基于单片机直接驱动段式LCD的驱动模块设计

王月

0 引言

段式 LCD大量应用于各类需要进行简单信息显示的电子类产品中，大多数产品中都采用专用的段式LCD驱动IC，这类驱动IC可在市场上购得，或由专业IC厂家定制。对某些特定外形和尺寸受限的产品来说，市场上购得的IC尺寸受限于产品的尺寸，难以使用，由专业IC厂家定制又受限于产品的生产数量和成本而不能实现。因此，如能用单片机和简单附加电路直接驱动段式LCD是一种较好的选择。笔者在研发某产品时，面临了这样的问题。经分析研究了关于段式 LCD显示技术及 LCD显示的一般原理后，结合ATmega8_L单片机的特点，提出并实现了一种新的直接动态驱动段式LCD的驱动模块。

1 液晶显示器的基本知识

液晶显示器件是利用液晶的各种电光效应，把液晶对电场、磁场、光线和温度等外界条件的变化在一定条件下转换为可视信号而制成的显示器。液晶显示器具有低电压、低功耗、适合于便携式显示的特点。显示体本身不发光，靠调制外界光来实现的，不刺激眼睛，不易疲劳等优点。随着液晶显示技术的新发展，液晶显示几乎应用于所有涉及显示的场所。

1.1 液晶显示技术

LCD技术[1]是在两片玻璃基板上装有配向膜，把液晶灌入两个有细槽的平面之间，液晶会沿着沟槽配向，由于玻璃基板配向膜沟槽偏离90度，所以液晶分子成为扭转型，由于光线顺着分子的排列方向传播，当玻璃基板没有加入电场时，光线透过偏光板跟着液晶做90度扭转，通过下方偏光板，液晶面板显示白色；当玻璃基板加入电场时，液晶分子产生配列变化，光线通过液晶分子空隙维持原方向，被下方偏光板遮蔽，光线被吸收无法透出，液晶面板显示黑色。液晶显示器就是根据此达到显示效果的。

液晶显示模块是一种将液晶显示器件、连接件、PCB线路板、液晶显示控制器、行列驱动控制器、负压发生器、偏置电路、温度补偿电路、背光源、背光源驱动控制电路、结构件等装配在一起的组件。以驱动液晶显示器显示字符，数字及图形等信息。

1.2 液晶显示驱动方法

在外加电场的作用下具有偶极矩的液晶棒状分子在排列状态上发生变化，使得通过液晶显示器件的光被调制，从而呈现明与暗或透过与不透过的显示效果。液晶显示器件中的每个显示像素都可以单独被电场控制，液晶显示驱动功能就是建立这种控制电场。

液晶的显示效果是在显示像素上施加了电场，该电场由显示像素前后两电极上的电位信号差所产生。若施加直流电场，也可达到希望的显示效果[2]。但直流电场将导致液晶材料的化学反应和电极老化，从而迅速降低液晶材料的寿命，因此必须用交流驱动电场，并要求这个交流电场中的直流分量越小越好，一般小于50mV。

1.2.1 静态驱动

静态驱动主要用于位数很少(12位以下)的数字显示或固定文字(图形)显示。在数字显示时常采用笔段电极结构。每位数由一个“8”字形公共电极和构成“8”字形图案的笔段形电极组成，分别设置在两块基板上。根据显示数字的位数，可在两基板上形成相应数量的电极组，每组电极可显示0-9的任意数字。这种数字显示方式广泛用于手表、计算器以及计测仪器等。静态驱动就是在所显示数字的各笔段电极和共用电极之间，同时而连续地施加上驱动电压，直到显示时间结束。由于在显示时间内驱动电压一直保持，故称作静态驱动。要实现静态驱动，各段形电极和公电极必须设置各自独立的驱动电路。

静态驱动时，各电极的驱动相互独立，互不影响，在显示期间，驱动电压一直保持，使液晶充分驱动。具有对比度好，亮度高，响应快等优点。但静态驱动的缺点是每个段形电极需要一个控制元件，一旦显示数字的位数相对较多时，相应的驱动元件数和引线端子数就太多，其应用受到限制，只适合于位数较少的笔段电极显示。

1.2.2 动态驱动

液晶显示的动态驱动是逐行扫描行电极，同时输出各列电极在该行上的像素显示信息，实现对某行所有显示像素的驱动，也称多路寻址驱动法。所有行组成一帧，在一帧扫描周期中，每行所占的时间是均等的。设一帧的扫描行数为N，扫描一帧的时间为1，则1/N为占空比系数。同等电压下，扫描行数的增多将使占空比下降，引起液晶像素上的交流电场电压的有效值下降，降低了显示质量，为了保证显示质量，需要适当提高驱动电压或采用双屏电极排布结构以提高占空比系数。

2 动态段式LCD显示对驱动信号的要求

段式LCD用于显示段形数字或固定形状的符号，广泛用作计数、计时、状态指示等。普遍使用的控制驱动器件是Holtek的HT1621，它内含与LCD显示点一一对应的显存、振荡电路，低压低功耗，4线串行MCU连接，8条控制/传输指令，可进行32段×4行=128点控制显示，显示对比度可外部调整，可编程选择偏压、占空比等驱动性能。

由于LCD的电化学特性，LCD的驱动一般采用交流驱动，如图1所示：

图1 基本LCD驱动电路和工作波形示意图

基本的LCD驱动电路和工作波形。图中VA为背极信号，VC为段极信号。从中可以看出，当LCD两极间电压为零时，不显示；而当LCD两端为交替变化的电压时，LCD显示。动态驱动方式是用矩阵驱动法来驱动字段的显示，字段引线相当于列引线，公共背极引线相当于行引线，每一字段相当于矩阵的一个点，选通点在交流驱动信号的控制下显示。非选通点与半选通点则会由于液晶所具有的电容特性而产生交叉显示效应，使清晰度下降，一般是在非选通点与半选通点上加低于LCD显示阈值的电压信号，以消除交叉效应的影响，如1/2 BIAS偏压法。

3 段式LCD的单片机直接动态驱动电路设计

3.1 驱动电路的设计

用单片机直接动态驱动 LCD的驱动电路应能产生偏置电压输出[3]，其驱动信号的电压幅度不能超过 LCD显示器限定的工作电压，并且应是交流驱动信号，而单片机只能输出直流信号，或脉冲信号。这里需要解决偏置电压输出和交流驱动信号输出的问题，前者相对较易，后者需要由驱动电路和程序相配合来实现，要求驱动电路要简单，控制程序不应复杂，如图2所示：

图2 基于Atmega8_L的LCD的动态驱动电路

基于Atmega8_L的直接驱动LCD的动态驱动电路。本动态驱动电路设计采用Atmel公司的Atmega8_L单片机来设计，利用了它的I/O口可进行输入与输出配置的特性，使图2 所示的LCD动态驱动电路成为可能。一般并行I/O口可进行输入与输出配置的单片机都可采用此驱动电路。该电路结构简单，所用电子元器件很少，易于小型化实现。

该电路中的背极控制信号由 PC0、PC1、PC2控制产生，当配置PC0、PC1、PC2为输入方式时，由这3支电阻与二极管串联电路产生偏置电压以消除交叉显示效应的影响，使显示信息清晰。由于LCD的段极信号由其它输出端口提供，为使背极控制信号的高电平与段极信号的高电平水平基本一致，故用PC3、PC4、PC5提供背极控制信号高电平，同一片单片机上的I/O端口的输出高电平水平基本是一致，这样也使 1/2 BIAS 偏置电压易于获得。D1、D2、D3这3支二极管是为产生交流驱动信号提供的硬件保障，这也是本动态驱动电路的独创之处，可使背极控制信号获得低电平、1/2 高电平、高电平。

3.2 交流驱动信号的产生

交流驱动信号产生的方法是在输出一个背极选择信号与对应的段极信号后，适当延时，再将该背极选择信号与对应的段极信号都取反后输出，使背极与段极得到几乎幅度完全相等的正脉冲与负脉冲，从而使其直流分量几乎为零，完全满足了LCD对交流驱动信号的要求。利用D1、D2、D3的单向导电性可从PC0、PC1、PC2输出低电平，而不影响PC3、PC4、PC5输出高电平。

3.3 SNJ13型段式LCD

笔者在研发产品时，选择了北京博研佳信电子科技发展有限公司的SNJ13型段式LCD，图3是其引脚分布图，如图3所示：

图3 引脚分布图

其引脚配置表，如表1所示：

表1 引脚配置表

这是一个4位、3个背极（COM1、COM2、COM3）、33个段极的小尺寸LCD。工作电压3V，扫描频率75HZ，驱动方式为1/3 Duty，1/2 Bias，TN型的液晶显示技术，在电子产品中所用的液晶显示器，几乎都是用扭转式向列场效应原理所制成的。

4 驱动模块硬件与软件的设计

4.1 驱动模块硬件的设计

驱动模块硬件电路设计遵循一般 LCD驱动模块硬件设计的做法，提供串行数据通信功能，选用 Atmel公司的Atmega8_L单片机作为控制器。基于Atmega8_L单片机的段式LCD驱动模块硬件电路图，图中JP1为Atmega8的串行下载接口。串行数据通信引脚分配：PB0为数据，PD3为时钟，如图4所示：

图4 段式LCD驱动模块硬件电路图

4.2 驱动模块程序的设计

4.2.1 产生交流驱动信号的软件算法

驱动软件根据SNJ13型段式LCD的技术参数和要求并结合本动态驱动电路的特性来设计。根据引脚配置表，构建了一个三段式段极控制信号字库，显示 8段字形及“：”（P4段极），动态驱动软件算法如下：

（1）背极之一为输出配置，且输出低电平。

（2）其余两背极输入配置，获得1/2 BIAS。

（3）输出段极控制信号，并适当延时。

（4）背极输出高电平，段极控制信号取反后输出。

（5）与（3）做同样时长的延时。

（6）三背极是否都扫描一遍，若是转至（8）。否则转至（7）。

（7）轮换另一背极，转至（1）。

（8）返回。

以下是一个背极的扫描控制程序：

4.2.2 背极与段极电压波形

背极与段极电压波形示意图，如图5所示：

图5背极与段极电压波形示意图

图中COM1、COM2、COM3的高电平与负高电平期间分别表示3个背极信号与段极信号的电压波形。以COM1的高电平与负高电平期间 t1及 t2为例，t1期间背极信号COM1（PC0）输出高电平，待显示的段极信号输出低电平，显示相应信息；t2期间背极信号COM1（PC0）输出低电平，待显示的段极信号输出高电平，显示 t1期间相同的信息。在t1期间，半选择段极与背极信号COM1的高电平几乎相等，电位差几乎为零，不显示。非选择段极的高电平与背极信号COM1和COM2（PC1与PC2配置为输入）的1/2高电平的电位差近似为1/2高电平。在t2期间，半选择段极与背极信号 COM1的低电平几乎相等，电位差几乎为零，不显示。非选择段极的低电平与背极信号 COM1和COM2（PC1与PC2配置为输入）的1/2高电平的电位差近似为负1/2高电平。因此，在t1与t2期间，半选择段极和非选择段极与相应背极之间的电位差平均值为零。t2与t3分别是背极信号COM2（PC1）与COM3（PC2）的工作期间。

4.3 串行通信协议与软件

4.3.1 串行通信协议

串行通信协议规定了驱动模块与其它单片机之间的数据传输约定，由于驱动模块仅接收其它单片机要显示的信息，故定义5个字节。第一个至第四个字节为要显示的四位信息，第五个字节为要显示的点形段极位置信息，1、2、3、4分别表示要显示P1、P2、P3、P4点形段形（见图3）。

4.3.2 串行数据接收

采用中断方式接收其它单片机发来的显示信息。以下是中断接收程序，显示程序略。

5 结论

本文基于单片机直接驱动段式 LCD的驱动模块具有一般性，驱动电路结构简单有效，以串行通信的方式接收其它单片机的显示信息，软件与硬件相结合的动态驱动设计效果尚佳，显示性能和品质令人满意。该驱动模块适用于需计数、计时、状态提示等LCD显示的电子类产品中。

[1]孙俊喜，LCD驱动电路、驱动程序设计及典型应用[M]，北京，人民邮电出版社，2009

[2]薛旭，浅谈一种基于Atmega48段式液晶显示器的驱动方法[J]，山西，太原科技，2007

[3]佟长福，AVR单片机GCC程序设计[M]，北京，北京航空航天大学出版社，2006