電子水位計(jì)中段式液晶驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

秋興國(guó)，馬媛

（西安科技大學(xué) 陜西 西安710054）

電子水位計(jì)中段式液晶驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

秋興國(guó)，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(xì)介紹一種通過利用單片機(jī)IO口和分壓電阻的作用，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)IO口直接驅(qū)動(dòng)段式液晶的顯示方法，同時(shí)給出了硬件電路設(shè)計(jì)及軟件實(shí)現(xiàn)方法，實(shí)現(xiàn)段式液晶顯示無需驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)，減少了產(chǎn)品液晶驅(qū)動(dòng)器的費(fèi)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(diǎn)，為單片機(jī)在儀器儀表等需要段式液晶顯示領(lǐng)域提供一種簡(jiǎn)單實(shí)用的方法。

stc12le5a60s2；段式液晶；驅(qū)動(dòng)芯片；直接驅(qū)動(dòng)

由于電子水位計(jì)長(zhǎng)期安裝在野外無人值守的河流，水庫(kù)，渠道，水井等指定地點(diǎn)且需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)指定地點(diǎn)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(jì)能夠長(zhǎng)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(jì)功耗中的重要部分。目前常用的液晶顯示器主要有點(diǎn)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(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)成為顯示器件的首選，被廣泛應(yīng)用于單片機(jī)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(dòng)方法中使用最多的是使用液晶驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，這種方法使用起來比較簡(jiǎn)單，但是其成本高且耗電量較大?；蛘呤沁x用帶液晶驅(qū)動(dòng)器的單片機(jī)，但是這種在需要顯示的內(nèi)容并不多的時(shí)候，有些大材小用。通過對(duì)段式顯示器工作原理的深入分析，提出并設(shè)計(jì)一種使用普通單片機(jī)中IO口直接驅(qū)動(dòng)液晶的方法，該方法不僅可以充分利用單片機(jī)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(jì)能長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)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(jìn)行顯示的技術(shù)，是一種把液晶對(duì)電場(chǎng)、磁場(chǎng)、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(hào)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(hào)，如果要顯示漢字、字符或者其他特殊符號(hào)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(jī)（不帶液晶驅(qū)動(dòng)器）IO口直接驅(qū)動(dòng)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(gè)字段組成，通常為了減少引腳數(shù)目，幾個(gè)段連在一起由一個(gè)引腳引出，在一個(gè)顯示周期內(nèi)，各段輪流顯示［5］，每個(gè)段的顯示時(shí)間與顯示周期總時(shí)間之比稱為顯示占空比，例如：4個(gè)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(dòng)波形為模擬信號(hào)，而各檔模擬電壓相對(duì)于段式液晶的最高電壓比例稱為偏置，常見的驅(qū)動(dòng)電壓分為1/2Bias和1/ 3Bias，對(duì)于1/3Bias LCD指其熄滅時(shí)驅(qū)動(dòng)信號(hào)幅度與顯示時(shí)幅度之比為1:3，若要使某一段顯示則加一個(gè)幅度大的信號(hào)，反之，不顯示則將信號(hào)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(huì)顯示，如果段式液晶兩邊加恒定電壓，該段不僅不會(huì)顯示而且會(huì)加速液晶的老化和損壞。所以在電路設(shè)計(jì)上其COM控制端口不能簡(jiǎn)單的連接電源的負(fù)極或者正極，而要連接單片機(jī)的一個(gè)輸出口，并定時(shí)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(jì)所選用的液晶型號(hào)為STN50104（驅(qū)動(dòng)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(gè)管腳，4個(gè)COM端和12個(gè)SEG端，可顯示5位數(shù)字，4個(gè)COM口和兩個(gè)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(hào)幅度均需大于各對(duì)應(yīng)COM端信號(hào)幅度。

圖1 STN50104引腳排布表

2 電路設(shè)計(jì)及驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

2.1 電路設(shè)計(jì)

本電子水位計(jì)在電路設(shè)計(jì)中采用低功耗設(shè)計(jì)，具有掉電休眠可喚醒模式，可支持下降沿/上升沿和遠(yuǎn)程喚醒，在單片機(jī)選型上選擇工作電壓小，功耗較低的單片機(jī)，本文選用的單片機(jī)型號(hào)為 STC12le5a60s2具有可休眠模式［7］，在液晶模塊電路設(shè)計(jì)中，使用電子水位計(jì)硬件設(shè)計(jì)中單片機(jī)空閑IO口和外接上拉電阻分壓的方式直接驅(qū)動(dòng)段式液晶，充分利用單片機(jī)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(jī)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(dòng)電流3 uA，因此選擇電阻阻值盡可能的大，這樣會(huì)使系統(tǒng)工作電流盡可能的小，有利于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)低功耗，因此上拉電阻阻值選擇100K和200K。

使用單片機(jī)IO口直接驅(qū)動(dòng)段式液晶電路設(shè)計(jì)如圖2所示，單片機(jī)17管腳連接鍵盤，用于對(duì)液晶清零操作，單片機(jī)P0、P1、P2、P3皆為準(zhǔn)雙向IO口，使用單片機(jī)兩個(gè)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(gè)管腳可實(shí)現(xiàn)1/3分壓，由于液晶11和12管腳控制單位符號(hào)顯示，本次液晶不顯示單位符號(hào)，因此將液晶11和12管腳連接電源與地，單片機(jī)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(shí)，COM1為低電平，當(dāng)P27、P31都為高電平時(shí)，COM1為高電平，當(dāng)P27為高電平P31為低電平時(shí)，經(jīng)兩個(gè)電阻分壓COM1端電壓為2/3VCC，當(dāng)P27為低電平P31為高電平時(shí)，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(jì)圖

表1 IO口與COM的波形關(guān)系

2.2 驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

段式液晶器常用的驅(qū)動(dòng)方法有靜態(tài)驅(qū)動(dòng)和動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)兩種［8］，動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)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(dòng)方式，本設(shè)計(jì)中采用動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)。

在液晶內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，以液晶顯示器管腳1為例，4個(gè)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(diǎn)，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(dòng)作從時(shí)間上相互“岔開”，所以可以設(shè)計(jì)其驅(qū)動(dòng)方式如下：將顯示周期分為4個(gè)時(shí)間段，實(shí)現(xiàn)分時(shí)復(fù)用，4個(gè)COM端采用交替掃描的方式，在第一時(shí)間段中使COM1信號(hào)幅度大于COM2，COM3，COM4幅度，在這種情況下，COM1所對(duì)應(yīng)的顯示段才有亮的可能，究竟亮與不亮還與SEG端信號(hào)有關(guān)，如果使某段亮，則在SEG上加一個(gè)與COM1信號(hào)相位相反的大幅度信號(hào)［9］，反之，加一個(gè)小幅信號(hào)。總之，兩個(gè)信號(hào)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(hào)幅度大于COM1、COM3、COM4，第三、四階段以此類推。

3 軟件實(shí)現(xiàn)

了解了段式液晶的顯示原理與驅(qū)動(dòng)方法后，使用C語言對(duì)其進(jìn)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(jiǎn)化，由于所用單片機(jī)沒有液晶驅(qū)動(dòng)器，其驅(qū)動(dòng)波形均由軟件來完成［10］，軟件實(shí)現(xiàn)過程中首先定義一個(gè)一維數(shù)組，存放4個(gè)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(jī)IO口中的P24、P25、P26、P27、WR、P44、P45、P46這八個(gè)管腳，使COM1～COM4不斷的輸出固定的波形，同時(shí)根據(jù)液晶引腳與控制顯示段的特性設(shè)計(jì)液晶顯示的字庫(kù)，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(gè)數(shù)值定義一個(gè)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(jì)時(shí)，主要構(gòu)造兩個(gè)函數(shù)實(shí)現(xiàn)液晶的動(dòng)態(tài)顯示，顯示一個(gè)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(gè)字符函數(shù)功能主要是主要送出單片機(jī)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(shí)現(xiàn)對(duì)COM口分4次掃描，先對(duì)第一位數(shù)字掃描顯示，然后將字庫(kù)的值右移八位，接著掃描顯示第二個(gè)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(gè)字符函數(shù)，其入口參數(shù)是小數(shù)點(diǎn)的位置。

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

當(dāng)用戶按下清零鍵時(shí)，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(jì)正常工作時(shí)，液晶顯示效果如圖5（b）所示，表示測(cè)得當(dāng)前水位為10.009m，若10秒內(nèi)電子水位計(jì)在沒有任何操作的情況下，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入休眠模式，顯示屏將會(huì)熄滅，不顯示數(shù)字，以節(jié)省電資源。

圖3 顯示一個(gè)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(yàn)證該方案設(shè)計(jì)的段式液晶工作低功耗時(shí)，主要通過萬用表測(cè)量其工作電流，首先使電子水位計(jì)正常工作時(shí)測(cè)得系統(tǒng)工作電流13.290mA，當(dāng)水位計(jì)休眠時(shí)測(cè)得系統(tǒng)休眠電流1.236mA。然后將水位計(jì)中的液晶器件去掉，使用同樣的方法測(cè)得沒有液晶器件時(shí)，水位計(jì)工作電流13.286mA，休眠時(shí)電流為1.235mA。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下表2所示。

表2 1/3Bias液晶電路功耗測(cè)量結(jié)果

由以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，液晶工作時(shí)消耗電流0.004 mA，休眠時(shí)液晶消耗電流0.001 mA，該數(shù)據(jù)表明使用單片機(jī)IO口直接驅(qū)動(dòng)段式液晶工作時(shí)消耗電流較小，符合低功耗要求。

5 結(jié)束語

對(duì)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(dòng)方法和軟件實(shí)現(xiàn)過程，最后通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：使用單片機(jī)IO口直接驅(qū)動(dòng)段式液晶的方法可以實(shí)現(xiàn)液晶顯示，這種驅(qū)動(dòng)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(jī)界面實(shí)現(xiàn)方式，具有一定的推廣價(jià)值。方案不足點(diǎn)是：此方法在硬件電路設(shè)計(jì)上占用的單片機(jī)IO口數(shù)量比較多，可考慮將各COM某一端與一個(gè)極性電容連接，可減少一半電阻和IO的使用。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)對(duì)IO口設(shè)計(jì)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(hào)：201511013

秋興國(guó)（1964—），男，陜西乾縣人，碩士，教授。研究方向：智能檢測(cè)與監(jiān)控系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)測(cè)控。