顯示字符也能顯示漢字和圖形、圖表、曲線等的顯示器一直是工程技術人員所關注的問題。LCD液晶

5、顯示器能勝任上述要求,且有工作電壓低、功耗小、驅動簡單、高可靠性、壽命長、性能穩(wěn)定等優(yōu)點,其發(fā)展前景極為廣闊。自從液晶顯示器件發(fā)明后，液晶顯示器件的寫入、驅動方案也立即被提了出來。雖然液晶顯示器件幾經(jīng)更新，但是一些最初的方案，例如驅動TN型液晶顯示器件的方法，至今仍然被普遍采用。不過，由于液晶顯示技術發(fā)展很快，新型原理和結構的器件不斷涌現(xiàn)，因此寫入和驅動方案也在不斷增加，根據(jù)不同的實際情況設計適當?shù)尿寗涌刂葡到y(tǒng)是很有必要的。段式液晶作為液晶顯示產(chǎn)業(yè)中一種低端的產(chǎn)品，為何沒有被淘汰，反而在許多場合得到廣泛應用，甚至在一些場合中的地位是無可替代的？段式LCD，就如計算器、電子表、數(shù)字萬用表等顯示用

6、的LCD，顯示類型與數(shù)碼管類似，靠7個字段拼湊生成數(shù)字顯示。一般只能顯示09，AF16種字符。段式液晶之所以在液晶顯示領域有它獨特的一席之地正是因為這種LCD驅動簡單，耗電量小，在僅需要顯示數(shù)字的場合應用較多，也用來在便攜式應用的場合來代替數(shù)碼管。廣泛應用于數(shù)碼相機、時鐘、電話機、游戲機、計算器、日歷、遙控器、儀器儀表和音響等產(chǎn)品上。因此本設計將針對段式液晶顯示設計驅動控制系統(tǒng)。1.2.1 段式液晶顯示器件的優(yōu)點及其應用信息顯示技術隨著信息社會的發(fā)展而變得越來越重要，在信息顯示技術中，段式液晶顯示器件與其他類型的顯示器相比較有如下優(yōu)點：（1）平面型顯示，體積小，重量輕，便于攜帶，平板型結構便于

7、大批量生產(chǎn)、自動化生產(chǎn)；（2）驅動電壓低，微功耗：極低的工作電壓，只要23即可工作，而工作電流僅幾微安，這是其他任何顯示器件無法比擬的。在工作電壓和功耗上液晶顯示正好與大規(guī)模集成電路的發(fā)展相適應；（3）工作壽命長，液晶材料是有機高分子合成材料，具有極高純度，液晶的驅動電壓很低，驅動電流更是微乎其微，因此劣化幾乎沒有，壽命可在5萬小時以上；（4）不含有害射線，液晶顯示器件使用時不會產(chǎn)生軟X射線及電磁波輻射，對長期在液晶顯示器件周圍工作的人體健康無危害；（5）被動顯示，段式液晶顯示器件本身不能發(fā)光，它靠調制外界光達到顯示目的，更適合于人眼視覺，不易引起疲勞，這個優(yōu)點在大信息量、高密度、快速變換、長

8、時間觀察顯示尤為重要。被動顯示不易被強光沖刷，外界光越強則顯示越清晰，可以在明亮的環(huán)境下顯示；（6）易于驅動，能用大規(guī)模集成電路直接驅動，電路接口簡單；（7）結構簡單，沒有復雜的機械部分等。由于以上種種優(yōu)勢段式液晶被應用于如以下領域：*儀器、儀表：煤氣表、水表、公交系統(tǒng)、加油機計數(shù) *顯示屏 辦公設備：傳真機、打卡機、考勤機、門禁系統(tǒng) *通訊設備：各種IC卡電話、網(wǎng)絡電話、IP電話*銀行系統(tǒng)：POS機 *稅務系統(tǒng)：稅控機 *醫(yī)療設備：生理監(jiān)護儀及各類保健器械 *工控設備：自動化控制 *各種人機界面,手持設備等段式液晶顯示器件是一種高新技術的基礎元器件，雖然其應用已很廣泛，但對很多人來說，使用、

9、裝配時仍感到困難。特殊的連接方式和所需的專用設備也非人人了解和具備，故此段式液晶顯示器件的用戶希望有人代勞，將液晶顯示器件與控制、驅動集成電路裝在一起，形成一個功能部件，用戶只需用傳統(tǒng)工藝即可將其裝配成一個整機系統(tǒng)。隨著模塊的標準化，用戶在選擇和使用過程中只關心模塊的接口，對于模塊的設計和構造以及在使用中出現(xiàn)的因為模塊設計原因產(chǎn)生的問題并不了解。本文通過介紹段式液晶顯示模塊的結構和顯示、驅動原理。使讀者可以較為全面地掌握段式液晶顯示驅動控制的原理。1.3 本文的主要工作本文的任務是針對一些常用段式液晶顯示模塊的典型代表系列設計其與單片機的接口電路和驅動程序。本文的主要工作如下：（1）在方案論證

10、的基礎上，確定整體設計方案和設備選型。（2）基于一些常用段式液晶顯示模塊的典型代表系列設計其與單片機的接口電路和驅動程序。（3）選取上述各系列的內置式驅動控制器設計流程圖、應用程序。（4）針對所選取的液晶顯示模塊和驅動控制器設計接口電路、驅動程序、流程圖、應用程序，并提供較為詳細使用說明清單。（5）軟件設計清單。（6）進行硬件、軟件調試，并對調試結果進行分析。必要的技術分析和說明，并對設計結果進行分析。第2章 段式液晶顯示基本原理及應用基礎2.1 段式液晶顯示基本知識段式液晶顯示器(LCD/Liquid Crystal Display）的顯像原理是將液晶置于兩片導電玻璃之間，靠兩個電極間電場的

11、驅動引起液晶分子扭曲向列的電場效應，以控制光源透射或遮蔽功能，在電源開關之間產(chǎn)生明暗而將影像顯示出來，若加上彩色濾光片，則可顯示彩色影像。段式液晶的物理特性是：當通電時導通，排列變的有秩序，使光線容易通過；不通電時排列混亂，阻止光線通過。讓液晶如閘門般地阻隔或讓光線穿透。從技術上簡單地說，液晶面板包含了兩片相當精致的無鈉玻璃素材，稱為Substrates，中間夾著一層液晶。當光束通過這層液晶時，液晶本身會排排站立或扭轉呈不規(guī)則狀，因而阻隔或使光束順利通過。大多數(shù)液晶都屬于有機復合物，由長棒狀的分子構成。在自然狀態(tài)下，這些棒狀分子的長軸大致平行。將液晶倒入一個經(jīng)精良加工的開槽平面，液晶分子會順著

12、槽排列，所以假如那些槽非常平行，則各分子也是完全平行的。2.2 段式液晶顯示原理LCD技術是把液晶灌入兩個列有細槽的平面之間。這兩個平面上的槽互相(相交成90度)。也就是說，若一個平面上的分子南北向排列，則另一平面上的分子東西向排列，而位于兩個平面之間的分子被強迫進入一種90度扭轉的狀態(tài)。由于光線順著分子的排列方向傳播，所以光線經(jīng)過液晶時也被扭轉90度。但當液晶上加一個電壓時，分子便會重新垂直排列，使光線能直射出去，而不發(fā)生任何扭轉。段式LCD是依賴極化濾光器(片)和光線本身。自然光線是朝四面八方隨機發(fā)散的。極化濾光器實際是一系列越來越細的平行線。這些線形成一張網(wǎng)，阻斷不與這些線平行的所有光線

13、。極化濾光器的線正好與第一個垂直，所以能完全阻斷那些已經(jīng)極化的光線。只有兩個濾光器的線完全平行，或者光線本身已扭轉到與第二個極化濾光器相匹配，光線才得以穿透。段式液晶顯示原理是在兩片玻璃基板上裝有配向膜，所以液晶會沿著溝槽配向，由于玻璃基板配向膜溝槽偏離90度，所以液晶分子成為扭轉型，當玻璃基板沒有加入電場時，光線透過偏光板跟著液晶做90度扭轉，通過下方偏光板，液晶面板顯示白色；當玻璃基板加入電場時，液晶分子產(chǎn)生配列變化，光線通過液晶分子空隙維持原方向，被下方偏光板遮蔽，光線被吸收無法透出，液晶面板顯示黑色。液晶顯示器便是根據(jù)此電壓有無，使面板達到顯示效果。利用液晶的各種光電效應，把液晶對電場

14、、磁場、光線和溫度等外界條件的變化在一定條件下轉換成為可視信號就可以制成顯示器，這就是段式液晶顯示器件。2.3 段式液晶顯示驅動原理從電子學角度簡述液晶顯示器件的顯示原理為:在外加電場的作用下具有偶極矩的液晶棒狀分子在排列狀態(tài)上發(fā)生變化，使得通過液晶顯示器件的光被調制，從而呈現(xiàn)明與暗或透過與不透過的顯示效果。液晶顯示器件中的每個顯示像素都可以單獨被電場控制，不同的顯示像素按照驅動信號的“指揮”在顯示屏上合成各種字符，數(shù)字及圖形。液晶顯示驅動功能就是建立這種電場。段式液晶的顯示效果是由于在顯示像素上施加了電場的緣故，而這個電場則由顯示像素前后兩電極上的電位信號差所產(chǎn)生。在顯示像素上建立直流電池是

15、非常容易的事，但直流電場將導致液晶材料的化學反應和電極老化，從而迅速降低液晶材料的壽命，因此必須建立交流驅動電場，并要求在這個交流電場中的直流分量越小越好，通常要求直流分量小于50mV。由此要求液晶顯示驅動器的驅動輸出必須是交流驅動?，F(xiàn)在液晶顯示驅動器是全數(shù)字化集成電路，所以這種交流驅動是以脈沖電壓形式產(chǎn)生的。液晶顯示像素上交流電場的強弱用交流電場的有效值表示，當有效值大于液晶的閾值電壓時，像素產(chǎn)生電光效應，呈顯示狀態(tài);當有效值在閥值電壓附近時，液晶將呈現(xiàn)較弱的電光效應，此態(tài)將會影響液晶顯示器件的顯示對比度。因此液晶顯示驅動器要能夠控制驅動輸出的電壓幅值，以實現(xiàn)對顯示對比度的控制。液晶顯示驅動

16、器通過對其輸出到液晶顯示器件電極上的電位信號進行相位、峰值、頻率等參的調制來建立交流驅動電場，以實現(xiàn)液晶顯示器件的顯示效果。液晶顯示的驅動方式有許多，常用于液晶顯示器件上的驅動方法有靜態(tài)驅動和動態(tài)驅動兩種。2.3.1 靜態(tài)驅動方法簡述靜態(tài)驅動(Static Drive)主要用于位數(shù)很少(12位以下)的數(shù)字顯示或固定文字(圖形)顯示。在數(shù)字顯示時常采用筆段電極結構。每位數(shù)由一個“8”字形公共電極和構成“8”字形圖案的筆段形電極組成，分別設置在兩塊基板上。根據(jù)顯示數(shù)字的位數(shù)，可在兩基板上形成相應數(shù)量的電極組，每組電極可顯示0-9的任意數(shù)字。這種數(shù)字顯示方式廣泛用于手表、計算器以及計測儀器等。靜態(tài)驅

17、動就是在所顯示數(shù)字的各筆段電極和共用電極之間，同時而連續(xù)地施加上驅動電壓，直到顯示時間結束。由于在顯示時間內驅動電壓一直保持，故稱作靜態(tài)驅動。要實現(xiàn)靜態(tài)驅動，各段形電極和公電極必須設置各自獨立的驅動電路。靜態(tài)驅動的特點及缺點:靜態(tài)驅動有這樣兩個特點:(1)各電極的驅動相互獨立，互不影響;(2)在顯示期間，驅動電壓一直保持，使液晶充分驅動。因為靜態(tài)驅動與下面介紹的時間分割驅動相比，具有對比度好，亮度高，響應快等優(yōu)點。但靜態(tài)驅動的缺點是每個段形電極需要一個控制元件，一旦顯示數(shù)字的位數(shù)很多時，相應的驅動元件數(shù)和引線端子數(shù)太多，因而他的應用受到限制，只適合于位數(shù)很少的筆段電極顯示。2.3.2 動態(tài)驅動

18、方法簡介本設計中段式液晶顯示采用的就是動態(tài)驅動的方法。當液晶顯示器件上顯示像素眾多時，如點陣型液晶顯示器件，若使用靜態(tài)驅動結構將會產(chǎn)生眾多的引腳以及龐大的硬件驅動電路，這是不易實施的。為了解決這個問題，在液晶顯示器件電極的制作與排布上做了加工，實施了矩陣型結構，即把水平一組顯示像素的背電極連在一起引出，稱之為行電極，又稱公共極，用COM符號表示;把縱向一組顯示像素的段電極連在一起引出，稱之為段電極，又稱列電極，用SEG或COL符號表示。每個液晶顯示像素都由其所在的行與列的位置唯一確定。在驅動方式上采用了類同于CRT的光柵逐行掃描方法，叫做動態(tài)驅動法，或稱為多路尋址驅動法。本設計的段式液晶顯示驅

19、動控制系統(tǒng)即采用了此種動態(tài)驅動法。第3章 段式液晶的驅動設計3.1 段式液晶的動態(tài)驅動原理段式液晶顯示采用的是動態(tài)驅動法。動態(tài)驅動法是循環(huán)地給每行電極施加選擇脈沖，同時所有列電極給出該行像素的選擇或非選擇的驅動脈沖，從而實現(xiàn)某行所有顯示像素的驅動。這種行掃描是逐行順序進行的，循環(huán)周很短，使得液晶顯示屏上呈現(xiàn)穩(wěn)定的圖像效果。我們把液晶顯示的掃描驅動方式稱為動態(tài)驅動法。動態(tài)驅動法對像素的掃描采用的是一種分時的操作方式。就尋址像素而言，每次尋址一行上的多個像素，所以也可稱多路尋址驅動法。它適用于較多的段電極和矩陣電極結構的驅動。動態(tài)驅動法是最常用，也是最能挖掘液晶顯示器件顯示功能的驅動方式。它不僅可

20、以大大減少液晶顯示器件外引線，也可以大大減少外圍驅動電路的成本。與光柵掃描相對應，完成一次全部行掃描稱為一幀。在一幀中每一行的選擇時間是均等的。假設一幀的掃描行數(shù)為N，掃描一幀的時間為1，那么一行所占有的選擇時間為1/N，該值被稱為占空比系數(shù)。在同等電壓下，掃描行數(shù)的增多將使占空比下降，從而引起液晶像素上的變電場電壓的有效值下降，降低了顯示質量。因此隨著顯示像素的增多，為了保證顯示質量，就需要適度地提高驅動電壓以提高電場的電壓有效值或采用雙屏電極排布結構以提高占空比系數(shù)。3.1.1 段式LCD驅動器電源液晶驅動波形是由若干檔直流電平組合而成的模擬波形，各檔直流電平的比例關系反映驅動波形的Bia

21、s比例關系，各檔電平的具體幅值取決于LCD Panel的液晶特性和Duty數(shù)的多少。圖1為LCD驅動電源部分的示意圖：圖1 LCD驅動電源部分的示意圖 電源調整器部分(Power Regulator)： 產(chǎn)生LCD驅動所需的最高直流電平，一般分為三種： a) LCD驅動所需的最高直流電平等于外部輸入電源VDD的，此部分就直接將VDD輸入至后續(xù)電路； b) LCD驅動所需的最高直流電平大于外部輸入電源VDD，且不需要穩(wěn)壓輸出 的，如固定等于1.5VDD或2.0VDD，此部分通常做法是將外部輸入電源VDD通過升壓電路(pump)升至所需的電壓，輸入至后續(xù)電路； c) LCD驅動所需的最高直流電平大

22、于外部輸入電源VDD，且需要穩(wěn)壓輸出的，即驅動所需的最高直流電平不隨VDD的變化而變化的，如要求VDD=2.45.5V全電壓范圍里，VLCD的輸出電壓都保持不變，此部分通常做法是首先產(chǎn)生一個誤差范圍符合要求的電壓基準源，然后將此電壓基準源比例放大至所需的電壓，同時外部輸入電源VDD通過升壓電路(pump)升至一定的電壓，如2VDD，作為比例放大部分的電源。如圖2：圖2 電源調整器部分結構示意圖對比度/亮度調整部分(Contrast Adjustment)： 通過對比度/亮度控制寄存器，調節(jié)輸出的LCD驅動電壓。 設置此部分的目的有三個： （a)同一顆單片機適配的LCD Panel的選擇余地較大

23、，LCD panel的工作電壓(額定電壓)處于LCD 驅動器輸出的最高電壓和最低電壓之間即可； （b)可以有效的消除LCD Panel在制作過程中工作電壓的偏移； （c)有些產(chǎn)品的LCD driver無電源調整電路，其LCD輸出的最高電壓(VLCD)與外部輸入電源跟隨變化。在實際產(chǎn)品中，特別是使用電池作為電源的應用場合，外部輸入電源隨著使用時間的加長會慢慢降低，LCD輸出的電壓和LCD Panel的對比度也會隨之降低，這時保持LCD Panel的對比度不變，就可以通過調節(jié)對比度/亮度控制寄存器進行調節(jié)。3.1.2平均電壓法在動態(tài)驅動方式下，某一液晶像素(選擇點)呈顯示效果是由施加在行電極上的選

24、擇電壓與施加在列電極上的選擇電壓的合成來實現(xiàn)的。與該像素不在同一行和同一列的像素(非選點)都處在非選狀態(tài)下，與該像素在同一行或同一列的像素均有選擇電壓加入，稱之為半選擇點。該點的電場電壓處于液晶的閥值電壓附近時，屏上將出現(xiàn)不應有的半顯示現(xiàn)象，使得顯示對比度下降，這種現(xiàn)象叫做“交叉效應”。在動態(tài)驅動方法中解決“交叉效應”的方法是平均電壓法。平均電壓法的基本原理是:把半選擇點上的電壓和非選擇點上的電壓平均化，適度提高非選擇點的電壓來抵消半選擇點上的部分電壓，從而擴大選擇點與半選擇點的電壓差距，以提高對比度，同時使非選擇點與半選擇點的顯示更均勻一致，即把液晶的驅動電壓等分成若干擋，如a擋。適當?shù)靥岣?/p>

25、非選擇點的電壓，如1/a倍差于選擇電壓，從而降低半選點上兩電極的電壓差，這種方法稱謂偏壓法。選擇點電壓與非選擇點電壓之比等于a，我們稱之為偏壓比，稱此種方法為1/a偏壓平均法。動態(tài)驅動法加入了偏壓法使其更加完美，段式液晶顯示在進行動態(tài)驅動時都要使用平均電壓法原理進行設計，它廣泛應用于點陣型液晶顯示器件和多路結構液晶顯示器件的驅動上。當掃描行數(shù)N=1時，動態(tài)驅動就等于靜態(tài)驅動。由于靜態(tài)驅動沒有交叉效應，所以也就沒有偏壓法的介入。當掃描行數(shù)N確定后，需要選擇最合適的偏置電壓。3.1.3 最佳偏壓法液晶顯示器件是由于像素電極間液晶分子受電場作用發(fā)生彈性形變而改變初始排列，從而實現(xiàn)顯示的。雖然液晶響應

26、可能會比驅動脈沖寬得多，但只要驅動電壓的有效值足夠大，液晶就可以顯示。而且，液晶顯示器件選通時的透過率與有效電壓值成正比。所以，只要確定了選通電壓有效值與非選通電壓有效值之比，就可以預測出顯示對比度的好壞。電壓有效值的定義為按平均電壓法原理，選通像素的驅動電壓有效值為 =非選通像素的驅動電壓有效值為=以上兩式中，N為掃描行數(shù)；a為偏壓比；為驅動波形幅值；為占空比。液晶對比度相當于透過率，透過率又正比于施加有效電壓值，于是可以用施加有效電壓比值來分析對比度與掃描行數(shù)N和偏壓比a之間的關系：=化簡后得 =于是，可以得出有效電壓比為最大值的條件是a=偏置電壓產(chǎn)生部分(Bias Voltage Gen

27、erator)： LCD driver輸出的最高電壓通過偏置電壓產(chǎn)生電路，根據(jù)選擇的偏置設置，產(chǎn)生LCD交流驅動波形所需要的其它幾檔偏置電壓(VLCD,V4,V3,V2,V1)，提供給后續(xù)的COM/SEG波形產(chǎn)生電路。 此部分的實現(xiàn)方式一般分為兩種：電阻分壓和電容分壓。 本設計采用四路1/3偏壓，四路連接方式示意圖如圖3，電阻分壓結構如圖4，即依據(jù)Bias的設置，選擇合適的分壓電阻，產(chǎn)生需要的直流分壓電平。圖3 四路驅動連接示意圖圖4 電阻分壓由上圖可以看出段式LCD的驅動方法基本上和數(shù)碼管是不太一樣的，數(shù)碼管只要給電和選通就亮。但是段式LCD的驅動是靠兩部分組成的： 一部分是：不間斷的電壓脈

28、沖這個電壓脈沖還是被分為好幾個電壓等級了，由于本設計采用的是 1/4 占空比，1/3偏壓，那么就要有四個電壓等級。也就是VCC-2/3VCC- 1/3VCC-GND這幾個電壓等級直接可以用電阻進行分壓得到，然后通過模擬開關和單片機的R03-GND,R13-1/3 VCC ,R23-2/3VCC，R33-VCC，這樣直接連接就可以了。COM0-COM3就這些個電壓等級的輸出管腳。直接連上LCD屏的COM0-COM3就可以了。另一部分是：選通管腳 選通管腳也就是LCD上面的S0-Sn和單片機里面的S0-Sn,直接連的 ，有幾個連幾個，多余的單片機IO 口直接拉出來，做外置IO口用。隨著液晶顯示器件

29、規(guī)模的增大，驅動器的負載隨顯示狀態(tài)的變化而大幅度變化。這就要求把偏壓電路的穩(wěn)定性放在重要的位置上，而電阻分壓電路難以滿足這個要求。運算放大器組成的分壓電路的穩(wěn)定性較為理想。如圖5給出了應用運算放大器高輸入阻抗低輸出阻抗特性而組成的跟隨器式的分壓電路。液晶顯示確定所需的偏壓由運算放大器輸入部分的電阻分壓產(chǎn)生，可以采用高阻值的電阻。驅動器的偏壓輸入則由運算放大器的低阻抗輸出提供，串入的電阻阻值R僅為幾歐姆或幾十歐姆，從而保證了輸出驅動波形的品質。圖5 運算放大器分壓電路（1/3偏壓）由上圖可知：V1=VCCV2=VCC-1/3VLCDV3=VCC-2/3VLCDV4=VCC-VLCD計算器和儀表使

30、用的液晶顯示器件一般都是多位筆段型顯示，有時位數(shù)多達10位以上，因此多用三路驅動或是四路驅動方式。從最佳偏壓法得知，使用1/3偏壓法時，占空比為1/4時才能獲得最佳偏壓，VLC0=VCC；VLC1=VCC-1/3VLCD；VLC2=VCC-2/3VLCD；VLC3=VCC-VLCD。所以如圖6為典型的四路1/3偏壓法的驅動波形。（段電極信號）（背電極信號）（液晶驅動信號）圖6四路1/3偏壓動態(tài)驅動波形3.1.4 交流驅動波形的產(chǎn)生為保證對像素點施加的是交流電，掃描電壓的極性在每一幀都應進行轉換。當然，為實現(xiàn)交流驅動，還可以在每掃描完一行就更改一次極性?？傊?，動態(tài)驅動中為實現(xiàn)交流驅動，必須周期性

31、改變掃描電壓極性，這一點是任何動態(tài)驅動方式中必須采用的。因此本設計采用的是1/3偏壓，直流分壓電平分別是VLCD、V2=2/3VLCD、V3=1/3VLCD、GND，為了實現(xiàn)交流驅動，在在交流驅動波形M的前半掃描周期時，COM driver的選通電平為VLCD，非選電平為V3，SEG driver的選電平為GND，非選電平為V2。而后半掃描周期時，COM driver的選電平為GND，非選電平為V2，SEG driver的選電平為VLCD，非選電平為V3。如此一來就實現(xiàn)了掃描電壓極性的變換，從而產(chǎn)生了交流驅動電場。如圖6COM/SEG驅動波形產(chǎn)生部分(COM/SEG driver)： 此部分的

32、結構示意如圖7： 圖7 COM/SEG驅動波形產(chǎn)生示意圖COM/SEG driver可以看作一組多路選擇開關，COM driver依據(jù)掃描計數(shù)器的值，SEG driver依據(jù)顯示數(shù)據(jù)RAM對應的值，從輸入的直流分壓電平中進行選擇并從相應的COM/SEG引腳加以輸出。這樣從整個LCD掃描周期來講，從COM/SEG引腳上就輸出了驅動LCD Panel所需要的模擬電壓波形如圖6。交流驅動波形產(chǎn)生后，需要根據(jù)需求來從這四種波形中選擇合適的驅動波形來驅動段式液晶顯示器件，所以就需要用到模擬選擇開關，本設計采用了一個3組2路的多路模擬選擇開關CD4053。邏輯圖如圖8CD4053是三組2通道數(shù)字控制模擬開

33、關，有三個獨立的數(shù)字控制輸入端A、B、C和INH輸入，具有低導通阻抗和低的截止漏電流。幅值為4.520V的數(shù)字信號可控制峰-峰值至20V的數(shù)字信號。例如若VDD+5，VSS0，VEE-13.5V，則05V的數(shù)字信號可控制-13.54.5V的模擬信號。這些開關電路在整個VDD-VSS和VDDVEE電源范圍內具有極低的靜態(tài)功耗，與控制信號的邏輯狀態(tài)無關。當INH輸入端“1”時，所有通道截止?？刂戚斎霝楦唠娖綍r，“0”通道被選，反之，“1”通道被選。圖8 CD4053邏輯圖CD4053是一個3組單刀雙擲模擬選擇開關，其使用真值表如表1所示 表1 輸入狀態(tài)接通通道INHCBA0000Cx，bx，ax0

34、001Cx，bx，ay0010Cx，by，ax0011Cx，by，ay0100Cy，bx，ax0101Cy，bx，ay0110Cy，by，ax0111Cy，by，ay1NONE應用時可以通過單片機對A/B/C的控制來選擇輸入哪一路，然后進行相應的處理。 注意第6腳為使能腳，只有為0時，才會有通道被選中輸出 芯片管腳圖： CD4053引腳功能說明引腳號符號功能1 2 3 5 12 13by bx cx cy ay ax輸入/輸出端9 10 11c b a控制端14OUT/IN ax or ay公共輸出/輸入端 ax or ay15OUT/IN bx or by公共輸出/輸入端 bx or by4

35、OUT/IN cx or cy公共輸出/輸入端 cx or cy6INH禁止端7VEE模擬信號接地端8Vss數(shù)字信號接地端16VDD電源+3.2 動態(tài)驅動器3.2.1動態(tài)驅動電路的實現(xiàn)動態(tài)驅動電路可以等效為兩組“開關”電路，如圖9圖9 LCD動態(tài)驅動電路的等效電路一組開關由交流驅動波形M控制，M是一個外來的方波脈沖序列，它實現(xiàn)驅動脈沖正負周期的轉換。在M正周期（高電平）時，選通了選擇電壓或和未選電壓或；在M負周期（低電平）時，M選通了選擇電壓或和未選電壓或。如此交替轉換，在一個周期內液晶像素的電場平均電壓為零。另一組“開關”電路由顯示數(shù)據(jù)控制，顯示數(shù)據(jù)選通了由“開關”電路提供的選擇電壓或未選電

36、壓之一，從而產(chǎn)生驅動電路的輸出波形。顯示數(shù)據(jù)為“1”，驅動輸出為選擇電壓脈沖序列；顯示數(shù)據(jù)為“0”時，驅動輸出為未選電壓脈沖序列。3.3.2動態(tài)驅動器的構成動態(tài)驅動器電路分驅動電路和邏輯電路兩部分。驅動電路部分是由兩組“開關”電路組成的，工作電壓在范圍內（=）,完成液晶驅動功能。邏輯電路部分由鎖存器和移位寄存器為中心的邏輯電路組成，工作電平與TTL兼容。邏輯電路部分完成顯示數(shù)據(jù)的傳輸、保持，以及控制電平的轉換。在驅動器中，移位寄存器用于完成顯示數(shù)據(jù)的傳輸。它可以采用串行輸入和并行輸入兩種方式。該寄存器的并行輸出連接到鎖存器輸入端。鎖存器的輸出功能是將工作電源從邏輯電源轉換成驅動電源。鎖存器的內

37、容將作為驅動電壓的選擇信號直接控制液晶驅動電路的輸出電壓。3.3 單片機ATMEGA8的作用課題設計采用了ATMEGA8單片機，設計需要將SEG的數(shù)據(jù)和時鐘輸入到ATMEGA8中來獲得COM口的掃描信號。SEG信號的數(shù)據(jù)以串行的方式輸入到移位寄存器74LS164中，并在SEG時鐘信號的控制下，以并行的方式輸出到鎖存器74LS373中。課題對SEG設計了16個時鐘，這就意味著一個掃描周期可以傳送16bit的數(shù)據(jù)到鎖存器74LS373中，在通過鎖存器74LS373的輸出端輸出，輸入到模擬選擇開關CD4053中進行選通選擇/非選擇電壓，當顯示數(shù)據(jù)為“1”時，模擬選擇開關選通選擇電壓；當顯示數(shù)據(jù)為“0

38、”時，則選通非選擇電壓。當下一個周期的數(shù)據(jù)傳送到鎖存器時，鎖存器會立即對當前的數(shù)據(jù)進行鎖存，而一旦鎖存，ATMEGA8就會產(chǎn)生一個COM掃描信號，此COM掃描信號又被送入到模擬開關4053與SEG信號類似進行選擇/非選擇電壓的選通，只有當SEG信號和COM信號同時選通選擇電壓時，選擇點才能被點亮。ATMEGA8提供了交流驅動信號M，用來交換選擇/非選擇電壓的極性。在M信號的前半周期COM口的選擇電壓為V1和V3，后半周期COM信號的選擇電壓為V4和V2；對于SEG口而言，在M信號的前半周期，SEG信號的選擇電壓為V4和V2，后半周期SEG信號的選擇電壓為V1和V3，所以當COM信號和SEG信號

39、在同一個點選通選擇電壓后，又在交流驅動信號M的作用下，使得施加在該點的信號變?yōu)榱私涣鞯男盘?，從而驅動該點顯示。第4章 液晶顯示控制器4.1液晶顯示控制器作用及特性液晶顯示驅動系統(tǒng)僅是一個被動系統(tǒng)，僅有驅動系統(tǒng)是不能實現(xiàn)液晶顯示器件顯示的。液晶顯示驅動系統(tǒng)所需的掃描時序和顯示數(shù)據(jù)需要一定的電路提供，這種電路由專用IC組成，稱為LCD控制器，它還有一個作用就是提供液晶顯示系統(tǒng)與計算機的接口?？刂破鹘邮苡嬎銠C的直接操作并可以脫機獨立控制液晶顯示驅動系統(tǒng)，從而解除了計算機在顯示上的煩瑣工作。計算機通過對液晶顯示器件的操控，實現(xiàn)了對液晶顯示掃描時序的設置和顯示數(shù)據(jù)的寫入，從而完成對液晶顯示器件的操控。作

40、為液晶顯示控制器應具備一下幾個特征：（1） 應具備簡捷的計算機接口（一般是總線形式）。（2） 應具備一套完整的邏輯控制電路和時序發(fā)生器，可實現(xiàn)對各種顯示功能的控制。（3） 應具備管理顯示緩沖區(qū)的能力。計算機通過控制器訪問顯示緩沖區(qū)，控制器自行管理顯示緩沖區(qū)。（4） 應具備液晶顯示驅動器工作所必需的掃描時序信號的生成以及發(fā)送能力和顯示數(shù)據(jù)的傳輸能力。（5） 應具備功能齊全的控制指令集，可以容易地進行編程。綜合上述五條特征，可以把控制器的特性簡稱為“三部一集”，即接口部、控制部、驅動部和指令集。雖然液晶顯示驅動控制器與驅動集成為一體，簡化了液晶顯示系統(tǒng)的控制驅動電路，操作簡便，但是顯示功能和顯示規(guī)

41、模都受到了限制，控制能力局限于小規(guī)模的液晶顯示模塊。液晶顯示控制器將驅動器和顯示存儲器置于片外，增加了顯示存儲器的容量，在片內增加了液晶顯示的控制功能，從而可以控制中、大規(guī)模的液晶顯示模塊，控制功能也更強。液晶顯示控制器原理框圖如圖10所示。圖10 液晶顯示控制器原理框圖4.1.1 設計特性（1） 接口部液晶顯示控制器的接口部由指令寄存器/譯碼器、數(shù)據(jù)緩沖器和狀態(tài)字寄存器，以及相關邏輯電路組成。它用來接收計算機發(fā)來的指令和數(shù)據(jù)，并向計算機反饋所需的數(shù)據(jù)信息。接口部分包括兩個通道：指令通道和數(shù)據(jù)通道。指令通道即指令寄存器，用來接收并存儲計算機發(fā)來的指令代碼，通過譯碼器將該代碼解譯成邏輯信號，實現(xiàn)

42、控制/設置功能，它還可以作為參數(shù)寄存器的地址，選通相應的參數(shù)寄存器；數(shù)據(jù)通道即數(shù)據(jù)緩沖器，它由數(shù)據(jù)輸入寄存器和輸出寄存器組成，數(shù)據(jù)輸入寄存器用來接收計算機發(fā)來的指令參數(shù)和數(shù)據(jù)顯示，數(shù)據(jù)輸出寄存器用來將顯示存儲器的數(shù)據(jù)和可讀參數(shù)寄存器的數(shù)據(jù)送到計算機的數(shù)據(jù)總線上，供計算機讀取。兩個通道的選擇由RS端電平控制。液晶顯示控制器D0D7為三態(tài)數(shù)據(jù)，可以直接掛在計算機的數(shù)據(jù)總線上。液晶顯示控制器的選通由片選信號控制，當=“1”時，數(shù)據(jù)線為高阻態(tài)；當=“0”時，數(shù)據(jù)線打開。大多數(shù)液晶顯示控制器可以適配計算機兩種時序的操作，在接口部它給出相應的操作信號輸入端。一種為Intel8080操作時序，接口部提供了讀

43、操作信號/RD和寫操作信號/WR，操作時序如圖11（a）所示；另一種為M6800操作時序，接口部提供了讀/寫選擇信號R/W和操作使能信號E，操作時序如圖11（b）所示。（a）Intel8080操作時序（b）M6800操作時序圖11 計算機的兩種操作時序從圖中可以看出，Intel8080操作時序的讀、寫操作在負脈沖的上升沿作用。而對于M6800的操作時序，讀操作在使能信號E的上升沿進行，寫操作在使能信E號的下降沿進行。讀/寫選擇信號有效時間要寬于使能信號E，可以與地址線有效時間相等。液晶顯示控制器有自己的工作時鐘，不需要依附計算機的系統(tǒng)時鐘，這樣液晶顯示控制器掛在計算機總線上就存在一個“握手”問

44、題。液晶顯示控制器在接口部設置了狀態(tài)字寄存器，主要狀態(tài)位是“忙”標志，表示當前液晶顯示控制器的工作狀態(tài)。當為“忙”時，液晶顯示控制器正在處理計算機發(fā)送來的指令和數(shù)據(jù)，此時接口部被禁止接受計算機發(fā)來的任何數(shù)據(jù)；當不為“忙”時，表明液晶顯示控制器已經(jīng)準備好接受計算機的操作，接口部開放，隨時準備接受計算機的操作。接口部實際上起著計算機與液晶顯示控制器內部兩種工作時鐘的轉換與緩沖。（2）驅動部特性驅動部分是液晶顯示控制器對液晶顯示驅動系統(tǒng)的接口。時序發(fā)生器產(chǎn)生基礎時鐘提供給予顯示時鐘電路，顯示時鐘電路產(chǎn)生顯示時鐘脈沖序列提供給驅動部分。這些時序作為控制脈沖向液晶顯示驅動系統(tǒng)輸出，也作為顯示數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐?/p>

45、步信號控制數(shù)據(jù)傳輸通道。驅動信號有：FLM幀信號；CP數(shù)據(jù)移位脈沖信號；LP數(shù)據(jù)鎖存脈沖信號；M交流驅動波形信號。驅動部的工作流程如下：將第一行的顯示數(shù)據(jù)經(jīng)并/串轉換電路轉換成一定的傳輸格式輸出給顯示數(shù)據(jù)驅動輸出端，在數(shù)據(jù)移位脈沖信號CP的作用下，將顯示數(shù)據(jù)傳輸給液晶顯示驅動系統(tǒng)的列驅動器，在第一行顯示數(shù)據(jù)傳輸完成后，幀信號FLM置高電平，驅動部輸出數(shù)據(jù)鎖存脈沖LP將顯示數(shù)據(jù)鎖存到列驅動器的鎖存器中，同時將FLM信號移入驅動系統(tǒng)的行驅動器，從而實現(xiàn)第一行的顯示操作。在顯示第一行的同時，第二行的顯示數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)移位脈沖信號CP的作用下傳輸給液晶顯示驅動系統(tǒng)。在第二行顯示數(shù)據(jù)傳輸完成后，幀信號FLM

46、置低電平，驅動部輸出數(shù)據(jù)鎖存脈沖信號LP將顯示數(shù)據(jù)鎖存到驅動器的鎖存器中，同時將FLM信號移入驅動系統(tǒng)的行驅動器，并且行驅動器內的數(shù)據(jù)也同時移位一次，從而實現(xiàn)第二行的顯示操作。循環(huán)步驟（2），完成一幀所有行的顯示操作。重復步驟（1）、（2），完成下一幀的顯示操作。（3）控制部特性液晶顯示控制器的控制部分是液晶顯示控制器的核心。它通過OSC1和OSC2兩端接入晶體振蕩器或振蕩因子使振蕩器產(chǎn)生工作時鐘，該時鐘脈沖直接提供給時序發(fā)生器以生成控制時序和顯示時序?？刂茣r序將控制驅動邏輯電路以管理和操作各功能電路。它負責顯示存儲器的管理與操作；負責字符發(fā)生器的操作；負責將參數(shù)寄存器的內容轉換成相應的顯示功

47、能邏輯；負責將顯示數(shù)據(jù)和指令參數(shù)傳輸?shù)轿?。顯示時序電路生成液晶顯示系統(tǒng)所需的驅動時序脈沖序列，并且實現(xiàn)顯示數(shù)據(jù)向液晶顯示驅動系統(tǒng)的傳送?？刂撇坎倏v著顯示功能，還控制著光標發(fā)生器的工作。（4）指令集液晶顯示控制器具有一套專用指令系統(tǒng)?？刂破魍ㄟ^對指令代碼的識別和譯碼來完成對內部邏輯電路的設置和對參數(shù)寄存器的設置。計算機通過向液晶顯示控制器寫入指令及其參數(shù)來實現(xiàn)對顯示效果的控制。液晶顯示控制器的指令系統(tǒng)一般分為以下三類。工作方式設置類：此類指令實現(xiàn)控制器的工作方式設置和顯示存儲器的劃分等。這類指令通常在對控制器初始化時設置。顯示方式設置類：此類指令為顯示狀態(tài)、顯示方式、顯示合成方式和光標顯示設置等

48、，可以根據(jù)需要隨時設置。數(shù)據(jù)操作類：此類指令包括顯示存儲器地址指針的設置、地址指針修改規(guī)劃的設置和讀/寫顯示數(shù)據(jù)的操作指令等。4.2 液晶顯示控制器的應用一般來講，使用液晶顯示器件來顯示信息，需要液晶材料、相應的驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三者的有機結合。對于中小規(guī)模的液晶顯示器件，通常采用在驅動器直接驅動液晶顯示器件的基礎上，增加片內控制器，形成有控制器的液晶顯示模塊，稱其為內置控制器的液晶顯示模塊。另外，為提高控制能力，增加顯示功能和顯示規(guī)模，又可以將控制器和顯示存儲器置于片外，在片內僅保留驅動系統(tǒng)，形成外配控制器的液晶顯示模塊。對使用者來講不管何種液晶顯示模塊都可以把它作為一個獨立的外設或I/O設

49、備來使用，因此，對液晶顯示模塊的操作問題，都可以簡化為液晶顯示模塊的控制器接口的操作使用問題，即信息顯示的問題集中在計算機對液晶顯示控制器的接口如何傳送信息、傳送數(shù)據(jù)及接收信息等問題上。液晶顯示模塊的控制器通常是一種專門的IC芯片，都提供了便于和計算機相連接的I/O接口。這樣計算機通過對液晶顯示控制器的操作，實現(xiàn)了對液晶顯示掃描時序的設備、顯示數(shù)據(jù)的寫入等參數(shù)設置，之后控制器便可以獨立控制液晶顯示驅動系統(tǒng)，從而避免了計算機在顯示上的繁鎖工作，完成了對液晶顯示器件的操作。微處理器與液晶顯示模塊的控制接口有兩種方式：直接訪問方式和間接訪問方式。間接控制方式接口時序由微處理器對控制信號的軟件編程來實現(xiàn)。軟件編程在對控制信號設置的先后順序上體現(xiàn)了液晶顯示控制器所適配的操作時序。間接訪問方式接口電路簡單，時序由軟件實現(xiàn)，所以不管微處理器本身運算速度高低，都可以方便的利用這種方式連接各種液晶顯示控制器以實現(xiàn)對液晶顯示模塊的操作。第5章 仿真本章將以ATMEGA8集成電路以間接控制方式的電路圖為例，介紹段式式液晶顯示模