基于分立元件的段式液晶显示驱动控制系统的设计毕业论文Word下载.docx
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基于分立元件的段式液晶显示驱动控制系统的设计毕业论文Word下载.docx
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建立性能优良、价格低廉的既能显示字符也能显示汉字和图形、图表、曲线等的显示器一直是工程技术人员所关注的问题。
LCD液晶显示器能胜任上述要求,且有工作电压低、功耗小、驱动简单、高可靠性、寿命长、性能稳定等优点,其发展前景极为广阔。
自从液晶显示器件发明后,液晶显示器件的写入、驱动方案也立即被提了出来。
虽然液晶显示器件几经更新,但是一些最初的方案,例如驱动TN型液晶显示器件的方法,至今仍然被普遍采用。
不过,由于液晶显示技术发展很快,新型原理和结构的器件不断涌现,因此写入和驱动方案也在不断增加,根据不同的实际情况设计适当的驱动控制系统是很有必要的。
段式液晶作为液晶显示产业中一种低端的产品,为何没有被淘汰,反而在许多场合得到广泛应用,甚至在一些场合中的地位是无可替代的?
段式LCD,就如计算器、电子表、数字万用表等显示用的LCD,显示类型与数码管类似,靠7个字段拼凑生成数字显示。
一般只能显示0~9,A~F16种字符。
段式液晶之所以在液晶显示领域有它独特的一席之地正是因为这种LCD驱动简单,耗电量小,在仅需要显示数字的场合应用较多,也用来在便携式应用的场合来代替数码管。
广泛应用于数码相机、时钟、电话机、游戏机、计算器、日历、遥控器、仪器仪表和音响等产品上。
因此本设计将针对段式液晶显示设计驱动控制系统。
1.2.1段式液晶显示器件的优点及其应用
信息显示技术随着信息社会的发展而变得越来越重要,在信息显示技术中,段式液晶显示器件与其他类型的显示器相比较有如下优点:
(1)平面型显示,体积小,重量轻,便于携带,平板型结构便于大批量生产、自动化生产;
(2)驱动电压低,微功耗:
极低的工作电压,只要2~3
即可工作,而工作电流仅几微安,这是其他任何显示器件无法比拟的。
在工作电压和功耗上液晶显示正好与大规模集成电路的发展相适应;
(3)工作寿命长,液晶材料是有机高分子合成材料,具有极高纯度,液晶的驱动电压很低,驱动电流更是微乎其微,因此劣化几乎没有,寿命可在5万小时以上;
(4)不含有害射线,液晶显示器件使用时不会产生软X射线及电磁波辐射,对长期在液晶显示器件周围工作的人体健康无危害;
(5)被动显示,段式液晶显示器件本身不能发光,它靠调制外界光达到显示目的,更适合于人眼视觉,不易引起疲劳,这个优点在大信息量、高密度、快速变换、长时间观察显示尤为重要。
被动显示不易被强光冲刷,外界光越强则显示越清晰,可以在明亮的环境下显示;
(6)易于驱动,能用大规模集成电路直接驱动,电路接口简单;
(7)结构简单,没有复杂的机械部分等。
由于以上种种优势段式液晶被应用于如以下领域:
*仪器、仪表:
煤气表、水表、公交系统、加油机计数
*显示屏办公设备:
传真机、打卡机、考勤机、门禁系统
*通讯设备:
各种IC卡电话、网络电话、IP电话
*银行系统:
POS机
*税务系统:
税控机
*医疗设备:
生理监护仪及各类保健器械
*工控设备:
自动化控制
*各种人机界面,手持设备等
段式液晶显示器件是一种高新技术的基础元器件,虽然其应用已很广泛,但对很多人来说,使用、装配时仍感到困难。
特殊的连接方式和所需的专用设备也非人人了解和具备,故此段式液晶显示器件的用户希望有人代劳,将液晶显示器件与控制、驱动集成电路装在一起,形成一个功能部件,用户只需用传统工艺即可将其装配成一个整机系统。
本文通过介绍段式液晶显示模块的结构和显示、驱动原理。
1.3本文的主要工作
本文的任务是针对一些常用段式液晶显示模块的典型代表系列设计其与单片机的接口电路和驱动程序。
本文的主要工作如下:
(1)在方案论证的基础上,确定整体设计方案和设备选型。
(2)基于一些常用段式液晶显示模块的典型代表系列设计其与单片机的接口电路和驱动程序。
(3)选取上述各系列的内置式驱动控制器设计流程图、应用程序。
(4)针对所选取的液晶显示模块和驱动控制器设计接口电路、驱动程序、流程图、应用程序,并提供较为详细使用说明清单。
(5)软件设计清单。
(6)进行硬件、软件调试,并对调试结果进行分析。
必要的技术分析和说明,并对设计结果进行分析。
第2章段式液晶显示基本原理及应用基础
2.1段式液晶显示基本知识
段式液晶显示器(LCD/LiquidCrystalDisplay)的显像原理是将液晶置于两片导电玻璃之间,靠两个电极间电场的驱动引起液晶分子扭曲向列的电场效应,以控制光源透射或遮蔽功能,在电源开关之间产生明暗而将影像显示出来,若加上彩色滤光片,则可显示彩色影像。
段式液晶的物理特性是:
当通电时导通,排列变的有秩序,使光线容易通过;
不通电时排列混乱,阻止光线通过。
让液晶如闸门般地阻隔或让光线穿透。
从技术上简单地说,液晶面板包含了两片相当精致的无钠玻璃素材,称为Substrates,中间夹着一层液晶。
当光束通过这层液晶时,液晶本身会排排站立或扭转呈不规则状,因而阻隔或使光束顺利通过。
大多数液晶都属于有机复合物,由长棒状的分子构成。
在自然状态下,这些棒状分子的长轴大致平行。
将液晶倒入一个经精良加工的开槽平面,液晶分子会顺着槽排列,所以假如那些槽非常平行,则各分子也是完全平行的。
2.2段式液晶显示原理
LCD技术是把液晶灌入两个列有细槽的平面之间。
这两个平面上的槽互相(相交成90度)。
也就是说,若一个平面上的分子南北向排列,则另一平面上的分子东西向排列,而位于两个平面之间的分子被强迫进入一种90度扭转的状态。
由于光线顺着分子的排列方向传播,所以光线经过液晶时也被扭转90度。
但当液晶上加一个电压时,分子便会重新垂直排列,使光线能直射出去,而不发生任何扭转。
段式LCD是依赖极化滤光器(片)和光线本身。
自然光线是朝四面八方随机发散的。
极化滤光器实际是一系列越来越细的平行线。
这些线形成一张网,阻断不与这些线平行的所有光线。
极化滤光器的线正好与第一个垂直,所以能完全阻断那些已经极化的光线。
只有两个滤光器的线完全平行,或者光线本身已扭转到与第二个极化滤光器相匹配,光线才得以穿透。
段式液晶显示原理是在两片玻璃基板上装有配向膜,所以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,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。
液晶显示器便是根据此电压有无,使面板达到显示效果。
利用液晶的各种光电效应,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成为可视信号就可以制成显示器,这就是段式液晶显示器件。
2.3段式液晶显示驱动原理
从电子学角度简述液晶显示器件的显示原理为:
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,不同的显示像素按照驱动信号的“指挥”在显示屏上合成各种字符,数字及图形。
液晶显示驱动功能就是建立这种电场。
段式液晶的显示效果是由于在显示像素上施加了电场的缘故,而这个电场则由显示像素前后两电极上的电位信号差所产生。
在显示像素上建立直流电池是非常容易的事,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,因此必须建立交流驱动电场,并要求在这个交流电场中的直流分量越小越好,通常要求直流分量小于50mV。
由此要求液晶显示驱动器的驱动输出必须是交流驱动。
现在液晶显示驱动器是全数字化集成电路,所以这种交流驱动是以脉冲电压形式产生的。
液晶显示像素上交流电场的强弱用交流电场的有效值表示,当有效值大于液晶的阈值电压时,像素产生电光效应,呈显示状态;
当有效值在阀值电压附近时,液晶将呈现较弱的电光效应,此态将会影响液晶显示器件的显示对比度。
因此液晶显示驱动器要能够控制驱动输出的电压幅值,以实现对显示对比度的控制。
液晶显示驱动器通过对其输出到液晶显示器件电极上的电位信号进行相位、峰值、频率等参的调制来建立交流驱动电场,以实现液晶显示器件的显示效果。
液晶显示的驱动方式有许多,常用于液晶显示器件上的驱动方法有静态驱动和动态驱动两种。
2.3.1静态驱动方法简述
静态驱动(StaticDrive)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。
静态驱动的特点及缺点:
静态驱动有这样两个特点:
(1)各电极的驱动相互独立,互不影响;
(2)在显示期间,驱动电压一直保持,使液晶充分驱动。
因为静态驱动与下面介绍的时间分割驱动相比,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很多时,相应的驱动元件数和引线端子数太多,因而他的应用受到限制,只适合于位数很少的笔段电极显示。
2.3.2动态驱动方法简介
本设计中段式液晶显示采用的就是动态驱动的方法。
当液晶显示器件上显示像素众多时,如点阵型液晶显示器件,若使用静态驱动结构将会产生众多的引脚以及庞大的硬件驱动电路,这是不易实施的。
为了解决这个问题,在液晶显示器件电极的制作与排布上做了加工,实施了矩阵型结构,即把水平一组显示像素的背电极连在一起引出,称之为行电极,又称公共极,用COM符号表示;
把纵向一组显示像素的段电极连在一起引出,称之为段电极,又称列电极,用SEG或COL符号表示。
每个液晶显示像素都由其所在的行与列的位置唯一确定。
在驱动方式上采用了类同于CRT的光栅逐行扫描方法,叫做动态驱动法,或称为多路寻址驱动法。
本设计的段式液晶显示驱动控制系统即采用了此种动态驱动法。
第3章段式液晶的驱动设计
3.1段式液晶的动态驱动原理
段式液晶显示采用的是动态驱动法。
动态驱动法是循环地给每行电极施加选择脉冲,同时所有列电极给出该行像素的选择或非选择的驱动脉冲,从而实现某行所有显示像素的驱动。
这种行扫描是逐行顺序进行的,循环周很短,使得液晶显示屏上呈现稳定的图像效果。
我们把液晶显示的扫描驱动方式称为动态驱动法。
动态驱动法对像素的扫描采用的是一种分时的操作方式。
就寻址像素而言,每次寻址一行上的多个像素,所以也可称多路寻址驱动法。
它适用于较多的段电极和矩阵电极结构的驱动。
动态驱动法是最常用,也是最能挖掘液晶显示器件显示功能的驱动方式。
它不仅可以大大减少液晶显示器件外引线,也可以大大减少外围驱动电路的成本。
与光栅扫描相对应,完成一次全部行扫描称为一帧。
在一帧中每一行的选择时间是均等的。
假设一帧的扫描行数为N,扫描一帧的时间为1,那么一行所占有的选择时间为1/N,该值被称为占空比系数。
在同等电压下,扫描行数的增多将使占空比下降,从而引起液晶像素上的变电场电压的有效值下降,降低了显示质量。
因此随着显示像素的增多,为了保证显示质量,就需要适度地提高驱动电压以提高电场的电压有效值或采用双屏电极排布结构以提高占空比系数。
3.1.1段式LCD驱动器电源
液晶驱动波形是由若干档直流电平组合而成的模拟波形,各档直流电平的比例关系反映驱动波形的Bias比例关系,各档电平的具体幅值取决于LCDPanel的液晶特性和Duty数的多少。
图1为LCD驱动电源部分的示意图:
图1LCD驱动电源部分的示意图
电源调整器部分(PowerRegulator):
产生LCD驱动所需的最高直流电平,一般分为三种:
a)LCD驱动所需的最高直流电平等于外部输入电源VDD的,此部分就直接将VDD输入至后续电路;
b)LCD驱动所需的最高直流电平大于外部输入电源VDD,且不需要稳压输出的,如固定等于1.5VDD或2.0VDD,此部分通常做法是将外部输入电源VDD通过升压电路(pump)升至所需的电压,输入至后续电路;
c)LCD驱动所需的最高直流电平大于外部输入电源VDD,且需要稳压输出的,即驱动所需的最高直流电平不随VDD的变化而变化的,如要求VDD=2.4~5.5V全电压范围里,VLCD的输出电压都保持不变,此部分通常做法是首先产生一个误差范围符合要求的电压基准源,然后将此电压基准源比例放大至所需的电压,同时外部输入电源VDD通过升压电路(pump)升至一定的电压,如2VDD,作为比例放大部分的电源。
如图2:
图2电源调整器部分结构示意图
对比度/亮度调整部分(ContrastAdjustment):
通过对比度/亮度控制寄存器,调节输出的LCD驱动电压。
设置此部分的目的有三个:
(a)同一颗单片机适配的LCDPanel的选择余地较大,LCDpanel的工作电压(额定电压)处于LCD驱动器输出的最高电压和最低电压之间即可;
(b)可以有效的消除LCDPanel在制作过程中工作电压的偏移;
(c)有些产品的LCDdriver无电源调整电路,其LCD输出的最高电压(VLCD)与外部输入电源跟随变化。
在实际产品中,特别是使用电池作为电源的应用场合,外部输入电源随着使用时间的加长会慢慢降低,LCD输出的电压和LCDPanel的对比度也会随之降低,这时保持LCDPanel的对比度不变,就可以通过调节对比度/亮度控制寄存器进行调节。
3.1.2平均电压法
在动态驱动方式下,某一液晶像素(选择点)呈显示效果是由施加在行电极上的选择电压与施加在列电极上的选择电压的合成来实现的。
与该像素不在同一行和同一列的像素(非选点)都处在非选状态下,与该像素在同一行或同一列的像素均有选择电压加入,称之为半选择点。
该点的电场电压处于液晶的阀值电压附近时,屏上将出现不应有的半显示现象,使得显示对比度下降,这种现象叫做“交叉效应”。
在动态驱动方法中解决“交叉效应”的方法是平均电压法。
平均电压法的基本原理是:
把半选择点上的电压和非选择点上的电压平均化,适度提高非选择点的电压来抵消半选择点上的部分电压,从而扩大选择点与半选择点的电压差距,以提高对比度,同时使非选择点与半选择点的显示更均匀一致,即把液晶的驱动电压等分成若干挡,如a挡。
适当地提高非选择点的电压,如1/a倍差于选择电压,从而降低半选点上两电极的电压差,这种方法称谓偏压法。
选择点电压与非选择点电压之比等于a,我们称之为偏压比,称此种方法为1/a偏压平均法。
动态驱动法加入了偏压法使其更加完美,段式液晶显示在进行动态驱动时都要使用平均电压法原理进行设计,它广泛应用于点阵型液晶显示器件和多路结构液晶显示器件的驱动上。
当扫描行数N=1时,动态驱动就等于静态驱动。
由于静态驱动没有交叉效应,所以也就没有偏压法的介入。
当扫描行数N确定后,需要选择最合适的偏置电压。
3.1.3最佳偏压法
液晶显示器件是由于像素电极间液晶分子受电场作用发生弹性形变而改变初始排列,从而实现显示的。
虽然液晶响应可能会比驱动脉冲宽得多,但只要驱动电压的有效值足够大,液晶就可以显示。
而且,液晶显示器件选通时的透过率与有效电压值成正比。
所以,只要确定了选通电压有效值与非选通电压有效值之比,就可以预测出显示对比度的好坏。
电压有效值的定义为
按平均电压法原理,选通像素的驱动电压有效值
为
=
非选通像素的驱动电压有效值
以上两式中,N为扫描行数;
a为偏压比;
为驱动波形幅值;
为占空比。
液晶对比度相当于透过率,透过率又正比于施加有效电压值,于是可以用施加有效电压比值来分析对比度与扫描行数N和偏压比a之间的关系:
化简后得
于是,可以得出有效电压比
为最大值的条件是a=
偏置电压产生部分(BiasVoltageGenerator):
LCDdriver输出的最高电压通过偏置电压产生电路,根据选择的偏置设置,产生LCD交流驱动波形所需要的其它几档偏置电压(VLCD,V4,V3,V2,V1),提供给后续的COM/SEG波形产生电路。
此部分的实现方式一般分为两种:
电阻分压和电容分压。
本设计采用四路1/3偏压,四路连接方式示意图如图3,电阻分压结构如图4,即依据Bias的设置,选择合适的分压电阻,产生需要的直流分压电平。
图3四路驱动连接示意图
图4电阻分压
由上图可以看出段式LCD的驱动方法基本上和数码管是不太一样的,数码管只要给电和选通就亮。
但是段式LCD的驱动是靠两部分组成的:
一部分是:
不间断的电压脉冲
这个电压脉冲还是被分为好几个电压等级了,由于本设计采用的是1/4占空比,1/3偏压,那么就要有四个电压等级。
也就是VCC--2/3VCC--1/3VCC---GND这几个电压等级直接可以用电阻进行分压得到,然后通过模拟开关和单片机的R03---GND,R13---1/3VCC,R23---2/3VCC,R33---VCC,这样直接连接就可以了。
COM0--COM3就这些个电压等级的输出管脚。
直接连上LCD屏的COM0---COM3就可以了。
另一部分是:
选通管脚
选通管脚也就是LCD上面的S0----Sn和单片机里面的S0---Sn,直接连的,有几个连几个,多余的单片机IO口直接拉出来,做外置IO口用。
随着液晶显示器件规模的增大,驱动器的负载随显示状态的变化而大幅度变化。
这就要求把偏压电路的稳定性放在重要的位置上,而电阻分压电路难以满足这个要求。
运算放大器组成的分压电路的稳定性较为理想。
如图5给出了应用运算放大器高输入阻抗低输出阻抗特性而组成的跟随器式的分压电路。
液晶显示确定所需的偏压由运算放大器输入部分的电阻分压产生,可以采用高阻值的电阻。
驱动器的偏压输入则由运算放大器的低阻抗输出提供,串入的电阻阻值R’仅为几欧姆或几十欧姆,从而保证了输出驱动波形的品质。
图5运算放大器分压电路(1/3偏压)
由上图可知:
V1=VCC
V2=VCC-1/3VLCD
V3=VCC-2/3VLCD
V4=VCC-VLCD
计算器和仪表使用的液晶显示器件一般都是多位笔段型显示,有时位数多达10位以上,因此多用三路驱动或是四路驱动方式。
从最佳偏压法得知,使用1/3偏压法时,占空比为1/4时才能获得最佳偏压,VLC0=VCC;
VLC1=VCC-1/3VLCD;
VLC2=VCC-2/3VLCD;
VLC3=VCC-VLCD。
所以如图6为典型的四路1/3偏压法的驱动波形。
(段电极信号)
(背电极信号)
(液晶驱动信号)
图6四路1/3偏压动态驱动波形
3.1.4交流驱动波形的产生
为保证对像素点施加的是交流电,扫描电压的极性在每一帧都应进行转换。
当然,为实现交流驱动,还可以在每扫描完一行就更改一次极性。
总之,动态驱动中为实现交流驱动,必须周期性改变扫描电压极性,这一点是任何动态驱动方式中必须采用的。
因此本设计采用的是1/3偏压,直流分压电平分别是VLCD、V2=2/3VLCD、V3=1/3VLCD、GND,为了实现交流驱动,在在交流驱动波形M的前半扫描周期时,COMdriver的选通电平为VLCD,非选电平为V3,SEGdriver的选电平为GND,非选电平为V2。
而后半扫描周期时,COMdriver的选电平为GND,非选电平为V2,SEGdriver的选电平为VLCD,非选电平为V3。
如此一来就实现了扫描电压极性的变换,从而产生了交流驱动电场。
如图6
COM/SEG驱动波形产生部分(COM/SEGdriver):
此部分的结构示意如图7:
图7COM/SEG驱动波形产生示意图
COM/SEGdriver可以看作一组多路选择开关,COMdriver依据扫描计数器的值,SEGdriver依据显示数据RAM对应的值,从输入的直流分压电平中进行选择并从相应的COM/SEG引脚加以输出。
这样从整个LCD扫描周期来讲,从COM/SEG引脚上就输出了驱动LCDPanel所需要的模拟电压波形如图6。
交流驱动波形产生后,需要根据需求来从这四种波形中选择合适的驱动波形来驱动段式液晶显示器件,所以就需要用到模拟选择开关,本设计采用了一个3组2路的多路模拟选择开关CD4053。
逻辑图如图8
CD4053是三组2通道数字控制模拟开关,有三个独立的数字控制输入端A、B、C和INH输入,具有低导通阻抗和
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