从LCD电极读数的单片机接口技术分析

以测量仪表中常见的时分割驱动法驱动的段式LCD显示器为例，分析LCD显示器的电极连接结构和驱动信号波形；介绍单片机读取仪表LCD读数的接口电路。此接口电路应用于笔者开发的自动血压监控仪的研制及临床应用项目中，由8031单片机读取血压计的收缩压、舒张压、心率以及充气和放气时瞬时压强。实验证明，此接口电路工作稳定、可靠。

关键词 LCD电极 读数 时分割驱动法 接口设计

通过测量仪表拾取被测信号是单片机前向通道设计中常用的数据采集方式。通常，接口电路从仪表电路中取得相关的模拟信号，经过A/D转换或V/F转换送入单片机；或者取得一个频率信号，经整形后送入单片机[1]。然而，有些测量仪表电路中可能找不到这样的信号。以电容式压力传感器血压计为例，尽管从其振荡电路中可以取得一个与压强成线性关系的频率信号[2]，送入单片机测得压强，但这个压强并不是所要拾取的收缩压、舒张压和心率；而普通的血压计又没有智能仪表那样的通信接口与单片机通信。显然，要想通过这样的仪表拾取被测信号只有直接读取其显示屏的读数了。

本文以一个全自动血压计为例，介绍将LCD显示器读数读入单片机的接口电路。该血压计显示器为6 1/2位段式LCD显示器，3位显示收缩压，3位显示舒张压。1/2位在两组数码中间，显示4个指示符号。

1 LCD的电极连接结构和工作波形

1.1 LCD的电极连接结构

图1为血压计LCD的电极连接结构及等效电路。其中，图1（a)为公共电极连接排列，图1（b)为段电极连接排列。它共有4个公共电极COM0~COM3，每位数码各有2个段电极Sx-0、Sx-1，其等效电路为一个4行×2列的矩阵，如图1（c)所示。

图1 LCD电极连接结构及等效电路

1.2 LCD的工作波形

用双踪示波器观察血压计LCD的工作波形，如图2所示。它采用时分割驱动法驱动，偏比1/3,占空比1/4，B型[3]。公共电极COM0~COM3的信号波形始终保持不变，段电极Sx-0、Sx-1信号波形随显示数字的变化而变化。图2中的Sx-0、Sx-1波形为显示数字“0”时的工作波形。由图2可知，不考虑信号的直流分量，所有波形的前半周期t1~t4与后半周期t5~t8大小相等，极性相反。COM0~COM3信号电压依次在t1~t4四个时间内达到峰值。时间t1为第1行上f、a两段的扫描时间，公共电极COM0，Sx-0为f段的段电极，Sx-1为a段的段电极。在t1时间内， f段上的电压COM0－Sx-0=V0，a段上的电压COM0－Sx-1=V0，f、a两段均处于选择状态，显示。其余各段在其扫描时间内的电压和显示状态如表1所列。7段中只有g段上的电压为V0/3，处于非选择状态，不显示。其余6段均处于选择状态，显示。因此，显示数字“0”。

图2 LCD工作波形

表1 显示“0”时各段的显示状态

由此可见，只要依次检查在t1~t4四个时间内f、a、g、b、e、c、d各段上的电压COMx－Sx-y(x=0,1,…,6;y=0,1)是V0还是V0/3即可获得LCD各位数码的字形码，然后再将字形码转换为测量结果。

2 单片机读数接口电路

图3为根据上述工作原理设计的8051单片机读数接口电路。图中，LCD为血压计的液晶显示器，6位数码从右到左依次编号0~5，中间半位的编号为6。它有13个段电极、4个COM电极，GND为血压计的接地端。8051的 PC口为8051的扩展并行口。

图3 读数接口电路

2.1 显示状态读取电路

由CD4067、CD4051、LM324(UA、UB)组成显示状态读取电路，读取LCD数码各段的显示状态。CD4067多路模拟开关从LCD的13个段电极信号中选择一路Sx-x输出到LM324(UA)的反相输入端2脚。CD4051多路模拟开关从LCD的4个COM信号中选择一路COMx输出到LM324(UA)的同相输入端3脚。LM324(UA)接成模拟减法器，由1脚输出信号COMx－Sx-x。UB作电压比较器，参考电压VR大小由电位器W1调节于V0/3～V0之间，将段电压COMx－Sx-x与VR比较。比较结果为该段的显示状态，高电平说明该段显示，低电平不显示。显示状态送入8051的P1.6脚。R1、C1组成RC滤波器，滤除高频干扰。

比如，要读取0号数码的a段显示状态，由图1知，0号数码a段的段电极是S0-1，公共电极是COM0。由程序控制在t1时间内令PC1PC0=00，使CD4051选择COM0，令PC5~PC2=0001，使CD4067选择S01，COM0和S01两信号电压经UA减法器相减，然后再经UB电压比较后得到a段的显示状态，8051从P1.6脚读取此显示状态。

2.2 INT0中断信号产生电路

UC和UD组成INT0中断信号产生电路。UC 接成电压跟随器，减小电路对COM0信号的影响。R2、C2组成RC滤波器，滤除高频干扰。UD作电压比较器，参考电压VR加在同相输入端，VR大小由电位器W2调节于2V0/3～V0。电压比较器将COM0信号转换为INT0负脉冲