單片機引腳直接驅動(dòng)LCD

LED數碼管的驅動(dòng)是比較簡(jiǎn)單也容易理解的，多位數碼管一般是LED陣列的形式，每個(gè)數字使用一個(gè)公共端，不同數字的對應同筆段使用一個(gè)控制端；驅動(dòng)采用分時(shí)掃描沒(méi)個(gè)數字位，動(dòng)態(tài)顯示。但是LED比較費電，我想做一個(gè)用電池供電的鐘，用發(fā)光管電池就撐不了多久了。于是我考慮用液晶。
在這邊的電子市場(chǎng)我買(mǎi)到一個(gè)4位筆段式液晶屏，4個(gè)數字最中間有冒號，邊上還有幾個(gè)箭頭符號，一共有15個(gè)引腳，正合適用AVR來(lái)驅動(dòng)做一個(gè)鐘。
筆段式LCD屏的結構與LED數碼管很相似，但是由于是液晶，工作機理上不同，驅動(dòng)方式也有很大差異：
(1) LED有正負之分，液晶筆劃沒(méi)有。
(2) LED在直流電壓下工作，液晶需要交流電壓，防止電解效應。
(3) LED需要電流提供發(fā)光的能量，液晶筆劃顯示狀態(tài)下電流非常微弱。
(4) LED對微小電流不反應，液晶則很敏感。
不難看出，用LED的驅動(dòng)方式來(lái)對待LCD屏是行不通的。我在買(mǎi)回來(lái)測試這塊屏之前沒(méi)有意識到，于是走了不少的彎路。與LED驅動(dòng)不同的是需要給每個(gè)筆劃加上一個(gè)交流電壓。一般用30-60Hz的方波就可以了，頻率再低顯示會(huì )有所波動(dòng)，頻率高了功耗也會(huì )增加，因為L(cháng)CD對電路呈現容性。而且，正負電壓都可以“點(diǎn)亮”液晶。
好在A(yíng)VR的I/O口可以三態(tài)輸出，也就是除了高/低電平，還可以呈現高阻抗，相當于斷開(kāi)連接。于是我想到了這樣的辦法：不需要顯示的那一組筆劃對應的公共端懸空(I/O口選擇三態(tài))，那么就不會(huì )加上電壓了。照這個(gè)思路，我的實(shí)驗電路焊好，出來(lái)的顯示卻是一團糟：筆劃都黑了看不清。我這才考慮到液晶本身的問(wèn)題：阻抗高，而且有電容，是不可一邊懸空的！這個(gè)道理也許跟CMOS輸入端差不多。查找了一些關(guān)于液晶的資料，大致知道LCD屏不是那么簡(jiǎn)單的，驅動(dòng)方式通常是1/N, 也就是電壓不止高低兩檔?？墒?strong>單片機I/O沒(méi)有那么多輸出狀態(tài)可以選擇。
1/2 Bias驅動(dòng)
不顯示的液晶筆劃兩端電壓相等，顯示的不等。這樣一個(gè)要求在掃描方式
下不能滿(mǎn)足，于是改為電壓等級不同。1/2 Bias驅動(dòng)就是這樣的，如下：
COM1 V+ ---- ----
1/2 ---- ---- ---- ----
GND ---- ----
COM2 V+ ---- ----
1/2 ---- ---- ---- ----
GND ---- ----
SEG1 V+ -------- --------
1/2
GND -------- --------
SEG2 V+ ---- -------- ----
1/2
GND -------- --------
如此，在 COM1,SEG1 選擇的筆劃上，加上的電壓為 -1/2, -1, +1/2, +1 ... 在 COM1,SEG2 選擇的筆劃上，加上的電壓為 +1/2, -1, -1/2, +1 ... 在 COM2,SEG1 選擇的筆劃上，加上的電壓為 -1, -1/2, +1, +1/2 ...在 COM2,SEG2 選擇的筆劃上，加上的電壓為 0, -1/2, 0, +1/2 ...
計算一下大致的平均功率(如果液晶灰度與電壓平方成正比，實(shí)際不是這樣)前三者是一樣的，都是 1+(1/2)^2=5/4, 對于最后一個(gè) 0+(1/2)^2=1/4 因此顯示的功率比為 5:1, 顯示狀態(tài)會(huì )是這樣：
SEG1 SEG2
: :
COM1 - - - O - - - O
: :
COM2 - - - O - - - x
AVR I/O沒(méi)有能力輸出 1/2 Vcc 的電壓(ADC在這里就不要考慮了, 浪費I/O還不如用靜態(tài)液晶屏), 因此沒(méi)有辦法實(shí)現真正的 1/2 Bias驅動(dòng)。但是注意到要提供一個(gè)一半電源電壓也不是難事，既然AVR I/O口可以三態(tài)，我們用兩個(gè)電阻分壓將端口“拉”到1/2 Vcc就好了，于是，1/2 Bias驅動(dòng)的做法可以這樣：
Vcc
|
[ ]
[ ] 1Meg
[ ]
|
Port pin-----+------------ to LCD COMx
|
[ ]
[ ] 1Meg
[ ]
|
GND

取電阻 1Meg 是綜合耗電與分壓效果考慮的。這樣在 COMx 就可以產(chǎn)生三種電壓值，就達到了1/2 Bias動(dòng)態(tài)驅動(dòng)的目的。實(shí)現起來(lái)在前面的基礎上增加電阻即可，我的屏有4個(gè)公共端，因此用了8個(gè)電阻，數字就能夠顯示出來(lái)了。
雖然顯示的確做到了,然而效果卻不能讓我滿(mǎn)意。具體表現就是需要正對著(zhù)LCD屏看才是很清晰的；如果斜著(zhù)看，就可能一片混濁了，沒(méi)有達到實(shí)用。用2節Ni-MH供電時(shí)候正著(zhù)看沒(méi)問(wèn)題，用2節干電池(電壓提高一點(diǎn))就不是很清晰了。如前面的分析，那些沒(méi)有被選擇的筆段其實(shí)也加上了變化的電壓，只不過(guò)與選擇的比段相比電壓平均有效值低一些。這兩個(gè)的差異足夠顯著(zhù)，才能保證顯示效果。
再分析 1/2 Bais 驅動(dòng)在我的LCD屏上 1/4 分時(shí)掃描的結果：一個(gè)周期內，“點(diǎn)亮”的筆段平均功率=1^2+(1/2)^2+(1/2)^2+(1/2)^2=7/4, 而沒(méi)有被“點(diǎn)亮”的筆段為=0+(1/2)^2+(1/2)^2+(1/2)^2=3/4, 兩者之比 7:3
跟前面的例子分析對比看出，從 1/2 分時(shí)掃描變到 1/4 分時(shí)掃描，顯出來(lái)的筆段和不顯的筆段上，電壓產(chǎn)生平均功率的對比從 5:1 變到 7:3 了。我嘗試從軟件上改變掃描時(shí)序，也不能改進(jìn)顯示效果，看來(lái) 1/2 Bias 不夠用的了。
我查了Nokia 3310液晶手冊其中對于LCD電壓輸出時(shí)序的描述。恰好里面有一個(gè)圖，繪出了行和列控制線(xiàn)上的波形。從坐標軸上看出Vlcd和Vss之間另外還有4個(gè)電壓等級。這么多種電壓用AVR I/O實(shí)現已經(jīng)不現實(shí)了。
我再考慮選用帶有LCD驅動(dòng)功能的MCU, AVR只有一款ATmega169, 封裝形式不適合DIY。Microchip有一款PIC16F913, 有28DIP的封裝，看上去正合適。暫時(shí)不知道價(jià)格，我先找來(lái)它的手冊看看。詳細看了LCD驅動(dòng)模塊的部分，我發(fā)現PIC16F913也只有1/2 Bias驅動(dòng)和1/3 Bias驅動(dòng)兩種選項，分時(shí)最多為1/4分時(shí)驅動(dòng)，對于我的屏正好。
1/3 Bias 驅動(dòng)需要將Vcc--GND之間的電壓三等分，一個(gè)周期驅動(dòng)波形示例如下：
COM1: V+ --------
2/3 --------
1/3 --------
GND --------
COM2: V+ --------
2/3 --------
1/3 --------
GND --------
SEG1: V+ --------
2/3 --------
1/3 --------
GND --------
SEG2: V+ --------
2/3 --------
1/3 --------
GND --------
在 (COM1,SEG1) 筆段上，電壓為 +1, -1/3, -1, +1/3 ... 在(COM1,SEG2)上為 +1/3, +1/3, -1/3, -1/3 ... 在(COM2,SEG1)上：+1/3, +1/3, -1/3, -1/3 ... 在(COM2,SEG2)上：-1/3, +1, +1/3, -1 ...
于是計算平均功率，在 (COM1,SEG1)和(COM2,SEG2)上面是 2*1^2+2*(1/3)^2=20/9 在(COM1,SEG2)和(COM2,SEG1)上面是 4*(1/3)^2=4/9, 兩者之比 5:1
假如不是上圖的 1/2 分時(shí)驅動(dòng)而是 1/4 分時(shí)驅動(dòng)，這個(gè)比例將變?yōu)?br />2*1^2+6*(1/3)^2 vs 8*(1/3)^2 = 3:1
若將原來(lái)的 1/2 Bias 改用 1/3 Bias 驅動(dòng)，對于我的LCD屏這個(gè)比值從 7:3 改善為 3:1 了。既然PIC16F913只設計了 1/2 Bias與1/3 Bias，用起來(lái)應該問(wèn)題不大。
AVR單個(gè)I/O口要實(shí)現4種電壓輸出——不可能吧，我是想不出來(lái)了。AVR最多只有三種電壓輸出，能不能對這個(gè)電壓再做等分呢？一番思索之后我想這樣行不行：就4等分吧.
COM1: V+ --------
3/4
1/2 -------- --------
1/4
GND --------
COM2: V+ --------
3/4
1/2 -------- --------
1/4
GND --------
SEG1: V+
3/4 -------- ---------
1/2
1/4 ----------------
GND
SEG2: V+
3/4 ----------------
1/2
1/4 -------- ---------
GND
我的做法就是 SEGx 輸出有兩種：3/4*Vcc 和 1/4*Vcc, 而 COMy 輸出有三種：Vcc, GND, 1/2*Vcc. 對于每個(gè)I/O口，并不需要4種電壓輸出。當然這樣跟1/3 Bias驅動(dòng)是不一樣的，但是卻達到了 1/3 Bias 驅動(dòng)的效果，只不過(guò)加在液晶筆段上的電壓絕對值最大不是 Vcc 而是 3/4*Vcc 了，因此電源電壓也需要提高。這里計算省略。
這種驅動(dòng)方式我稱(chēng)之為 "偽1/3 Bias驅動(dòng)". 對于 COMy 的處理和前面一樣，對于 SEGx, 將I/O輸出電壓改變一下，高電平3/4*Vcc, 低電平1/4*Vcc就好了。我的做法是：
/-------------- I/O Port pin
|
[ ]
[ ] 1Meg
[ ]
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to LCD SEGx --------------+
|
[ ]
[ ] 1Meg
[ ]
|
|
1/2 Vcc
這里的 1/2 Vcc 可以將電源電壓用電阻分壓得到，我想的辦法是直接接個(gè)幾u(yù)F電容到GND, 實(shí)驗是成功的。因為隨著(zhù)掃描的進(jìn)行，這個(gè)地方的平均電壓是輸出高電平和低電平的一半。
目前我做了一個(gè)Mega48V的秒計數器，再改改就能把鐘做出來(lái)了。