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物聯網系列:單色圖形顯示介紹(NOKIA 5110 LCD基本篇)

隨著數位化技術的推進,電子數位應用產品為人類生活帶來極佳的便利性與樂趣,而所有數位產品皆需要顯示介面來呈現內容,因此,顯示模組已成為產業的關注焦點,不同的顯模組技術在其中角逐,全球相關廠商也投注資源開發顯模組技之新技術、新應用,並為提昇人類視覺享受而努力

液晶顯示器(Liquid-Crystal Display:LCD)為平面薄型的顯示裝置,由一定數量的彩色或黑白畫素組成,放置於光源或者反射面前方。由於液晶顯示器功耗低,價格便宜,驅動容易,因此倍受工程師青睞,適用於使用電池的電子裝置。

本篇主要介紹常用於隨身裝置:如健康智慧手環、隨身 3C 產品:如 MP3 隨身聽…等等商業產品常用的顯示螢幕:液晶顯示器(Liquid-Crystal Display:LCD)主要的特性功耗低,價格便宜,驅動容易等特性,所以本文介紹 NOKIA 5110 圖形顯示的 LCD 螢幕,主要這款螢幕,被手機大廠 NOKIA 用來裝置在 5110  系列手機,因而大受歡迎。

液晶顯示器(Liquid-Crystal Display:LCD)基本介紹

如下圖所示,液晶顯示器的每個畫素由以下幾個部分構成:懸浮於兩個透明電極(氧化銦錫)間的一列液晶分子層,兩邊外側有兩個偏振方向互相垂直的偏振過濾片。如果沒有電極間的液晶,光通過其中一個偏振過濾片其偏振方向將和第二個偏振片完全垂直,因此被完全阻擋了。但是如果通過一個偏振過濾片的光線偏振方向被液晶旋轉,那麼它就可以通過另一個偏振過濾片。液晶對光線偏振方向的旋轉可以通過靜電場控制,從而實作對光的控制。

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(圖 1)液晶顯示器構造圖(資料來源:由 I, Wasami007,創用 CC 姓名標示-相同方式分享 3.0,https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=2430923)

液晶分子極易受外加電場的影響而產生感應電荷。將少量的電荷加到每個畫素或者子畫素的透明電極產生靜電場,則液晶的分子將被此靜電場誘發感應電荷並產生靜電扭力,而使液晶分子原本的旋轉排列產生變化,因此也改變通過光線的旋轉幅度。改變一定的角度,從而能夠通過偏振過濾片。

在將電荷加到透明電極之前,液晶分子的排列被電極表面的排列決定,電極的化學物質表面可作為晶體的晶種。在最常見的扭曲向列型液晶 (Twisted Nematic Liquid Crystal:TN)中,液晶上下兩個電極垂直排列。液晶分子螺旋排列,通過一個偏振過濾片的光線在通過液晶片後偏振方向發生旋轉,從而能夠通過另一個偏振片。在此過程中一小部分光線被偏振片阻擋,從外面看上去是灰色。將電荷加到透明電極上後,液晶分子將幾乎完全順著電場方向平行排列,因此透過一個偏振過濾片的光線偏振方向沒有旋轉,因此光線被完全阻擋了。此時畫素看上去是黑色。通過控制電壓,可以控制液晶分子排列的扭曲程度,從而達到不同的灰度。

有些液晶顯示器在交流電作用下變黑,交流電破壞了液晶的螺旋效應,而關閉電流後,液晶顯示器會變亮或者透明,這類液晶顯示器常見於筆記型電腦與平價液晶顯示器上。另一類常應用於高畫質液晶顯示器或大型液晶電視上的液晶顯示器則是在關閉電源時,液晶顯示器為不透光的狀態。

為了省電,液晶顯示器採用復用的方法,在復用模式下,一端的電極分組連線在一起,每一組電極連線到一個電源,另一端的電極也分組連線,每一組連線到電源另一端,分組設計保證每個畫素由一個獨立的電源控制,電子裝置或者驅動電子裝置的軟體通過控制電源的開/關序列,從而控制畫素的顯示(資料來源:https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%B6%B2%E6%99%B6%E6%98%BE%E7%A4%BA%E5%99%A8)。

運作原理

在不加電壓下,光線會沿著液晶分子的間隙前進而轉折 90 度,所以光可通過。但加入電壓後,光順著液晶分子的間隙直線前進,因此光線會被濾光片所阻隔。

液晶是具有流動特性的物質,所以只需外加很微小的力量即可使液晶分子運動,以最常見普遍的向列型液晶為例,液晶分子可輕易的藉著電場作用使得液晶分子轉向,由於液晶的光軸與其分子軸相當一致,故可藉此產生光學效果,而當加於液晶的電場移除消失時,液晶將藉著其本身的彈性及黏性,液晶分子將十分迅速的回復原來未加電場前的狀態(資料來源:https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%B6%B2%E6%99%B6%E6%98%BE%E7%A4%BA%E5%99%A8)。

顯示方式

液晶顯示器可透射顯示,也可反射顯示,決定於它的光源放哪裡。一般來說,透射型液晶顯示器由一個螢幕背後的光源照亮,而觀看則在螢幕另一邊(前面)。這種類型的 LCD 多用在需高亮度顯示的應用中,例如電腦顯示器、PDA 和手機中。用於照亮液晶顯示器的照明裝置的功耗往往高於液晶顯示器本身。

反射型液晶顯示器,常見於電子鐘錶和計算機中,(有時候)由後面的散射的反射面將外部的光反射回來照亮螢幕。這種類型的液晶顯示器具有較高的對比度,因為光線要經過液晶兩次,所以被削減了兩次。不使用照明裝置明顯降低了功耗,因此使用電池的裝置電池使用更久。因為小型的反射型液晶顯示器功耗非常低,以至於光電池就足以給它供電,因此常用於袖珍型計算機。

半穿透反射式液晶顯示器既可以當作透射型使用,也可當作反射型使用。當外部光線很足的時候,該液晶顯示器按照反射型工作,而當外部光線不足的時候,它又能當作透射型使用(資料來源:https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%B6%B2%E6%99%B6%E6%98%BE%E7%A4%BA%E5%99%A8)。

Nokia 5110 LCD 模組基本驅動方法

NOKIA 5110 是一款基於圖形顯示的 LCD 螢幕(如下圖所示),主要這款螢幕,被手機大廠NOKIA 用來裝置在 5110  系列手機,因而大受歡迎並且有很多的應用。

Nokia 5110 LCD 使用的 PCD8544 控制器,NOKIA 3110 用的也是這款控制器,PCD8554 是一款低功耗的 CMOS LCD 控制器,用於驅動 48 行 84 列的圖形顯示,並且採用串列匯流排界面與微控制器相連,大大減少了週邊控制線的數量,在使用時十分的方便,而且相對於 LCD1602、LCD12864 都有著自己的獨特優勢。

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(圖 2)Nokia 5110 LCD 模組

我們可以查詢 Sparkfun 官網,可以看到 Nokia 5110 LCD 模組的所有資料與規格。

Nokia 5110 LCD 模組規格如下:

  • 單片 LCD 控制器
  • 顯示尺寸:25 x 35 mm
  • 顯示資料緩衝區 48 x 84 位元,最多可顯示四行中文字
  • 序列介面,最大速率 4Mbits/S
  • 供電電壓 7V 到 3.3V,極限 7V
  • 低功耗,可用電池供電
  • 採用串行接點與主處理器進行通信,接點信號線數量大幅度減少,包括電源和地在內的信號線僅有 9 條。支援多種串行通信協議(如 AVR 單片機的 SPI、MCS51 的連接模式等),傳輸速率高達 4Mbps,可全速寫入顯示數據,無等待時間
  • 可通過導電膠連接模組與印製版,而不用連接電纜,用模塊上的金屬鉤可將模組固定到印製板上,因而非常便於安裝和更換
  • LCD 控制器 / 驅動器芯片已綁定到 LCD 晶片上,模塊的體積很小
  • 採用低電壓供電,正常顯示時的工作電流在 200μA 以下,且具有掉電模式

Arduino官網也有介紹 Nokia 5110 LCD 模組,讀者可以參考下表之腳位說明,進行電路組立。

(表 1)“TFT 顯示器接腳表:

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我們,請讀者鍵入 Sketch IDE 軟體,編譯完成後上傳到開發版進行測試。

(表 2)Nokia 5110 LCD 模組測試程式一:程式碼請點這裡

參考資料:http://playground.arduino.cc/Code/PCD8544

程式下載網址:https://github.com/brucetsao/makerdiwo/tree/master/201608

如下圖所示,我們可以看到 Nokia 5110 LCD 模組資訊顯示出來文字。

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(圖 4)Nokia 5110 LCD 模組測試程式一結果畫面

使用函式庫操控顯示模組顯示圖文字

本段主要介紹讀者,如何使用 Arduino 慣用的函式方式來操控 Nokia 5110 LCD 模組,並顯示圖形、文字、動畫等方式。

首先,我們參考 adafruit 官網之學習網站,我們可以到該產品的學習網站。本程式需要用到兩個函式庫,關於 Adafruit_PCD8544.h 請到網址 1網址 2、或網址 3 進行下載,關於 Adafruit_GFX.h 請到這裡進行下載。我們將下表程式,請讀者鍵入 Sketch IDE 軟體,編譯完成後上傳到開發版進行測試。

(表 3)Nokia 5110 LCD 模組測試程式二:程式碼請點這裡

程式下載網址:https://github.com/brucetsao/makerdiwo/tree/master/201608

讀者也可以在作者 YouTube 頻道中,看到本次實驗 Nokia 5110 LCD 模組測試程式二結果畫面。如下圖所示,我們可以看到 Nokia 5110 LCD 模組資訊顯示出來文字。

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(圖 4)Nokia 5110 LCD 模組測試程式二結果畫面

本文為『物聯網系列』系列第三篇:單色圖形顯示介紹(NOKIA 5110 LCD 基本篇),主要是介紹物聯網產品開發時,常用的單色圖形微型 LCD 顯示介面,如何顯示資料、圖形、文字、旋轉文字、動畫等在顯示螢幕上。

本篇是作者開啟的一個新專欄:物聯網系列,主要是透過本專欄的介紹,讓讀者可以了解物聯網(Internet of Thing:IOT)更多相關的使用、開發、設計等技術,期望在往後專欄之中,可以實作出更多物聯網的產品或實驗,後續筆者還會繼續發表『物聯網系列』系列的文章,在未來我們可以創造出更優質,更具未來性的物聯網(Internet of Thing:IOT)產品開發相關技術。

參考資料:

  • 曹永忠. (2016a). 物聯網系列:彩色顯示介紹(OLED LCD篇). 智慧家庭.  Retrieved from http:https://vmaker.tw/project/view/1102
  • 曹永忠. (2016b). 智慧家庭:如何安裝各類感測器的函式庫. 智慧家庭.  Retrieved from http:https://vmaker.tw/project/view/651
  • 曹永忠, 許智誠, &蔡英德. (2015a). Arduino程式教學(入門篇):Arduino Programming (Basic Skills & Tricks) (初版 ed.). 台湾、彰化: 渥玛数位有限公司.
  • 曹永忠, 許智誠, &蔡英德. (2015b). Arduino程式教學(常用模組篇):Arduino Programming (37 Sensor Modules) (初版 ed.). 台湾、彰化: 渥玛数位有限公司.
  • 曹永忠, 許智誠, &蔡英德. (2015c). Arduino程式教學(無線通訊篇):Arduino Programming (Wireless Communication) (初版 ed.). 台湾、彰化: 渥瑪數位有限公司.
  • 曹永忠, 許智誠, &蔡英德. (2015d). Arduino编程教学(无线通讯篇):Arduino Programming (Wireless Communication) (初版 ed.). 台湾、彰化: 渥瑪數位有限公司.
  • 曹永忠, 許智誠, &蔡英德. (2015e). Arduino编程教学(常用模块篇):Arduino Programming (37 Sensor Modules) (初版 ed.). 台湾、彰化: 渥玛数位有限公司.
  • 曹永忠, 許智誠, &蔡英德. (2015f). Arduino編程教学(入门篇):Arduino Programming (Basic Skills & Tricks) (初版 ed.). 台湾、彰化: 渥玛数位有限公司.
  • 曹永忠, 許碩芳, 許智誠, &蔡英德. (2015a). Arduino程式教學(RFID模組篇):Arduino Programming (RFID Sensors Kit) (初版 ed.). 台湾、彰化: 渥瑪數位有限公司.
  • 曹永忠, 許碩芳, 許智誠, &蔡英德. (2015b). Arduino編程教学(RFID模块篇):Arduino Programming (RFID Sensors Kit) (初版 ed.). 台湾、彰化: 渥瑪數位有限公司.

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曹永忠

曹永忠 (Yung-Chung Tsao) ,目前為自由作家暨專業Maker,專研於軟體工程、軟體開發與設計、物件導向程式設計,商品攝影及人像攝影。長期投入創客運動、資訊系統設計與開發、企業應用系統開發、軟體工程、新產品開發管理、商品及人像攝影等領域,並持續發表作品及相關專業著作。 Email:prgbruce@gmail.com Line ID:dr.brucetsao 作者網站:https://www.cs.pu.edu.tw/~yctsao/ 臉書社群(Arduino.Taiwan):https://www.facebook.com/groups/Arduino.Taiwan/ Github網站:https://github.com/brucetsao/ Youtube:https://www.youtube.com/channel/UCcYG2yY_u0m1aotcA4hrRgQ