Физические основы работы ЖКИ

Практическая работа №4

Тема: Подключение ЖК-дисплеев к МК.

Цель: Получить практические навыки проектирования электрических схем цифровых устройств, содержащих в своем составе ЖК-дисплеи..

Задание: Разработать электрическую принципиальную схему на основе микроконтроллера, содержащую ЖК-дисплей, в соответствии с техническим заданием.

Краткие теоретические сведения

Физические основы работы ЖКИ

Основные характеристики ЖК обусловлены анизотропными характеристиками используемых материалов. Наиболее распространены нематические ЖК-молекулы, оси которых вытянуты параллельно друг другу. Ниже будет рассмотрена базовая конструкция и основы функционирования стандартного индикатора. Первая деталь – специальное стекло, придающее неполяризованному световому потоку плоскую поляризацию. В следующем слое «скрученная» структура ЖК- молекул вращает плоскость поляризации света на 90 градусов. Таким образом, свет проходит через второй поляризатор и устройство выглядит белым.

Если к ячейке приложено электрическое поле, оси молекул поворачиваются перпендикулярно электродам и структура перестаёт вращать плоскость поляризации падающего света, который при этом поглощается вторым поляризатором и устройство выглядит чёрным.

После снятия поля нематик возвращается в «скрученное» состояние. Подвижность кристаллов сильно зависит от температуры, при низкой температуре движение происходит очень медленно.

С электрической точки зрения, каждый элемент представляет собой конденсатор, с учётом сигнальных линий он представляет из себя RC-цепь.

Постоянный ток вредит жидким кристаллам и в конечном счёте разрушает их. Таким образом, следует защищать молекулы от постоянного напряжения. Как правило, документация на ЖК индикаторы позволяет подавать не более 50мВ.

Существуют 2 основных типа управления – статическое и мультиплексированное.

Статическое управление приемлемо лишь для индикаторов с небольшим количеством активизируемых элементов. При статическом управлении каждый пиксел индикатора имеет собственную цепь управления. Управляющее напряжение прикладывается к каждому элементу.

Наибольшее применение статическая индикация находит в традиционных семисегментных ЖК индикаторах устанавливаемых в наручные часы и др. устройства.

Мультиплексирование позволяет управлять большим количеством пикселов. Когда элементы упорядочены, вместо раздельного управления каждым элементом, они могут адресоваться по строкам и столбцам.

Таким способом упрощается управляющая схема, т.к. каждому пикселу не требуется собственная управляющая линия. Для матрицы 4х4 пикселов потребуется 16 драйверов при статическом управлении. При использовании мультиплексного управления их число снизится до восьми – по одному на каждый столбец и строку.

На рисунке показан формат 2х2 (bias 1:2 duty 1:2).

Используются только 2 линии COM (duty 1:2) и на выходе будет 2 уровня напряжения (bias 1:2) - V1 и V3. Показаны формы сигнала для двух сегментов: SEGn выключен и SEGn+1 включен. Алгебраическая сумма напряжений между линиями COM и SEG отображена на «разностных» осциллограммах. Для предотвращения разрушения кристаллов постоянным током, ЖКИ питается двухполупериодным переменным напряжением. Уровень напряжения V1(=V2) это симметричная «средняя точка» для индикатора.

(1)(V3-V1) = - (V0-V1)

(2)V1 = V3/2

Кроме этого, интервал действия каждого сигнала также является постоянным. Если число «общих» (COM) линий возрастает, время контроля каждого пиксела (duty) уменьшается, что приводит к ухудшению контраста и угла обзора, но это компенсируется менее сложной схемой управления. Способ управления мультиплексными индикаторами это, по сути, временное разделение управляющих сигналов с числом интервалов, равным удвоенному количеству «общих» электродов (COM). Так же, как и для обычных ЖКИ, с целью предотвращения нежелательных электрохимических реакций и разрушения индикатора, напряжение на всех сегментах должно периодически изменять полярность таким образом, чтобы суммарное напряжение было равно нулю. Именно это является целью удвоения временных интервалов – к каждой цепочке сегментов попеременно прикладывается напряжение противоположной полярности.

Многие задачи требуют значительно больше, чем вывод нескольких символов. Если необходимо выводить цифробуквенную информацию, для этих целей существует большое число готовых символьных ЖК-модулей.

Данные модули имеют встроенный ЖК-контроллер и драйверы. Для связи с МК используется простой параллельный интерфейс. В большинстве таких модулей используется контроллер HD44780 или его аналоги. Де-факто, протокол данного контроллера от Hitachi Semiconductor стал стандартом, что сделало возможным использование программных библиотек.

Контроллер поддерживает до 80 цифробуквенных символов, обычно выпускаются модули с конфигурацией 2x14, 2x16, 2x20, 2x24, 2x40, 4x20 символов.

Требования, предъявляемые к интерфейсу микроконтроллера несложны. Для связи требуется всего 7 линий ввода-вывода. На рисунке показано подключение такого стандартного модуля.

В данном примере используется порт 6, но можно использовать любой другой порт. Индикатор может работать в двух режимах: три служебные линии (E,R/W,RS) и 4-х или 8-битная шина данных. С целью уменьшения используемых выводов, в данном примере используется 4-битный режим. Каждый байт данных передаётся двумя тетрадами при помощи специального протокола.

Большинство модулей имеет стандартное расположение выводов:

Номер вывода	Название	Активный уровень	Направление	Назначение (8-битный режим)	Назначение (4-битный режим)
	Vss	-	-	Питание (GND)	Питание (GND)
	Vcc	-	-	Питание (+5В)	Питание (+5В)
	Vee	-	-	Установка контраста	Установка контраста
	RS	0/1	Вход	«0» – команды «1»- данные	«0» – команды «1»- данные
	R/W	0/1	Вход	«0» – запись в модуль «1» – чтение из модуля	«0» – запись в модуль «1» – чтение из модуля
	E	1 > 0	Вход	Сигнал разрешения	Сигнал разрешения
	D0	0/1	В/В	Шина данных 0 (МЗР)	Не используется
	D1	0/1	В/В	Шина данных 1	Не используется
	D2	0/1	В/В	Шина данных 2	Не используется
	D3	0/1	В/В	Шина данных 3	Не используется
	D4	0/1	В/В	Шина данных 4	Шина данных 0(МЗР) и 4
	D5	0/1	В/В	Шина данных 5	Шина данных 1 и 5
	D6	0/1	В/В	Шина данных 6	Шина данных 2 и 6
	D7	0/1	В/В	Шина данных 7 (СЗР)	Шина данных 3 и 7(СЗР)

 

Для установки режимов работы модуля и выбора 4-битной шины требуется подать ряд команд начальной инициализации. Поток данных между микроконтроллером и ЖК-модулем состоит из команд и данных (ASCII-совместимых символов).

Инструкция RS RW DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 Описание Очистка дисплея                     Очищает дисплей и возвращает курсор в начальное положение Возврат курсора                   * Возвращает курсор в начальное положение Выбор направления сдвига                 ID S Выбирается направление сдвига курсора Включение               D C B Включает/выключает весь дисплей (D) или курсор Сдвиг курсора/экрана             SL RL * * Сдвигает курсор или экран Программирование режима           DL N F * * Определение режима отображения и ширины шины данных Установка адреса CGRAM         a a a a a a Устанавливает адрес CGRAM Установка адреса DDRAM       a a a a a a a Устанавливает адрес DDRAM Чтение флага занятости     BF a a a a a a a Чтение флага занятости и счётчика адреса Запись в CGRAM или DDRAM     d d d d d d d d Записывает данные в CGRAM или DDRAM Чтение из CGRAM или DDRAM     d d d d d d d d Читает данные из CGRAM или DDRAM

 

DDRAM – ОЗУ данных дисплея (Display Data RAM); CGRAM – ОЗУ знакогенератора (Character Generator RAM); a – адрес; d – данные.

I/D:	«0»- декремент позиции курсора, «1»- инкремент позиции курсора
BF:	«0» – готов к приёму команды, «1» – занят (выполняется команда)
D:	«0» – дисплей выключен, «1» – дисплей включен
R/L:	«0» – сдвиг влево, «1» – сдвиг вправо
B:	«0» – мигание курсора выключено, «1» - мигание курсора включено
S:	«0» – нет сдвига экрана, «1» – сдвиг экрана
N:	«0» - 1/8 или 1/11 duty (1-строчный режим), «1» - 1/16 duty (2-строчный режим)
DL:	«0» – 4-битный интерфейс, «1» – 8-битный интерфейс
F:	«0» – матрица 5x7 точек, «1» – матрица 5х10 точек

 

Оптимальный метод управления ЖК-дисплеем сильно зависит от задачи.

Для простейших применений, таких как игрушки, где отсутствуют задачи жизнеобеспечения, можно применять программное управление линиями ввода-вывода.

Для промышленных и автомобильных применений, где имеет большое значение время эксплуатации и температурные воздействия необходимо применять специализированный ЖК-контроллер. Микроконтроллер с встроенным контроллером ЖКИ позволяет снизить затраты за счёт отсутствия внешних компонентов. В случае необходимости управления большим количеством сегментов требуется внешний контроллер ЖКИ.

В применениях, требующих вывода текстовых сообщений разумно использовать символьные ЖК-модули, позволяющие экономить программные и аппаратные ресурсы.

В качестве подсветки ЖК-дисплея могут использоваться CCFL, светодиодные матрицы, диффузионные источники и т.д.

При светодиодной подсветке светоизлучающим элементом служат светодиоды с различной длиной волны. Наиболее часто применяются следующие цвета: желто-зеленый, красный, янтарный, зеленый, голубой, белый. Светодиодная подсветка может быть боковой (используется несколько светодиодов устанавливаемых в торце подсветки и прозрачный световод) и фронтальной (светодиоды равномерно распределены по всей поверхности поля подсветки). Минимальная толщина боковой светодиодной подсветки – 1,5 мм (однако наиболее дешевый вариант – 4 мм), минимальная толщина фронтальной подсветки – 4 мм. Это нужно учитывать при разработке конструкции прибора. Напряжение питания светодиодной подсветки зависит от типа применяемых светодиодов и схемы их соединения и, как правило, составляет 2,0-10 В. Ток, потребляемый боковой подсветкойобычно не превышает 150 мА, фронтальная подсветка потребляет 100-300 мА. Возможно уменьшение потребляемого тока, однако это приведет к уменьшению яркости подсветки. Относительно большой ток потребления является единственным недостатком светодиодной подсветки и затрудняет ее применение в автономных устройствах с батарейным питанием.

Электролюминисцентная (ЭЛ) подсветка представляет собой два пленочных электрода и алюминиевый отражатель. При приложении к электродам переменного напряжения частотой 50-400 Гц и амплитудой порядка 60-180 Вольт подсветка излучает световую энергию в диапазоне белого, голубого или желто-зеленого спектра. Ток потребления ЭЛ подсветки составляет порядка 0,1-0,6 мА на 1 квадратный сантиметр, что позволяет рекомендовать ее для применения в носимых устройствах. Однако ЭЛ подсветка имеет множество недостатков – это необходимость применения инвертора для питания, малый срок службы (от 2 до 5 тысяч часов), узкий диапазон рабочих температур (от -20ºC до 60ºC), высокая стоимость по сравнению со светодиодной.

Подсветка на люминесцентной лампе с холодным катодом (CCFL) – представляет собой модуль с миниатюрной высоковольтной лампой с холодным катодом (белое свечение). Амплитуда рабочего напряжение составляет 250-340 Вольт (напряжение поджига от 1 до 1,5 кВ) с частотой 30-40 кГц, потребляемая мощность – 1-15 Ватта. CCFL подсветка обладает очень высокой яркостью при сравнительно низкой потребляемой, поэтому ее можно рекомендовать для подсветки больших графических матриц. Срок службы CCFL подсветки составляет 15-50 тысяч часов.

Задание

1. Разработать электрическую принципиальную схему цифрового контроллера на основе МК AVR содержащего ЖК-дисплей и матричную клавиатуру.

2. Выполнить чертеж схемы электрической принципиальной по ГОСТ ЕСКД.

3. Обосновать выбор схемотехнических решений.

4. Исходные данные для проектирования представлены в таблице вариантов 1.

Таблица 1 – Исходные данные

Вариант №	Микроконтроллера	Матричная клавиатура	Дисплей
	ATmega8	3х3	MT–16S2H
	ATmega16	4х3	MT-08S2A
	ATmega32	4х4	MT-12232A
	ATmega8	3х3	MT-16S1A
	ATmega16	4х3	MT-16S2D
	ATmega32	4х4	MT-12864J
	ATmega8	3х3	MT-08S2A
	ATmega16	4х3	MT-12232A
	ATmega32	4х4	MT-16S1A
	ATmega8	3х3	MT–16S2H

Содержание отчета

Отчет по практической работе должен содержать:

- наименование практической работы;

- тему практической работы;

- цели и задачи практической работы;

- задание в соответствии с вариантом;

- чертеж схемы электрической принципиальной;

- обоснование разработки схемы электрической принципиальной;

- вывод по проделанной работе;

- ответы на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы

1. В чем заключается принцип статического управления ЖК-индикатором?

2. В чем заключается принцип матричного управления ЖК-индикатором?

3. Что собой представляет контроллер HD44780?

4. Какие типы подсветки встречаются в ЖК-дисплеях?