论文-基于分立元件的段式液晶显示驱动控制系统的设计

本科毕业设计说明书（论文）第1页共28页引言液晶显示器件(LCD)是一种高新技术的基础元器件。它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。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。特别是点阵型液晶显示器件，使用者更是会感到无从下手。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。而驱动程序是使这个功能部件稳定有序工作，准确实现显示的重要环节。随着模块的标准化，用户在选择和使用过程中只关心模块的接口，对于模块的设计和构造以及在使用中出现的因为模块设计原因产生的问题并不了解。本文通过对段式液晶显示模块的结构和显示、驱动原理进行详细介绍。并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。使读者可以较为全面地掌握段式液晶显示驱动控制的原理。第1章绪论1.1液晶显示器介绍液晶显示器件(LCD)是一种高新技术的基础元器件。它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、低功耗的特点，与CMOS集成电路相匹配.电池作为电源，适合于便携式显示。段式LCD是通过电场控制液晶分子的排列从而改变液晶盒内偏振光的双折射效应而实现显示，段式LCD是目前LCD生产的中档产品，段式LCD显示器之所以被广泛应用主要是因为具备以下优势：耗电量小，散热小、没有丝毫辐射、对人体健康无损害、完全平面、能精确还原图像、无失真、可视面积大、款式新颖多样、能大量节省空间、抗干扰能力强、显示字符锐利、画面稳定不闪烁、屏幕调节方便。液晶显示器还具有易彩色化，非发光式被动显示的特点。彩色液晶显示是利用液晶的光阀特性和彩色滤光膜及三基色灯来实现的，现有技术容易制造彩色滤光膜和三基色灯。还有液晶显示靠调制外界光来实现的，显示体本身不发光，不本科毕业设计说明书（论文）第2页共28页刺激眼睛，不易疲劳等优点。利用液晶光阀特性容易实现投影大屏幕显示。因而，液晶显示应用几乎覆盖所有显示应用领域。液晶显示模块是一种将液晶显示器件、连接件(斑马条、斑马纸或金属管脚等)、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（框架或模具)等装配在一起的组件。1.2论文选题的意义随着电子工业的飞速发展,诸多家用电子产品和各种仪器仪表在显示技术方面提出了新的要求,原有的单纯LED或LED数码管、电磁式仪表等已远不能满足要求。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：本科毕业设计说明书（论文）第3页共28页（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2～3V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。随着模块的标准化，用户在选择和使用过程中只关心模块的接口，对于模块的设计和构造以及在使用中出现的因为模块设计原因产本科毕业设计说明书（论文）第4页共28页生的问题并不了解。本文通过介绍段式液晶显示模块的结构和显示、驱动原理。使读者可以较为全面地掌握段式液晶显示驱动控制的原理。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。本科毕业设计说明书（论文）第5页共28页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，从而迅速降低本科毕业设计说明书（论文）第6页共28页液晶材料的寿命，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: