单片机引脚直接驱动LCD

LED数码管的驱动是比较简单也容易理解的，多位数码管一般是LED阵列的形式，每个数字使用一个公共端，不同数字的对应同笔段使用一个控制端；驱动采用分时扫描没个数字位，动态显示。但是LED比较费电，我想做一个用电池供电的钟，用发光管电池就撑不了多久了。于是我考虑用液晶。 
     在这边的电子市场我买到一个4位笔段式液晶屏，4个数字最中间有冒号，边上还有几个箭头符号，一共有15个引脚，正合适用AVR来驱动做一个钟。 
     笔段式LCD屏的结构与LED数码管很相似，但是由于是液晶，工作机理上不同，驱动方式也有很大差异： 
     (1) LED有正负之分，液晶笔划没有。 
     (2) LED在直流电压下工作，液晶需要交流电压，防止电解效应。 
     (3) LED需要电流提供发光的能量，液晶笔划显示状态下电流非常微弱。 
     (4) LED对微小电流不反应，液晶则很敏感。 
     不难看出，用LED的驱动方式来对待LCD屏是行不通的。我在买回来测试这块屏之前没有意识到，于是走了不少的弯路。与LED驱动不同的是需要给每个笔划加上一个交流电压。一般用30-60Hz的方波就可以了，频率再低显示会有所波动，频率高了功耗也会增加，因为LCD对电路呈现容性。而且，正负电压都可以“点亮”液晶。 
     好在AVR的I/O口可以三态输出，也就是除了高/低电平，还可以呈现高阻抗，相当于断开连接。于是我想到了这样的办法：不需要显示的那一组笔划对应的公共端悬空(I/O口选择三态)，那么就不会加上电压了。照这个思路，我的实验电路焊好，出来的显示却是一团糟：笔划都黑了看不清。我这才考虑到液晶本身的问题：阻抗高，而且有电容，是不可一边悬空的！这个道理也许跟CMOS输入端差不多。查找了一些关于液晶的资料，大致知道LCD屏不是那么简单的，驱动方式通常是1/N, 也就是电压不止高低两档。可是单片机I/O没有那么多输出状态可以选择。 
     1/2 Bias驱动 
     不显示的液晶笔划两端电压相等，显示的不等。这样一个要求在扫描方式 
下不能满足，于是改为电压等级不同。1/2 Bias驱动就是这样的，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 选择的笔划上，加上的电压为 -1/2, -1, +1/2, +1 ... 在 COM1,SEG2 选择的笔划上，加上的电压为 +1/2, -1, -1/2, +1 ... 在 COM2,SEG1 选择的笔划上，加上的电压为 -1, -1/2, +1, +1/2 ...在 COM2,SEG2 选择的笔划上，加上的电压为 0, -1/2, 0, +1/2 ... 
     计算一下大致的平均功率(如果液晶灰度与电压平方成正比，实际不是这样)前三者是一样的，都是 1+(1/2)^2=5/4, 对于最后一个 0+(1/2)^2=1/4 因此显示的功率比为 5:1, 显示状态会是这样： 
                  SEG1      SEG2 
                    :        : 
       COM1    - - - O - - - O   
                    :        : 
       COM2    - - - O - - - x 
       AVR I/O没有能力输出 1/2 Vcc 的电压(ADC在这里就不要考虑了, 浪费I/O还不如用静态液晶屏), 因此没有办法实现真正的 1/2 Bias驱动。但是注意到要提供一个一半电源电压也不是难事，既然AVR I/O口可以三态，我们用两个电阻分压将端口“拉”到1/2 Vcc就好了，于是，1/2 Bias驱动的做法可以这样： 
               Vcc 
                | 
               [ ] 
               [ ] 1Meg 
               [ ] 
                | 
   Port pin-----+------------ to LCD COMx 
                | 
               [ ] 
               [ ]   1Meg 
               [ ] 
                | 
               GND 
                
     取电阻 1Meg 是综合耗电与分压效果考虑的。这样在 COMx 就可以产生三种电压值，就达到了1/2 Bias动态驱动的目的。实现起来在前面的基础上增加电阻即可，我的屏有4个公共端，因此用了8个电阻，数字就能够显示出来了。 
     虽然显示的确做到了,然而效果却不能让我满意。具体表现就是需要正对着LCD屏看才是很清晰的；如果斜着看，就可能一片混浊了，没有达到实用。用2节Ni-MH供电时候正着看没问题，用2节干电池(电压提高一点)就不是很清晰了。如前面的分析，那些没有被选择的笔段其实也加上了变化的电压，只不过与选择的比段相比电压平均有效值低一些。这两个的差异足够显著，才能保证显示效果。 
     再分析 1/2 Bais 驱动在我的LCD屏上 1/4 分时扫描的结果：一个周期内，“点亮”的笔段平均功率=1^2+(1/2)^2+(1/2)^2+(1/2)^2=7/4, 而没有被“点亮”的笔段为=0+(1/2)^2+(1/2)^2+(1/2)^2=3/4, 两者之比 7:3 
     跟前面的例子分析对比看出，从 1/2 分时扫描变到 1/4 分时扫描，显出来的笔段和不显的笔段上，电压产生平均功率的对比从 5:1 变到 7:3 了。我尝试从软件上改变扫描时序，也不能改进显示效果，看来 1/2 Bias 不够用的了。 
     我查了Nokia 3310液晶手册其中对于LCD电压输出时序的描述。恰好里面有一个图，绘出了行和列控制线上的波形。从坐标轴上看出Vlcd和Vss之间另外还有4个电压等级。这么多种电压用AVR I/O实现已经不现实了。 
     我再考虑选用带有LCD驱动功能的MCU, AVR只有一款ATmega169, 封装形式不适合DIY。Microchip有一款PIC16F913, 有28DIP的封装，看上去正合适。暂时不知道价格，我先找来它的手册看看。详细看了LCD驱动模块的部分，我发现PIC16F913也只有1/2 Bias驱动和1/3 Bias驱动两种选项，分时最多为1/4分时驱动，对于我的屏正好。 
     1/3 Bias 驱动需要将Vcc--GND之间的电压三等分，一个周期驱动波形示例如下： 
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) 笔段上，电压为 +1, -1/3, -1, +1/3 ... 在(COM1,SEG2)上为 +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 ... 
     于是计算平均功率，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, 两者之比 5:1 
     假如不是上图的 1/2 分时驱动而是 1/4 分时驱动，这个比例将变为 
2*1^2+6*(1/3)^2 vs 8*(1/3)^2 = 3:1 
     若将原来的 1/2 Bias 改用 1/3 Bias 驱动，对于我的LCD屏这个比值从 7:3 改善为 3:1 了。既然PIC16F913只设计了 1/2 Bias与1/3 Bias，用起来应该问题不大。 
     AVR单个I/O口要实现4种电压输出——不可能吧，我是想不出来了。AVR最多只有三种电压输出，能不能对这个电压再做等分呢？一番思索之后我想这样行不行：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 输出有两种：3/4*Vcc 和 1/4*Vcc, 而 COMy 输出有三种：Vcc, GND, 1/2*Vcc. 对于每个I/O口，并不需要4种电压输出。当然这样跟1/3 Bias驱动是不一样的，但是却达到了 1/3 Bias 驱动的效果，只不过加在液晶笔段上的电压绝对值最大不是 Vcc 而是 3/4*Vcc 了，因此电源电压也需要提高。这里计算省略。 
     这种驱动方式我称之为 "伪1/3 Bias驱动". 对于 COMy 的处理和前面一样，对于 SEGx, 将I/O输出电压改变一下，高电平3/4*Vcc, 低电平1/4*Vcc就好了。我的做法是： 
                                 /-------------- I/O Port pin 
                                 | 
                                [ ]                              
                                [ ]   1Meg 
                                [ ] 
                                 | 
      to   LCD SEGx --------------+ 
                                 | 
                                [ ] 
                                [ ]   1Meg 
                                [ ] 
                                 | 
                                 | 
                                1/2 Vcc 
      这里的 1/2 Vcc 可以将电源电压用电阻分压得到，我想的办法是直接接个几uF电容到GND, 实验是成功的。因为随着扫描的进行，这个地方的平均电压是输出高电平和低电平的一半。 
     目前我做了一个Mega48V的秒计数器，再改改就能把钟做出来了。