工程实践报告

摘要

我们通过资料的查阅，初步了解了液晶显示技术的历史和发展前景，同时对TN型液晶材料和12864型液晶做了更加深入的了解，并且做出了实物模型，通过这次工程实践对液晶材料有了更加直观的认识。

关键词：液晶显示技术，TN型液晶材料，12864液晶材料，实物模型

前言：

1888年奥地利植物学家发现了一种白浊有粘性的液体，后来，德国物理学家发现了这种白浊物质具有多种弯曲性质，认为这种物质是流动性结晶的一种，由此而取名为Liquid Crystal即液晶。液晶是白色混浊的粘性液体，显示棒状的分子形状。

一、液晶的特性

1、常见液晶相

向列相(Nematic)、胆甾相(Cholesteric)和近晶相(Smectic)

（1）向列相液晶

它的分子成棒状，局部地区的分子趋向于沿同一方向排列。分子短程相互作用比较弱，其排列和运动比较自由，分子这种排列状态使其粘度小、流动性强。向列相液晶的主要特点是具有单轴晶体的光学性质，对外界作用非常敏感，是液晶显示器件的主要材料。

（2）胆甾相液晶

它的分子呈扁平层状排列，分子长轴平行层平面，层内各分子长轴互相平行（对应方向）相邻两层内的分子长轴方向有微小扭转角，各层分子指向矢沿着层的法线方向连续均匀旋转，使液晶整体结构形成螺旋结构，螺旋扭转360°的两个层面的距离叫做螺距，用L表示，通常L为100nm的数量级。这种特殊的螺旋状结构使得该种晶体具有明显的旋光性、圆偏振光二向色性以及选择性光散射等特殊光学性质。因此，常将胆甾相液晶作为控制液晶分子排列的添加剂或直接作为变色液晶膜。

（3）近晶相液晶

近晶相液晶分子也成棒状，分子排列成层，每层分子长轴方向是一致的，但分子长轴与层面都呈一定的角度。层的厚度约等于分子的长度，各层之间的距离可以变动。由于分子层内分子结合力强，层与层间结合力弱，所以这种液晶有流动性，但粘度比向列相液晶大。近晶相液晶具有正性双折射性，因此，近晶相液晶显示器件比向列相液晶显示器件的特性更优越。

2、液晶的优点

液晶显示材料具有明显的优点：驱动电压低、功耗微小、可靠性高、显示信息量大、彩色显示、无闪烁、对人体无危害、生产过程自动化、成本低廉、可以制成各种规格和类型的液晶显示器，便于携带等。由于这些优点。用液晶材料制成的计算机终端和电视可以大幅度减小体积等。液晶显示技术对显示显像产品结构产生了深刻影响，促进了微电子技术和光电信息技术的发展。

3、液晶的物理特性

当通电时导通，排列变得有秩序，使光线容易通过；不通电时排列混乱，阻止光线通过。让液晶如闸门般地阻隔或让光线穿透。从技术上简单地说，液晶面板包含了两片相当精致的无钠玻璃素材，称为Substrates，中间夹着一层液晶。当光束通过这层液晶时，液晶本身会排排站立或扭转呈不规则状，因而阻隔或使光束顺利通过。大多数液晶都属于有机复合物，由长棒状的分子构成。在自然状态下，这些棒状分子的长轴大致平行。将液晶倒入一个经精良加工的开槽平面，液晶分子会顺着槽排列，所以假如那些槽线非常平行，则各分子也是完全平行的。液晶是一种介于晶体状态和液态状态之间的中间物质。它兼有液体和晶体的某些特点，表现出一些独特的性质。

二、 液晶的驱动原理与显示技术

1、液晶屏动态驱动的基本原理

（1）一般液晶驱动原理

液晶分子的扭转，使背光灯的光被调制从而产生明、暗、遮、透、变色等显示效果。要实现这个目的，必须有两个基本条件：一是要有足够的电信号作用于液晶分子，来改变液晶分子的初始排列，二是每个电信号要在一段时间内作用于一个或者多个液晶像素单元，使像素形成为人眼所能接受和认识的视觉效果，也就是显示出与CRT显示器一样的静态或者动态的画面。通过把主机显卡送来的RGB信号进行模拟/数字转换等一系列的处理，并对其进行电压、相位、频率、峰值、有效值、时序等参数和特性的控制，使其成为能够驱动液晶分子扭转并按照输入信号变化规律变化的驱动信号，加到液晶像素的TFT薄膜晶体管上，达到显示图像的目的。

液晶显示屏的水平(X)一组的显示像素的背电极(TFT薄膜晶体管的栅极)连在一起引出，称为行电极，该电极上通常施加的是扫描驱动信号。把纵向(Y)一组的显示像素的背电极(TFT薄膜晶体管的源极)连起来一起引出的，被称为列电极，该电极上通常施加的是数据驱动信号。显示屏上的每一个像素的扭转和状态都是行电极和列电极交叉汇合控制的结果，这样通过行信号和列信号的不同组合，就可对每个像素进行控制，进而控制特定像素的扭转。在驱动方式上采用了光栅扫描方式，通过循环地给行电极施加选择脉冲，同时为有显示数据的所有列电极给出相应的选择或非选择的驱动脉冲，从而实现某行所有显示像素的显示功能。这种行扫描是逐行顺序进行的，循环周期很短(高达几十KHz)，使屏幕上能够显示稳定的图像。

（2）LCD12864驱动原理

液晶是一种在一定温度范围内呈现不同于固态液态又不同于气态的特殊物质态，它既具有各向异性的晶体所特有的双折射性又具有液体的流动性液晶显示器件(英文的简写为LCD)就是利用液晶态物质的液晶分子排列状态在电场中改变而调制外界光的被动型显示器件。点阵式图形液晶显示屏是LCD 的一种能够动态显示图形汉字以及各种符号信息为各种电子产品提供了友好的人机界面点阵式图形液晶显示屏的主要特点如下(这些特点也就是LCD 的特点。)：工作电压低、微功耗、体积小、可视面积大、无电磁辐射、数字接口、寿命长等特点。LCD12864是一种图形点阵液晶显示器，它主要由行驱动器列驱动器及128×64全点阵液晶显示器组成。可完成图形显示，也可以显示8×4 个(16×16 点阵)汉字或者显示16×4个(8×16点阵)ASCII码。分为两种，带字库的和不带字库的。不带字库的LCD需要自己提供字库字模，此时可以根据个人喜好设置各种字体显示风格，设计上较为灵活。带字库的LCD提供字库字模，但是只能显示GB2312的宋体。各有优缺点，根据不同应用场景灵活选择。其液晶模块原理图如下所示：

2、液晶显示技术

（1）液晶显示分为反射式、透射式、投影式

（2）动态散射型液晶显示器（DS-LCD）

世界上第一个液晶显示器就是动态散射型的，它是将离子型有机导电材料掺入液晶材料中，并将液晶分子沿面排列，制成液晶盒。不通电时，液晶盒透明，通电电压大于10V后液晶变成乳白色，不透光，由于其电流大，液晶易于分解，寿命短，显示质量差，很快就被淘汰了。

（3）扭曲向列型液晶显示器(TN-LCD)

液晶分子沿面排列，分子长轴在上下基板之间连续扭曲90°，夹入两电极基板之间，制成液晶盒，自然光经起偏器变成直线偏振光，入射到液晶盒内，被扭曲90°，并通过下基板外的偏光轴与起偏器垂直的检偏器，透光；当两电极之间加上一定的电压时，液晶分子转动，最终成与基板成垂直排列，入射到液晶盒内的偏振光，未被扭曲，不能通过检偏器，不透光。

TN－LCD是目前最普通的一种液晶显示器，结构简单，工艺成熟，性能、寿命极其稳定，价格非常便宜。但由于它的不陡的电光特性，在点阵显示方式下交叉效应严重，一般只实用于静态或四路以下的动态段式显示中，目前最好的TN液晶器件也只能实现8～16路驱动显示。此外，响应速度慢、视角窄也是它的主要缺点。

由于以上缺点，TN－LCD一般只能用于液晶手表、计算器、电子钟、数字仪表等低档电子产品中。

（4）电控双折射液晶显示器（ECB－LCD）

可利用电压的变化来改变显示颜色，人们曾希望用其实现彩色显示。分为垂直排列相畸变（DAP）方式、沿面排列方式、混合排列（HAN）方式三种方式。

（5）宾主效应液晶显示器件(GH－LCD)

在向列相液晶中加入二色性染料，做成的液晶显示器件。染料分子随液晶分子的转动而转动，其对偏振光的吸收随其光轴与偏振光的夹角而变化，正性二色性染料分子轴与偏振光振动方向一致时，吸收最大。

平面型宾主液晶显示器有电光特性差、对比度低、响应速度慢、工作电压高等缺点，将盒内上下基板间分子排列成90°扭曲，将改善电光特性的陡度；双盒结构宾主液晶可以提高对比度。

（6）相变液晶显示器件（PC－LCD）

胆甾相――向列相可以互相转换。优点是不用偏振片，显示亮度高、视角宽。缺点是只有透过、白浊两种状态；无法实现灰度，对温度敏感，驱动麻烦。

（7）超扭曲向列液晶显示器件（STN－LCD）

在向列相液晶中加入百分之几的手性旋光材料，使液晶盒内的液晶分子扭曲180°～270°就可以制成超扭曲液晶显示器件。

超扭曲液晶显示器件的电光特性非常陡峭，这大大提高了它的多路驱动能力，当扭曲角β＝270°时，曲线的陡度趋于无限大，理论上可以驱动无数路，实际上工作于1/480占空比下没有问题。STN－LCD这种优良的特性大大扩展了液晶显示器件的应用领域，自1984年发明这种显示器件以来，STN－LCD在初期的笔记本电脑、文字处理机、复印机、高档仪表及其他需要汉字、图形显示的领域被广泛的采用。目前应用领域最大的是手机和PDA等通信产品，大部分手机都采用了单色或彩色STN－LCD。

（8）铁电液晶显示器件（FLCD）

铁电液晶是近晶相液晶的一种，手性液晶分子构成的近晶C相为铁电液晶。铁电液晶的最大优点是响应速度快，可达微秒级，因此有许多人一直在研究如何用它实现动画显示，最近，有人在研究将铁电液晶用于LCOS投影显示。铁电液晶最大的困难是如何实现稳定的分子取向技术。最近，人们研究出了表面稳定的双稳态铁电、反铁电液晶显示器件，使取向技术得到了很好的改善。

三、液晶显示技术的发展前景展望

各类液晶显示之间的竞争对液晶显示发展趋势影响也很大。我们知道,液晶显示的分类是很多的,例如：TN、STN、TFT等等。各种类别的液晶显示优缺点各异。对用户来说,它们是互补的,但对各类液晶显示来说,这就促成了它们各自克服缺点,发挥优点的不断进步,甚至会激发出灵感开创出新的显示模式。下面分别简单介绍一下目前几种主要液晶显示产品的特性。

1、黑白和彩色STN

STN是在克服TN型液晶显示难以多路驱动的缺点时诞生的,但是,STN的干涉色,使其显示效果不如TN的液晶显示,于是人们利用光学延迟片对圆偏振光的补偿原理制造出了黑白STN。

STN又吸收了微彩色膜技术实现了彩色STN。它突破了无源液晶显示的彩色化,又远比TFT彩色化液晶显示价格低,虽然这种彩色化,由于STN本身特点所决定,只能显示不多的彩色级别,被称为“伪彩”,但是STN已经成为液晶显示市场中不可或缺的一大类产品了。

2、多晶硅TFT

TFT有源矩阵液晶显示是可以实现活动视频图像显示的液晶显示,但是,在非晶硅薄膜上制作的有源矩阵TFT由于其电子迁移率低,而不得不将器件面积作得稍大,因此在很小的像素面积上占据了不少比例,使像素的开口率（有效像素面积/全部像素面积）仅70%左右。严重影响了背光源的有效利用,而无源液晶显示虽然不能显示视频图像,但是其开口率高（不计像素间隔,可达100%）,相互竞争,导致人们开发了开口率达80%以上的多晶硅TFT有源矩阵,即P-TFT-LCD。

3、反射式液晶显示

液晶显示属被动显示,只有在有外光源的条件下（无论是环境光还是背光源）才能实现显示。但是,背光源的功耗是液晶本身功耗的几百倍以上。因此,在有无背光源的两大类液晶显示中,反射式液晶有一定的优势。但是原有TN和STN反射式液晶由于偏光片的吸收使其显示底色暗,对比差,显示效果不好。

各类液晶显示在对外光源的有效利用和追求所谓“书写式”（或称类纸）显示效果的竞争中,激发了对反射式液晶显示的开发热情。使反射式液晶显示成为当今液晶显示又一大发展趋势之一。

液晶显示与各类显示的竞争。液晶显示与其他几种平板显示在市场上的竞争是驱动液晶显示持续发展的又一大动力。近年来,PDP,OLED,DMD,FED等多种非液晶的平板显示都已经陆续成熟上市,它们针对液晶显示的某些不足,如亮度低,不易大屏幕化等缺陷,来势汹汹发起了对液晶显示的挑战。某些观点喜欢将显示器分为“代”,而且认为“新一代”的显示会取代“老一代”的显示。最近,某些人即声称OLED将会取代液晶显示。

事实上,由于各种显示各有不同的优缺点和各自特性,一般不可能完全互相取代,但是,利用本身的某一特长部分取代或冲击另一类显示器件是完全现实的。液晶显示不得不面对这一挑战和竞争。这一挑战和竞争既是对液晶显示产业的威胁,又是液晶显示产业的发展动力。

四、结语

通过本次工程实践中本组同学的共同努力和朱海东老师的悉心指导，我们做了以LCD12864液晶为基础的液晶显示模块，得到了预期的效果。通过自己动手的实践研究，充分把课堂所学习的理论知识运用到了实践当中，这对我们的在以后的学习和工作中打下了坚实的基础和积累了一定的经验。

附：

电路原理图

PCB电路

程序：

#include

#include

#define LCD_data P0

#define uchar unsigned char

#define uint unsigned int

#define LCD_RS P2_7

#define LCD_RW P2_6

#define LCD_EN P2_5

#define LCD_PSB P2_4

//#define LCD_RST P2_3

#define NOP(){_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();}

void delay(uint x);

bit lcd_busy();

void write_cmd(uchar cmd);

void write_dat(uchar dat);

void lcd_pos(uchar x, uchar y);

void lcd_init();

void lcd_clear();

uchar str1[] = {"CUIT"};

uchar str2[] = {“成都信息工程大学"};

uchar str3[] = {“xxxxxx"};

uchar str4[] = {“xxxxxx"};

void main()

{

uchar i;

delay(100);

lcd_init();

while(1)

{

lcd_pos(1,0);

for(i=0;i<16;i++)

{

write_dat(str1[i]);

delay(30);

}

lcd_pos(2,0);

for(i=0;i<16;i++)

{

write_dat(str2[i]);

delay(30);

}

lcd_pos(3,0);

for(i=0;i<16;i++)

{

write_dat(str3[i]);

delay(30);

}

lcd_pos(4,0);

for(i=0;i<16;i++)

{

write_dat(str4[i]);

delay(30);

}

lcd_clear();

}

}

void delay(uint x)

{

while(x--)

{

uchar i;

for(i=0;i<150;i++)

{

_nop_();

_nop_();

_nop_();

_nop_();

}

}

}

bit lcd_busy()

{

bit result;

LCD_RS = 0;

LCD_RW = 1;

LCD_EN = 1;

NOP();

result = (bit)(P0&0x80);

LCD_EN = 0;

return(result);

}

void lcd_clear()

{

write_cmd(0x34);

delay(5);

write_cmd(0x30);

delay(5);

write_cmd(0x01);

delay(5);

}

void lcd_init()

{

LCD_PSB = 1;

//LCD_RST = 0;

delay(10);

//LCD_RST = 1;

delay(10);

write_cmd(0x34);

delay(10);

write_cmd(0x30);

delay(10);

write_cmd(0x0C);

delay(10);

write_cmd(0x01);

delay(10);

}

void lcd_pos(uchar x, uchar y)

{

uchar pos;

if(x == 1)

{

x = 0x80;

}

else if(x == 2)

{

x = 0x90;

}

else if(x == 3)

{

x = 0x88;

}

else if(x == 4)

{

x = 0x98;

}

pos = x + y;

write_cmd(pos);

}

void write_cmd(uchar cmd)

{

while(lcd_busy());

LCD_RS = 0;

LCD_RW = 0;

LCD_EN = 0;

_nop_();

_nop_();

P0 = cmd;

NOP();

LCD_EN = 1;

NOP();

LCD_EN = 0;

}

void write_dat(uchar dat)

{

while(lcd_busy());

LCD_RS = 1;

LCD_RW = 0;

LCD_EN = 0;

P0 = dat;

NOP();

LCD_EN = 1;

NOP();

LCD_EN = 0;

}

液晶驱动与显示技术