單片機引腳直接驅(qū)動LCD

LED數(shù)碼管的驅(qū)動是比較簡單也容易理解的，多位數(shù)碼管一般是LED陣列的形式，每個數(shù)字使用一個公共端，不同數(shù)字的對應(yīng)同筆段使用一個控制端；驅(qū)動采用分時掃描沒個數(shù)字位，動態(tài)顯示。但是LED比較費電，我想做一個用電池供電的鐘，用發(fā)光管電池就撐不了多久了。于是我考慮用液晶。
在這邊的電子市場我買到一個4位筆段式液晶屏，4個數(shù)字最中間有冒號，邊上還有幾個箭頭符號，一共有15個引腳，正合適用AVR來驅(qū)動做一個鐘。
筆段式LCD屏的結(jié)構(gòu)與LED數(shù)碼管很相似，但是由于是液晶，工作機理上不同，驅(qū)動方式也有很大差異：
(1) LED有正負之分，液晶筆劃沒有。
(2) LED在直流電壓下工作，液晶需要交流電壓，防止電解效應(yīng)。
(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(yīng)，液晶則很敏感。
不難看出，用LED的驅(qū)動方式來對待LCD屏是行不通的。我在買回來測試這塊屏之前沒有意識到，于是走了不少的彎路。與LED驅(qū)動不同的是需要給每個筆劃加上一個交流電壓。一般用30-60Hz的方波就可以了，頻率再低顯示會有所波動，頻率高了功耗也會增加，因為LCD對電路呈現(xiàn)容性。而且，正負電壓都可以“點亮”液晶。
好在AVR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(xiàn)高阻抗，相當(dāng)于斷開連接。于是我想到了這樣的辦法：不需要顯示的那一組筆劃對應(yīng)的公共端懸空(I/O口選擇三態(tài))，那么就不會加上電壓了。照這個思路，我的實驗電路焊好，出來的顯示卻是一團糟：筆劃都黑了看不清。我這才考慮到液晶本身的問題：阻抗高，而且有電容，是不可一邊懸空的！這個道理也許跟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屏不是那么簡單的，驅(qū)動方式通常是1/N, 也就是電壓不止高低兩檔?？墒?strong>單片機I/O沒有那么多輸出狀態(tài)可以選擇。
1/2 Bias驅(qū)動
不顯示的液晶筆劃兩端電壓相等，顯示的不等。這樣一個要求在掃描方式
下不能滿足，于是改為電壓等級不同。1/2 Bias驅(qū)動就是這樣的，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 0+(1/2)^2=1/4 因此顯示的功率比為 5:1, 顯示狀態(tài)會是這樣：
SEG1 SEG2
: :
COM1 - - - O - - - O
: :
COM2 - - - O - - - x
AVR I/O沒有能力輸出 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), 因此沒有辦法實現(xiàn)真正的 1/2 Bias驅(qū)動。但是注意到要提供一個一半電源電壓也不是難事，既然AVR I/O口可以三態(tài)，我們用兩個電阻分壓將端口“拉”到1/2 Vcc就好了，于是，1/2 Bias驅(qū)動的做法可以這樣：
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動態(tài)驅(qū)動的目的。實現(xiàn)起來在前面的基礎(chǔ)上增加電阻即可，我的屏有4個公共端，因此用了8個電阻，數(shù)字就能夠顯示出來了。
雖然顯示的確做到了,然而效果卻不能讓我滿意。具體表現(xiàn)就是需要正對著LCD屏看才是很清晰的；如果斜著看，就可能一片混濁了，沒有達到實用。用2節(jié)Ni-MH供電時候正著看沒問題，用2節(jié)干電池(電壓提高一點)就不是很清晰了。如前面的分析，那些沒有被選擇的筆段其實也加上了變化的電壓，只不過與選擇的比段相比電壓平均有效值低一些。這兩個的差異足夠顯著，才能保證顯示效果。
再分析 1/2 Bais 驅(qū)動在我的LCD屏上 1/4 分時掃描的結(jié)果：一個周期內(nèi)，“點亮”的筆段平均功率=1^2+(1/2)^2+(1/2)^2+(1/2)^2=7/4, 而沒有被“點亮”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 分時掃描變到 1/4 分時掃描，顯出來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序，也不能改進顯示效果，看來 1/2 Bias 不夠用的了。
我查了Nokia 3310液晶手冊其中對于LCD電壓輸出時序的描述。恰好里面有一個圖，繪出了行和列控制線上的波形。從坐標(biāo)軸上看出Vlcd和Vss之間另外還有4個電壓等級。這么多種電壓用AVR I/O實現(xiàn)已經(jīng)不現(xiàn)實了。
我再考慮選用帶有LCD驅(qū)動功能的MCU, AVR只有一款A(yù)Tmega169, 封裝形式不適合DIY。Microchip有一款PIC16F913, 有28DIP的封裝，看上去正合適。暫時不知道價格，我先找來它的手冊看看。詳細看了LCD驅(qū)動模塊的部分，我發(fā)現(xiàn)PIC16F913也只有1/2 Bias驅(qū)動和1/3 Bias驅(qū)動兩種選項，分時最多為1/4分時驅(qū)動，對于我的屏正好。
1/3 Bias 驅(qū)動需要將Vcc--GND之間的電壓三等分，一個周期驅(qū)動波形示例如下：
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 分時驅(qū)動而是 1/4 分時驅(qū)動，這個比例將變?yōu)?br />2*1^2+6*(1/3)^2 vs 8*(1/3)^2 = 3:1
若將原來的 1/2 Bias 改用 1/3 Bias 驅(qū)動，對于我的LCD屏這個比值從 7:3 改善為 3:1 了。既然PIC16F913只設(shè)計了 1/2 Bias與1/3 Bias，用起來應(yīng)該問題不大。
AVR單個I/O口要實現(xiàn)4種電壓輸出——不可能吧，我是想不出來了。AVR最多只有三種電壓輸出，能不能對這個電壓再做等分呢？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I/O口，并不需要4種電壓輸出。當(dāng)然這樣跟1/3 Bias驅(qū)動是不一樣的，但是卻達到了 1/3 Bias 驅(qū)動的效果，只不過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(qū)動方式我稱之為 "偽1/3 Bias驅(qū)動". 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
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[ ]
[ ] 1Meg
[ ]
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to LCD SEGx --------------+
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[ ]
[ ] 1Meg
[ ]
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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幾uF電容到GND, 實驗是成功的。因為隨著掃描的進行，這個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Mega48V的秒計數(shù)器，再改改就能把鐘做出來了。