電子水位計中段式液晶驅(qū)動的設(shè)計與實現(xiàn)

秋興國，馬媛

（西安科技大學(xué) 陜西 西安710054）

電子水位計中段式液晶驅(qū)動的設(shè)計與實現(xiàn)

秋興國，馬媛

（西安科技大學(xué) 陜西 西安710054）

根據(jù)段式液晶的顯示原理與電氣特性，結(jié)合微控制器STC12le5a60s2，詳細介紹一種通過利用單片機IO口和分壓電阻的作用，實現(xiàn)單片機IO口直接驅(qū)動段式液晶的顯示方法，同時給出了硬件電路設(shè)計及軟件實現(xiàn)方法，實現(xiàn)段式液晶顯示無需驅(qū)動芯片驅(qū)動，減少了產(chǎn)品液晶驅(qū)動器的費用。該方案具有成本低廉，性能穩(wěn)定，系統(tǒng)功耗較低等優(yōu)點，為單片機在儀器儀表等需要段式液晶顯示領(lǐng)域提供一種簡單實用的方法。

stc12le5a60s2；段式液晶；驅(qū)動芯片；直接驅(qū)動

由于電子水位計長期安裝在野外無人值守的河流，水庫，渠道，水井等指定地點且需要實時監(jiān)測指定地點的水位狀況并通過液晶顯示屏顯示水位信息，但是野外的電資源非常有限，為了節(jié)省電資源使水位計能夠長期穩(wěn)定工作，因此選擇低功耗的液晶顯示器成為降低電子水位計功耗中的重要部分。目前常用的液晶顯示器主要有點陣式液晶顯示器件和段式液晶顯示器件，但因段式液晶顯示器具有顯示清晰，功耗較低且價格低廉等優(yōu)點成為顯示器件的首選，被廣泛應(yīng)用于單片機控制的智能儀器、儀表和低功耗電子系統(tǒng)中［1-3］，基本取代了8段式LED數(shù)碼管。

段式液晶顯示驅(qū)動方法中使用最多的是使用液晶驅(qū)動器驅(qū)動，這種方法使用起來比較簡單，但是其成本高且耗電量較大。或者是選用帶液晶驅(qū)動器的單片機，但是這種在需要顯示的內(nèi)容并不多的時候，有些大材小用。通過對段式顯示器工作原理的深入分析，提出并設(shè)計一種使用普通單片機中IO口直接驅(qū)動液晶的方法，該方法不僅可以充分利用單片機空閑IO口，減少系統(tǒng)故障率，而且可以降低系統(tǒng)功耗，節(jié)省系統(tǒng)的電資源，使水位計能長期穩(wěn)定運行。

1 液晶顯示工作原理

段式液晶是利用液晶分子的物理結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性進行顯示的技術(shù)，是一種把液晶對電場、磁場、光線和溫度等外界條件的變化在一定條件下轉(zhuǎn)換為可視信號而制成的顯示器［4］。常見的段式液晶顯示內(nèi)容是數(shù)字或者部分字母、符號，如果要顯示漢字、字符或者其他特殊符號需要聯(lián)系廠家定做，本系統(tǒng)選用的段式液晶主要是顯示數(shù)字。若使用單片機（不帶液晶驅(qū)動器）IO口直接驅(qū)動段式液晶，首先得了解其電參數(shù)，常見電參數(shù)主要有占空比（Duty）和偏置（Bias），段式液晶一般是七段碼，由七個字段組成，通常為了減少引腳數(shù)目，幾個段連在一起由一個引腳引出，在一個顯示周期內(nèi)，各段輪流顯示［5］，每個段的顯示時間與顯示周期總時間之比稱為顯示占空比，例如：4個段碼連在一起的液晶器，其顯示占空比為1/4。段式液晶的驅(qū)動波形為模擬信號，而各檔模擬電壓相對于段式液晶的最高電壓比例稱為偏置，常見的驅(qū)動電壓分為1/2Bias和1/ 3Bias，對于1/3Bias LCD指其熄滅時驅(qū)動信號幅度與顯示時幅度之比為1:3，若要使某一段顯示則加一個幅度大的信號，反之，不顯示則將信號幅度減小至1/3。

段式液晶的顯示原理區(qū)別于LED，LED是加正向電壓，而段式液晶是加交替正反向的電壓才會顯示，如果段式液晶兩邊加恒定電壓，該段不僅不會顯示而且會加速液晶的老化和損壞。所以在電路設(shè)計上其COM控制端口不能簡單的連接電源的負極或者正極，而要連接單片機的一個輸出口，并定時的將COM控制端和SEG端電壓在高低電平之間切換［6］，形成交流電壓。本電子水位計所選用的液晶型號為STN50104（驅(qū)動方式：1/4Duty 1/ 3Bias）引腳配置表如圖1所示：該液晶顯示器共16個管腳，4個COM端和12個SEG端，可顯示5位數(shù)字，4個COM口和兩個SEG端口控制一位“8”字的顯示，例如，要使液晶顯示器的第一位顯示數(shù)字“2”，那么液晶第一位數(shù)字的a、b、e、d、g段電壓信號幅度均需大于各對應(yīng)COM端信號幅度。

圖1 STN50104引腳排布表

2 電路設(shè)計及驅(qū)動設(shè)計

2.1 電路設(shè)計

本電子水位計在電路設(shè)計中采用低功耗設(shè)計，具有掉電休眠可喚醒模式，可支持下降沿/上升沿和遠程喚醒，在單片機選型上選擇工作電壓小，功耗較低的單片機，本文選用的單片機型號為 STC12le5a60s2具有可休眠模式［7］，在液晶模塊電路設(shè)計中，使用電子水位計硬件設(shè)計中單片機空閑IO口和外接上拉電阻分壓的方式直接驅(qū)動段式液晶，充分利用單片機空閑管腳資源。既可以減少系統(tǒng)成本，又可以使系統(tǒng)工作穩(wěn)定，在單片機IO口端上拉電阻阻值選擇方面，考慮到液晶顯示的最小驅(qū)動電流3 uA，因此選擇電阻阻值盡可能的大，這樣會使系統(tǒng)工作電流盡可能的小，有利于系統(tǒng)實現(xiàn)低功耗，因此上拉電阻阻值選擇100K和200K。

使用單片機IO口直接驅(qū)動段式液晶電路設(shè)計如圖2所示，單片機17管腳連接鍵盤，用于對液晶清零操作，單片機P0、P1、P2、P3皆為準(zhǔn)雙向IO口，使用單片機兩個IO口分別與外接100k，200k的上拉電阻分壓共同控制液晶顯示器的一個管腳可實現(xiàn)1/3分壓，由于液晶11和12管腳控制單位符號顯示，本次液晶不顯示單位符號，因此將液晶11和12管腳連接電源與地，單片機IO口分別給出高電平或低電平，各COM端口通過電阻分壓后可輸出四種電壓狀態(tài)，分別為0V，1/3VCC，2/3VCC，VCC，以P27、P31、COM1為例，從表1可以看出，當(dāng)P27、P31都為低電平時，COM1為低電平，當(dāng)P27、P31都為高電平時，COM1為高電平，當(dāng)P27為高電平P31為低電平時，經(jīng)兩個電阻分壓COM1端電壓為2/3VCC，當(dāng)P27為低電平P31為高電平時，COM0端電壓為1/3VCC。IO口與COM口波形關(guān)系如表1所示。

圖2 電路設(shè)計圖

表1 IO口與COM的波形關(guān)系

2.2 驅(qū)動設(shè)計

段式液晶器常用的驅(qū)動方法有靜態(tài)驅(qū)動和動態(tài)驅(qū)動兩種［8］，動態(tài)驅(qū)動方法最常見且是最能挖掘液晶顯示器件顯示功能的驅(qū)動方式，本設(shè)計中采用動態(tài)驅(qū)動。

在液晶內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，以液晶顯示器管腳1為例，4個顯示段（D，E，G，F(xiàn)）是連在一塊的，如何使它們滿足相關(guān)原則又與其他段互不影響是其顯示難點，好在各段的顯示與否由COM端和SEG端的電壓差決定的。因此可以將COM端和SEG端的協(xié)調(diào)動作從時間上相互“岔開”，所以可以設(shè)計其驅(qū)動方式如下：將顯示周期分為4個時間段，實現(xiàn)分時復(fù)用，4個COM端采用交替掃描的方式，在第一時間段中使COM1信號幅度大于COM2，COM3，COM4幅度，在這種情況下，COM1所對應(yīng)的顯示段才有亮的可能，究竟亮與不亮還與SEG端信號有關(guān)，如果使某段亮，則在SEG上加一個與COM1信號相位相反的大幅度信號［9］，反之，加一個小幅信號。總之，兩個信號幅度相反則該段顯示，否則不顯示，第二階段情況類似，使COM2的信號幅度大于COM1、COM3、COM4，第三、四階段以此類推。

3 軟件實現(xiàn)

了解了段式液晶的顯示原理與驅(qū)動方法后，使用C語言對其進行編程，使用軟硬件結(jié)合的方法，即可降低系統(tǒng)成本，又可使系統(tǒng)簡化，由于所用單片機沒有液晶驅(qū)動器，其驅(qū)動波形均由軟件來完成［10］，軟件實現(xiàn)過程中首先定義一個一維數(shù)組，存放4個COM端口命令zcom［］=｛0xef，0xdf，0xbf，0x7f｝，將數(shù)組中的值循環(huán)賦給單片機IO口中的P24、P25、P26、P27、WR、P44、P45、P46這八個管腳，使COM1～COM4不斷的輸出固定的波形，同時根據(jù)液晶引腳與控制顯示段的特性設(shè)計液晶顯示的字庫，定義一維數(shù)組ziku［］存放要顯示的內(nèi)容數(shù)字0～9，每四個數(shù)值定義一個數(shù)字。

ziku［39］=｛0x01，0x03，0x02，x003，/*數(shù)字0*/

0x00 ，0x02，0x02，0x00， /*數(shù)字1*/

0x01 ，0x01，0x03，0x02 /*數(shù)字2*/

0x01 ，0x02，0x03，0x02， /*數(shù)字3*/

0x00 ，0x02，0x03，0x01， /*數(shù)字4*/

0x01 ，0x02，0x01，0x03， /*數(shù)字5*/

0x01 ，0x03，0x01，0x03， /*數(shù)字6*/

0x00 ，0x02，0x02，0x02 /*數(shù)字7*/

0x01 ，0x03，0x03，0x03， /*數(shù)字8*/

0x01 ，0x02，0x03，0x03｝ /*數(shù)字9*/

在液晶顯示程序設(shè)計時，主要構(gòu)造兩個函數(shù)實現(xiàn)液晶的動態(tài)顯示，顯示一個字符的函數(shù)printchr（）和顯示一行字符函數(shù)printstr（int start），其函數(shù)流程圖如圖3和圖4所示。顯示一個字符函數(shù)功能主要是主要送出單片機COM端口和12位數(shù)據(jù)位SEG端的高低電平，顯示一行函數(shù)的主要功能是實現(xiàn)對COM口分4次掃描，先對第一位數(shù)字掃描顯示，然后將字庫的值右移八位，接著掃描顯示第二個數(shù)字，依次類推，依次掃描顯示后面的數(shù)字最后調(diào)用顯示一個字符函數(shù)，其入口參數(shù)是小數(shù)點的位置。

4 實驗及結(jié)果

當(dāng)用戶按下清零鍵時，液晶顯示屏?xí)@示其初始值10.000，顯示效果如圖5（a）所示，當(dāng)電子水位計正常工作時，液晶顯示效果如圖5（b）所示，表示測得當(dāng)前水位為10.009m，若10秒內(nèi)電子水位計在沒有任何操作的情況下，系統(tǒng)會進入休眠模式，顯示屏將會熄滅，不顯示數(shù)字，以節(jié)省電資源。

圖3 顯示一個字符函數(shù)流程圖

圖4 顯示一行字符函數(shù)流程圖

圖5 液晶顯示結(jié)果

在驗證該方案設(shè)計的段式液晶工作低功耗時，主要通過萬用表測量其工作電流，首先使電子水位計正常工作時測得系統(tǒng)工作電流13.290mA，當(dāng)水位計休眠時測得系統(tǒng)休眠電流1.236mA。然后將水位計中的液晶器件去掉，使用同樣的方法測得沒有液晶器件時，水位計工作電流13.286mA，休眠時電流為1.235mA。實驗結(jié)果如下表2所示。

表2 1/3Bias液晶電路功耗測量結(jié)果

由以上實驗數(shù)據(jù)可知，液晶工作時消耗電流0.004 mA，休眠時液晶消耗電流0.001 mA，該數(shù)據(jù)表明使用單片機IO口直接驅(qū)動段式液晶工作時消耗電流較小，符合低功耗要求。

5 結(jié)束語

對于智能儀表來說，顯示技術(shù)十分重要，文中分析了段式液晶顯示原理，給出了液晶驅(qū)動方法和軟件實現(xiàn)過程，最后通過實驗結(jié)果表明：使用單片機IO口直接驅(qū)動段式液晶的方法可以實現(xiàn)液晶顯示，這種驅(qū)動方法不僅節(jié)省了硬件成本，而且具有較低的功耗。在IO口充裕的情況下，是一種理想的人機界面實現(xiàn)方式，具有一定的推廣價值。方案不足點是：此方法在硬件電路設(shè)計上占用的單片機IO口數(shù)量比較多，可考慮將各COM某一端與一個極性電容連接，可減少一半電阻和IO的使用。在實際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體項目實現(xiàn)對IO口設(shè)計方案的選擇。

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Design and implemention of segment liquid crystal drive in electronic water gauge

QIU Xing-guo，MA Yuan
（Xi`an University of Science and Technology，Xi`an 710054，China）

Based on the principle and electrical characteristics of the monitor segment liquid crystal，combine with the microcontroller stc12le5a60s2，introduced a single-chip IO portby using action and pull-up resistor voltage divider to achieve single-chip IO portly drive the segment liquid crystal display method，and gives the hardware design and software implementation to achieve the LCD drive without driver chip，reducing the product-driven costs.thismethod has low cost，stable performance，presenta simple and practicalway in the instruments that require segment liquid crystal.

stc12le5a60s2；segment liquid；crystal；drive chip；directly drive

TN141

A

1674－6236（2016）20-0098-03

2015-11-02 稿件編號：201511013

秋興國（1964—），男，陜西乾縣人，碩士，教授。研究方向：智能檢測與監(jiān)控系統(tǒng)、計算機測控。