Алфавитно-цифровые ЖК-модули в схемах на микроконтроллере

May 3, 2014 by admin Комментировать »

Семисегментные ЖК-модули хорошо справляются с выводом цифровой информации, но они не могут полноценно формировать текстовые надписи и простейшую графику. Такой способностью обладают алфавитно-цифровые или, пругому, символьные ЖК-модули. Отличаются они, в первую очередь, наличием матрицы точек 8×8 вместо семи сегментов знакоместа, а также другим типом БИС внутреннего контроллера.

В любительской и профессиональной аппаратуре стандартом «де-факто» стали алфавитно-цифровые ЖК-модули, совместимые с системой команд контроллера HD44780 (фирма Hitachi). Почти полные аналоги: KS0066 (фирма Samsung), SED1278 (фирма Seiko Epson Corp.), ST7066 (фирма SitronixTechnology).

Экран символьного ЖК-модуля состоит из одной, двух или четырёх строк, на которых размещается 8; 10; 12; 16; 20; 24 или 40 знакомест. В прайсах модули обозначаются сокращённо: «число знакомест —х —число строк», например, 8×1 или 20×4. Для экспериментальных работ стараются выбрать нечто среднее по функциональным возможностям. В частности, весьма «ходовым» и, следовательно, более дешёвым, является ЖК-модуль с раскладкой 16×2 (две строки по 16 символов, итого 32 знакоместа). Брэнд фирмы-изготовителя особого значения не имеет.

Желательно, чтобы индикатор был с подсветкой, правда, это на порядок увеличивает мощность потребления. Необходимо знать, что подсветка бывает светодиодная (LED) и люминесцентная (EL). Первая из них отличается хорошей долговечностью 20000…100000 часов, низким напряжением питания, но высоким током потребления (от 10 до 200 мА) и большими габаритами. EL-подсветка характеризуется низким током потребления, повышенной светоотдачей и малыми габаритами, но для неё требуется источник высокого напряжения 100 В, да и срок службы составляет всего лишь 2000…5000 часов.

Достоинством символьных ЖК-модулей перед обычными ЖКИ является компактный интерфейс и простота управления. Входные/выходные сигналы имеют КМОП-уровни, поэтому ЖК-модуль, с точки зрения MK, мало чем отличается от внешней логической КМОП-микросхемы. Пользователю остаётся лишь подключить к индикатору 6…11 проводов и периодически посылать по ним управляющие сигналы. Всё остальное берёт на себя встроенный в символьный ЖК-модуль контроллер. По-английски его называют Dot Matrix LCD Controller/Driver, поскольку он совмещает функции управляющего устройства и силового драйвера для матрицы точечных сегментов (Рис. 2.38).

Рис. 2.38. Структурная схема ЖК-модуля.

Все процессы внутри ЖК-модуля тактируются RC-генератором G1 с частотой примерно 200…300 кГц. В ячейках памяти ПЗУ прошит знакогенератор, который содержит в одной половине цифры, символы и латиницу, а в другой — национальный алфавит, например, русский, украинский, белорусский, иврит, японский или китайский. Используя свободные ячейки ОЗУ, пользователь может сконструировать на экране ЖКИ любые собственные символы в габаритах 8×8 пикселов. При выключении питания информация в ОЗУ теряется.

Назначение и нумерация всех выводов символьных ЖК-модулей стандарта HD44780 унифицирована вне зависимости от количества строк и столбцов.

Назначение линий: «DB0»…«DB7» — восьми разрядная шина данных; «RS» — передача команды/данных (НИЗКИЙ/ВЫСОКИЙ); «R/W» — режим чтения/ записи (ВЫСОКИЙ/НИЗКИЙ); «Е» — строб с активным задним фронтом; «Vo» — напряжение регулирования контрастности; VCC — питание +5 В (+3.3 В); GND — общий провод; «А», «К» — анод и катод светодиодов подсветки экрана. Напряжение подсветки 4.2…4.3 В или 5 В, если внутри ЖКИ имеется резистор.

На печатной плате размещается с одной стороны ЖК-панель, с другой — одна или несколько микросхем-«капелек» (Рис. 2.39). Панель электрически соединяется с печатной платой через гребёнку прорезиненных вкладышей. Если они окислятся или сдвинутся с места, то на экране исчезнут целые полосы точек. Ремонт гребёнок проводят промывкой спиртом с просушиванием или осторожной шлифовкой «нулевой» наждачной бумагой без нажима на ровной поверхности.

Рис. 2.39. Внешний вид символьного ЖК-модуля МТС-16204 фирмы Microtips Technology.

Встречается следующая маркировка контактных площадок: слева направо

1..            . 16; справа налево 16… 1; вперемежку 15, 16, 1…14. Контакты 15, 16обычнодлируются ещё одной парой с маркировкой «А» и «К». Наличие этих контактов не означает, что внутри индикатора обязательно имеется подсветка, а если она и имеется, то может быть нерегулируемой из-за встроенных резисторов по питанию.

Различают четырё  восьми битный режимы работы «алфавитно-цифровых» ЖК-модулей (подробности в [2-51]). Для программиста ЖК-модуль представляется в виде набора регистров доступных для записи и чтения. К одним регистрам можно только обращаться (послать команду), к другим — обращаться и заносить информацию (послать команду, затем данные), из третьих — читать состояние.

Общим недостатком всех ЖКИ является ограниченный температурный диапазон. На холоде они «замерзают», на жаре — выцветают. Существуют обычные (0…+50°С) и широкодиапазонные (—20…+70°С) ЖК-модули. Для последних требуется подавать на контакт «Vo» не только положительное, но и отрицательное напряжение. В современных ЖК-модулях обычно имеется встроенный инвертор напряжения, т.к. питание однополярное положительное +3…+5 В. Для старых и нестандартных индикаторов может потребоваться двухполярное питание.

Схемы подключения ЖК-модулей (HD44780) удобно разделить на три части:

•                 узлы подачи информационных сигналов (Рис. 2.40, а…ж);

•                 узлы регулирования контрастности изображения (Рис. 2.41, а…к);

•                 узлы регулирования яркости подсветки (Рис. 2.42, a…p).

а) в восьмибитном режиме задействуются все восемь линий шины данных. Это упрощает программную часть и несколько повышает быстродействие, но требует много свободных линий портов MK. Если не надо считывать с ЖК-модуля информацию о выполнении операций, то цепь сигнала <<RyW>> можно отключить от MK и соединить с общим проводом;

б) в четырёхбитном режиме задействуются четыре старшие линии шины данных. Байт информации передаётся за два такта, что несколько снижает быстродействие. На практике это малозаметно (микросекундные задержки), поэтому четырёхбитный режим пользуется широкой популярностью у программистов. Незадействованные в схеме цепи «DB0»…«DB3» (контакты

7..             .10 ЖК-модуля HG1) обычно оставляют свободными, но в сложной помеховой обстановке их лучше подключить через резисторы сопротивлением 10 кОм к «массе» GND или питанию +5 В;

в) сокращение числа линий связи между MK и ЖК-модулем HG1. Требуется усложнённый алгоритм работы. Сначала обнуляется счётчик DD1 по входу «R» со средней линии MK, затем с верхнего выхода MK подаётся N импульсов на вход «СР». На выходах микросхемы DD1 устанавливается код старшей части адреса/команды, который вводится в ЖК-модуль по спаду сигнала «Е». Процедура повторяется ещё раз, но уже для ввода младшей части адреса/команды; О

О Рис. 2.40. Схемы подключения информационных сигналов к «алфавитно-цифровым» ЖК-модулям стандарта HD44780 (окончание):

г) аналогично Рис. 2.40, в, но вместо микросхемы двоичного счётчика используется сдвиговый регистр DD1 (аналог 74HC164). Сначала на входе «D» со средней линии MK выставляются биты старшей части адреса или команды, которые последовательно вводятся в регистр DD1 за пять тактов по входу «С». Далее с нижней линии MK формируется управляющий сигнал «Е», затем процедура повторяется ещё раз, но уже для младшей части адреса или команды;

д) дополнительные внешние резисторы R1, R2ставят в тех случаях, когда при рестарте MK на экране ЖК-модуля HG1 появляются ложные символы. Это следствие внешних наводок, которые попадают в ЖК-модуль при Z-состоянии входов MK. Один из резисторов может отсутствовать, что проверяется экспериментально. Резистор &2иногда подключают к цепи +5 В, а не к GND;

е) «интеллектуальная» микросхема DD1 (фирма E-Lab Digital Engineering) автоматически выполняет всю рутинную работу по управлению ЖК-модулем HG1 в четырёхбитовом режиме. От МК требуется всего лишь передавать через канал UART на скорости 9600 бит/с коды операций, которые понятны микросхеме DD1.

ж) верхняя линия MK периодически настраивается в режим входа, что позволяет в паузах работы с ЖК-модулем HG1 проверять состояние переключателя S1 (замкнут он или разомкнут). Сопротивление резистора R1 выбирается достаточно большим, чтобы не оказывать нагрузку на уровень напряжения в линии MK при обращении к ЖК-модулю.

Рис. 2.41. Схемы регулирования контрастности изображения в «алфавитно-цифровых» ЖК-модулях стандарта HD44780 (начало):

а) стандартная схема регулирования контрастности. Резистор Я2меньше по сопротивлению, чем R1, поскольку оптимальное напряжение на контакте «Vo» ниже, чем +2.5 В. Необязательные конденсаторы С/, C2 ставят для уменьшения помех, генерируемых  ЖК-модулем, или для повышения устойчивости его работы при нестабильном питании. Для тестирования модуля достаточно подать на него питание +5 В и перевести движок резистора R2 из одного крайнего положения в другое. В одном случае должен наблюдаться полностью тёмный, в другом — полностью светлый экран. Оптимальная же настройка резистора R2 находится где-то посередине, когда в верхней строке экрана будут тёмные прямоугольники, а нижней строке — пусто;

б)диодная стабилизация контрастности полезна при широких колебаниях температуры окружающей среды. Число диодов подбирают экспериментально для каждого типа индикатора;

в) некоторые модели ЖК-модулей имеют внутреннюю схему формирования напряжения Vo, поэтомудля регулирования контрастности требуется всего лишь один внешний резистор R1. Но это редкость, надо смотреть даташит;

г) программное регулирование контрастности при помощи импульсов переменной скважности (метод ШИМ). Постоянная составляющая напряжения выделяется на конденсаторе C7. Если он отсутствует, то мигания изображения на экране всё равно не будет видно, поскольку инерционным звеном будут являться сами жидкие кристаллы, которые не могут мгновенно изменить своё местоположение в пространстве;

д) для широкодиапазонного ЖК-модуля контрастность может оказаться недостаточной при однополярном питании. Необходимость двухполярного питания указывается в даташитах. В качестве источника отрицательного напряжения используется инвертор DA1 фирмы Maxim/Dallas. Ток нагрузки в цепи «-5 В» составляет микроамперы; О

е) отрицательное напряжение —2 В для вывода «Уо» ЖК-модуля HG1 формируется инвертором на элементах VD2, VD3, C1, С2истабилизатором напряжения на диодах VD4…VD6\

ж) схема с «взвешенным» питанием, когда «масса» устройства и цепь GND ЖК-модуля HG1 отличаются по напряжению на 0.7 В из-за диода VD1. Эта разница используется как источник отрицательного напряжения при регулировании контрастности резистором R1 Для увеличения отрицательного напряжения можно последовательно с VD1 добавить ещё один диод 1N4148;

з) полностью отключить питание ЖК-модуля HG1 можно ВЫСОКИМ уровнем на выходе MK через ключ на транзисторе VT1\

и) сокращение числа линий связи MK с ЖК-модулем HG1 Большую часть времени MK выдаёт ШИМ-сигнал, определяющий напряжение в цепи «Уо» (контрастность, Рис. 2.41, г). Сигнал для линии «RS» ЖК-модуля HG1 формируется кратковременно, только при необходимости обновления информации на экране. На контрастность изображения это практически не влияет;

к) питание ЖК-модуля HG1 осуществляется от напряжения ВЫСОКОГО уровня на выходе MK. Резистор R1 ограничивает ток в нагрузке и служит элементом RC-фильтра. Если на выходе МК сформировать ШИМ-сигнал, то можно регулировать яркость и контрастность картинки.

Рис. 2.42. Схемы регулирования яркости подсветки в алфавитно-цифровых ЖК-модулях стандарта HD44780 (начало):

а) подсветка, находящаяся внутри ЖК-модуля, потребляет ток 60…200 мА при рабочем напряжении 4…4.2 В. Столь высокое для светодиодов напряжение объясняется их последовательно параллельным соединением для более равномерного распределения по площади экрана. Выключатель S1 должен быть рассчитан на ток не менее 0.2 А. Резистором R1 регулируется яркость подсветки. Если яркость максимальная и она не регулируется резистором R1, значит конкретный ЖК-модуль HG1 имеет встроенный ограничительный резистор и элементы R1, S1 бесполезны;

б) ШИМ-управление яркостью подсветки без ограничительного резистора в цепи коллектора транзистора VT1. Светодиоды подсветки допускают импульсные перегрузки, но надо следить, чтобы транзистор VT1 не был в открытом состоянии длительное время;

в) аналогично Рис. 2.42, б, но с ограничительным резистором R3 в коллекторе транзистора VT1. Резистором R2 можно вручную регулировать яркость. Если предполагается генерация ШИМ-сигнала с переменной скважностью с выхода MK, то резистор &2можно удалить;

г) полевой транзистор VT1 позволяет включать/выключать подсветку индикатора HG1 или плавно регулировать её яркость методом ШИМ. Частота переключения ШИМ должна быть не менее 50…100 Гц, чтобы визуально сглаживались мерцания;

д) при НИЗКОМ уровне на выходе MK транзистор VT1 закрывается, но подсветка экрана ЖК-модуля HG1 полностью не гаснет из-за резистора R3. Максимальный ток (яркость) при открытом транзисторе VT1 определяется параллельным соединением резисторов R2 и R3\

е) транзистор VT1 включён по схеме с общим эмиттером. Резистор R2 задаёт яркость; О

О Рис. 2.42. Схемы регулирования яркости подсветки в алфавитно-цифровых ЖК-модулях стандарта HD44780 (продолжение):

ж) аналогично Рис. 2.42, б, но с транзистором VT1 структуры р—п—р и с активным НИЗКИМ уровнем на выходе MK;

з) при питании индикатора HG1 от резервной батареи GB1 подсветка автоматически отключается. Диод VD3 нужен, чтобы скомпенсировать падение напряжения на диоде VD2\

и) аналогично Рис. 2.42, г, но с применением полевого л-канального транзистора VT1 и с активным НИЗКИМ уровнем на выходе MK;

к) подсветка включается/выключается НИЗКИМ/ВЫСОКИМ уровнем на выходе MK. Её плавное регулирование обеспечивается высокоомным резистором R1 через УПТ на транзисторе VT1. Такое решение технически «грамотнее», чем прямое соединение контакта 15 HG1 и выхода МК через низкоомный переменный резистор, поскольку последний должен быть мощным и крупногабаритным, чтобы не выгорал резистивный слой при высокой яркости подсветки;

л) оптопара VU1 должна быть рассчитана на ток коллектора не менее 100 мА. Если не требуется оптоизоляция, то эмиттер оптопары можно соединить с общим проводом;

м) с целью снижения нагрузки на стабилизатор DA1 подсветка подключается через резистор R1 к источнику напряжения +12 В, а не +5 В. Расход мощности и КПД остаются прежними; О

О Рис. 2.42. Схемы регулирования яркости подсветки в алфавитно-цифровых ЖК-модулях стандарта HD44780 (окончание):

н) аналогично Рис. 2.42, м, но со стабилизацией тока подсветки на микросхеме DA2. Это полезно при значительных колебаниях напряжения +9…+ 12 В;

о) аналогично Рис. 2.42, м, но со стабилизатором тока подсветки на транзисторе VT1. При коротком замыкании в цепи +5 В (если она чем-то ещё нагружена) подсветка автоматически выключается. Ток задаётся резистором R2

п) при отсутствии встроенной подсветки экрана можно применить самодельный блок, состоящий из малогабаритных светодиодов HL1…HL4 зелёного или жёлтого цвета. Светодиоды должны быть максимально плоскими прямоугольными с высотой 1 мм. Они устанавливаются с двух торцов ЖК-модуля в пазы между печатной платой и индикатором. Если в наличии имеются светодиоды высотой 2…3 мм, то излишек пластмассы аккуратно стачивают надфилем;

p) аналогично Рис. 2.42, п, но с увеличенным числом светодиодов и возможностью плавного регулирования их яркости методом ШИМ.

Источник: Рюмик, С. М., 1000 и одна микроконтроллерная схема. Вып. 2 / С. М. Рюмик. — М.:ЛР Додэка-ХХ1, 2011. — 400 с.: ил. + CD. — (Серия «Программируемые системы»).

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты