基於STM8S的LCD驅動電路和LCD顯示原理分析

基於STM8S的LCD驅動電路和LCD顯示原理分析

電子設計 發表於 2018-12-03 11:31:17

一、LCD的顯示原理。

LCD的工作原理和驅動電路 液晶是一種有機化合物，這種有機物質在一定的溫度範圍內，既具有液體的流動性和連續性，又具有某些晶體的光學性質。LCD就是利用這種物質在電場的作用下能產生特殊的電光效應而製成的。按照使用的電光效應的不同，LCD可分為動態散射效應和扭曲一向列效應兩種類型；按採光方式的不同又可分為透射式和反射式。

LCD的基本結構由內表面刻有透明電極（典型圖形為7段字形）的兩塊平板玻璃中間注入薄薄（約10pm厚）的液晶層構成。它的上、下表面各放了一塊偏振片（起偏振片、檢偏振片）。下偏振片下面常常再放一塊高效的反射器件，以獲得良好的清晰度。

LCD採用表面排列技術，對刻有透明電極的玻璃進行表面處理，使液晶分子在液晶盒內的排列方向呈90°扭曲。線性偏振光進入扭曲的液晶盒後，偏振面旋轉90°。加上電場後，由於正介電各向異性液晶分子的取向具有和電場方向排列一致的性質，故扭曲結構消失，線性偏振光可以直接通過液晶盒。去掉電場後，液晶分子的排列又恢復扭曲，使線性偏振光的偏振面旋轉90°。因此，當扭曲液晶盒置於起、檢偏振片之間時，改變兩塊偏振片的相對位置（正交或平行），就可得到白底黑字（正常開啟）或黑底白字（正常關閉）的顯示形式。扭曲效應LCD工作原理如圖4所示，兩塊偏振片正交排列，故可獲得白底黑字的顯示形式。

由上面介紹可以看出，讓液晶顯示需要在液晶的兩端加上電壓，改變液晶的光特性，讓其顯示出預設的圖案。

二、段式LCD的顯示方式

一般LCD在製作的時候為了節省引腳，會跟數碼管一樣多個液晶公用一個公共端COM，另一端一般稱之為SEG，在SEG和COM上加上電壓就可以「點亮」該段液晶。

下圖為一個標準的段式液晶屏的設計圖與COM和SEG對應表

例如上圖，若在COM3和SEG5之間加上電壓，則會點亮AM這兩個字母的顯示。

但是在驅動液晶的時候有個重要問題需要注意，COM口與SEG之間必須加上對稱的交流電壓，以保證加到LCD兩端的交流電壓平均值為零。過大的直流電壓會使液晶材料迅速分解，大大縮短LCD的工作壽命。因此，要求直流分量越小越好，至少應小於100mV。這也是LCD與段式LED最大的不同之處。

與LED的顯示類似，LCD要顯示出來有一定的門限電壓，高於這個電壓則會提高「亮度」，在LCD中一般稱之為對比度，低於這個門限電壓則完全不顯示。這個們限電壓在製作好的時候一般被稱之為BIAS（偏置）。一般製作好的LCD屏幕，會告訴你一個驅動條件參數，類似：1/4 duty 1/3BIAS 這個BIAS即是這裡的偏置，1/3是指偏置電壓為工作電壓的1/3。Duty是指驅動周期，有多少個COM，驅動該LCD就需要多少個周期

三、基於STM8S的LCD驅動電路

通過上面的分析，我們知道驅動LCD需要在COM口和SEG口不斷產生相反的且大於BIAS的電壓差，同時要保證不工作的SEG口與COM電壓不能大於BIAS。在一般應用中，嵌入式系統會選擇專門LCD驅動晶片來驅動LCD屏幕，這些晶片一般是通過SPI通信控制的。但在一些特殊的對成本敏感的項目中，我們其實也可以通過STM8S來直接驅動LCD屏幕，此時就需要巧妙的設計一些外部電路，來解決單片機只能產生兩種邏輯電平的問題了。

3.1 STM8s外部電路

COM口：

我們在COM外設計如下電路

該電路使得COM口通過不同的輸出模式，能輸出5種不同的電壓：

3.3V：

設置COM口為推輓輸出，並輸出高。

3.3V * 3/4：

設置COM口為浮空輸入，將BIAS引腳設置為推輓輸出，同時輸出高。

3.3V* 1/2：

將COM口與BIAS口都設置為浮空輸入。

3.3V*1/4：

設置COM口為浮空輸入，將BIAS引腳設置為推輓輸出，同時輸出低。

0V：

設置COM口為推輓輸出，並輸出低。

SEG口：

我們在SEG口電路設計如下

該電路使得SEG口通過不同的輸出模式，能輸出5種不同的電壓：

3.3V：

設置SEG口為推輓輸出，並輸出高。

3.3V* 1/2：

將SEG口設置為浮空輸入。

0V：

設置SEG口為推輓輸出，並輸出低。

四、適合單片機的LCD驅動方式

以1/2 BIAS 1/4duty的LCD為例

驅動他大概有2種方式。

兩種方式的COM口電平如下：

1.

我建議使用第二種方式來驅動LCD，因為第二種方式在單片機程序中更容易實現，佔用的資源更少，更符合程序設計的習慣。

再來說說SEG口，對於1/2BIAS的LCD，當COM口為高時，選定的SEG口為低，當COM口為低時，選定的SEG口為高。不現實的SEG口保持與COM口相同的電平即可，此時其他的COM口都為1/2VCC，不高於門限電壓，不會使得其他液晶顯示。

但是若LCD為1/3BIAS的，此時就不可以按1/2BIAS的方式來驅動，因為當電壓為1/2時已經大於他的門限電壓，若還按照上面方式，則會留下殘影（就是對比度很低的液晶顯示）。

此時，驅動方式為，當選定的COM口電壓為VCC時，將其他COM的電壓全為3/4 VCC，選定的SEG口全部為1/2VCC，未選定的SEG口電壓也為VCC。反之，當選定的COM口電壓為0時，將其他COM的電壓全為1/4 VCC，選定的SEG口全部為1/2VCC，未選定的SEG口電壓也為0.這種方式可以避免殘影產生，其他方式均會產生殘影。

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