一起玩转树莓派（11）——使用LCD屏

Posted 2021-08-31 珲少

一起玩转树莓派（11）——使用LCD屏

通过本系列博客前几篇文章的介绍，我们已经体验过了许多传感器元件，它们大多非常简单，可以直接对其进行数据读取或写入，无需复杂的指令配置。本篇博客，我们将介绍一个相对复杂的元件：LCD屏。当今大多数常见的电子设备为了便于用户操作，都会配备一块LCD液晶显示屏，用户通过屏幕可以获取到设备的相关信息方便使用。下面，我们将尝试使用树莓派来在LCD屏上展示信息。

一、LCD 1602

LCD屏是Liquid Crystal Display的简称，即液晶显示屏。LCD 1602是一种点阵式的给付型液晶显示屏，其型号为1602本身也是有意义的，表示其可以显示2行信息，每行可以显示16个字符。LCD1602最多可以显示32个字符，价格上也并不昂贵，十几元钱即可买到。LCD1602有16个引脚，如下图所示：

LCD1602的16个引脚看上去很多，但实际上使用起来并不复杂，我们首先将上图这些引脚的功能来介绍一下。

• 引脚1：接地引脚
• 引脚2：接5V电压
• 引脚3：VE引脚为屏幕对比度调整引脚，接地时对比度最大，接正极电源时对比度最小。
• 引脚4：RS引脚为功能模式引脚(也被称为寄存器选择引脚)，为其加高电平时为数据模式(存取屏幕展示的数据)，为其加低电平时为指令模式(读取指令)。
• 引脚5：RW引脚为读写模式引脚，为其加高电平时为读操作，为其加低电平时为写操作。
• 引脚6：Enable引脚，此引脚用来触发动作，负跳变时进行数据处理或指令的执行。
• 引脚7-引脚14：这8个引脚为数据引脚，用来进行数据传输。
• 引脚15：背光电源引脚。
• 引脚16：背光接地引脚。

上面所介绍的引脚中，引脚1，引脚2，引脚15和引脚16比较好理解，其都是作为供电功能，无需编程操作。引脚3是一个单独调增对比度功能的引脚，作用也相对独立，无需复杂的指令操作。引脚4和引脚5是比较核心的两个引脚，这两个引脚的高低电平状态组合共有4种，分别会将LCD1602设置为读指令模式，写指令模式，读数据模式和写数据模式。引脚6可以理解为一个触发引脚，通过操作这个引脚的电平跳变来让LCD1602执行具体的功能。引脚7-引脚14用来进行数据的存取或指令的存取。

现在请你务必将上面所介绍的内容完全理解，否则后面的内容可能会更加令你迷惑。对于LCD1206的读数据模式和写数据模式你应该没有什么疑惑，只要通过引脚4和引脚5设置正确的模式后，再通过GPIO来写和读引脚7到引脚14的电平数据，即可得到一个8位的数据。我们核心需要理解的是指令模式，LCD1602的指令集如下：

上图中的RS和R/W就是引脚4和引脚5，其控制模式，与指令本身无关，我们可以先不关心。从DB7到DB0是真正的指令部分。我们下面来逐一介绍。

1. 指令一：0000 0001

清屏指令，响应时间为1.53ms。

2.指令二：0000 001- (最后一位’-‘表示0和1都可以，不被关心)

光标归位指令，执行后光标的位置会回到起点，但是数据寄存器中的数据不会清空。

3.指令三：0000 01[I/D][SH]

光标移动模式设置指令，I/D和SH两个控制为光标或屏幕移动模式。

I/D设置为0：每次读取一个字符后光标左移。

I/D设置为1：每次读取一个字符后光标右移。

SH设置为0：屏幕不移动。

SH设置为1：屏幕移动，方向与I/D的设置一致。

4.指令四：0000 1[D][C][B]

显示模式设置指令，D，C，B这三个位分别设置主显示功能，光标显示功能，光标闪烁功能。

D：设置为0则关闭屏幕，设置为1开启屏幕。

C：设置为0关闭光标，设置为1显示光标。

B：设置为0光标不闪烁，设置为1光标闪烁。

5.指令五：0001  [S/C][R/L]--

设置光标和显示屏移动方向。

S/C设置为0时，R/L设置为0则光标左移，RL设置为1时光标右移。

S/C设置为1时，R/L设置为0则显示内容左移，R/L设置为1则显示内容右移。

6.指令六：001[DL] [N][F]--

功能模式设置指令。

DL：设置为1时采用8位总线读数据，设置为0时采用4位总线读数据。

N：设置为0时是单行显示模式，设置为1时是双行显示模式。

F：设置为0时为5*8的点阵字符，设置为1时为5*11的点阵字符。

7.指令七：01[A5][A4] [A3][A2][A1][A0]

设置下一个字符要显示的位置。A5位设置要定位到的行，A0到A4位定位要显示的位置，取值为0-16之间。

8.指令八：1[A6][A5][A4] [A3][A2][A1][A0]

数据寄存器地址设置。

了解了LD1602显示屏上面的指令用法，我们就可以编程来控制显示屏显示的内容了。

二、带I2C模块的LCD 1602

前面我们说过，LCD1602有16个引脚。原则上我们已经可以使用树莓派来控制显示屏的显示了，但是16个引脚全部连接到树莓派会使接线十分的复杂，而且程序代码的编写也非常繁琐，要对太多的GPIO引脚进行操作，十分不便。本次实验，我们采用的是带I2C模块的LCD元件，I2C模块本身将一些独立的功能进行了封装，通过I2C模块，我们可以以8位数据为标准来传输任何我们想要执行的指令或让LCD显示的字符，非常方便。

如上图所示，有了IC2模块的LCD1602元件，只需要4个引脚即可实现显示功能。下面我们来分析下如何使用此I2C模块。

首先关于I2C通信的相关内容，之前博客已经有详细的介绍，这里不再赘述。我们先来介绍下为何通过4个引脚通过I2C总线传输8位的数据集合实现所有功能。

LCD引脚1与引脚2：用I2C模块的电源引脚和接地引脚代替。

LCD引脚15和引脚16：LCD的这两个引脚功能为控制背光，此逻辑被封装进了I2C模块中，I2C模块每次写入的8位数据中的第4位用来控制背光。

LCD的引脚3：LCD的此引脚用来设置显示的对比度，在I2C模块中，通过一个可调节的电阻来实现此功能，在后面的实验中如果发现屏幕显示不清，可以尝试调节此电阻器。

LCD的引脚4，引脚5和引脚6：这几个功能引脚也被封装进了I2C模块中，I2C模块每次写入的8位数据中的第1位，的2位和第3位分别用来控制这些引脚。

LCD剩下的数据引脚的数据由I2C传输的8位数据中的高4位来对应，在LCD的8位数据模式下，I2C分两次传输一次完整的数据，前传输的4位为LCD所需数据的低4位，后传输的数据为LCD所需数据的高4位。在LCD的4位数据模式下，因为LCD需要获取到完整的8位数据，因此也需要通过两次数据传输，只是此时先传输的数据为LCD所需数据的高4位，后传输的数据为LCD所需数据的低4位，这点需要特别注意。

下面总结了I2C在传输数据时每一位的意义：

第8位	第7位	第6位	第5位	第4位	第3位	第2位	第1位
数据/指令	数据/指令	数据/指令	数据/指令	背光控制位	Enable控制位	RW控制位	RS控制位

 三、编码实验

    使用I2C模块封装的LCD1602只有4个引脚，接线非常简单，如下：

LCD	树莓派
GND	GND
VCC	+5V
SDA	树莓派SDA功能引脚
SCL	树莓派SCL功能引脚

将LCD1602与树莓派连接完成后，在树莓派的终端执行如下指令查看I2C设备：

sudo i2cdetect -y 1

输出入下图所示：

可以看到，目前我们只连接了一个I2C设备，设备号为27。

    由于背光的控制位相对独立，我们封装单独的函数来处理，如下：

# 是否开启背光 由PCF8574T的低4位中的第4位决定
BLEN = 1 
# 补充背光控制位
def addBlenControl(data):
    global BLEN
    tmpData = data
    if BLEN:
        # 将第4位背光控制位强制设置1
        tmpData = data | 0b00001000
    else:
        # 将第4位背光控制位强制设置为0
        tmpData = data & 0b11110111
    return tmpData    

同理，可以将Enable位的控制，RS位的控制都封装成函数：

# 补充Enable控制位
def addEnableControl(data, high):
    tempData = data
    # 第3位控制Enable
    if high:
        tempData |= 0b00000100
    else:
        tempData &= 0b11111011
    return tempData

# 补充RS控制位
def addRSControl(data, high):
    tempData = data
    # 第1位控制RS
    if high:
        tempData |= 0b00000001
    else:
        tempData &= 0b11111110
    return tempData

在向I2C发送数据前，根据配置的背光设置来决定背光控制位的值：

# 通过I2C总线写入数据
def writeI2C(addr, data):
    # 添加背光控制
    temp = addBlenControl(data)
    # 写数据到I2C总线
    BUS.write_byte(addr ,temp)

准备好了这些工具函数，我们只需要根据LCD1602的指令手册来设置具体的功能，发送要展示的数据即可，完整的代码如下：

#coding:utf-8
import time
import smbus
BUS = smbus.SMBus(1)
# LCD屏幕的硬件地址
LCD_ADDR = 0x27
# 是否开启背光 由PCF8574T的低4位中的第4位决定
BLEN = 1 

# 补充背光控制位
def addBlenControl(data):
    global BLEN
    tmpData = data
    if BLEN:
        # 将第4位背光控制位强制设置1
        tmpData = data | 0b00001000
    else:
        # 将第4位背光控制位强制设置为0
        tmpData = data & 0b11110111
    return tmpData    

# 补充Enable控制位
def addEnableControl(data, high):
    tempData = data
    # 第3位控制Enable
    if high:
        tempData |= 0b00000100
    else:
        tempData &= 0b11111011
    return tempData

# 补充RS控制位
def addRSControl(data, high):
    tempData = data
    # 第1位控制RS
    if high:
        tempData |= 0b00000001
    else:
        tempData &= 0b11111110
    return tempData

# 通过I2C总线写入数据
def writeI2C(addr, data):
    # 添加背光控制
    temp = addBlenControl(data)
    # 写数据到I2C总线
    BUS.write_byte(addr ,temp)

# 发送指令到LCD1602
def sendCommand(comm):
    # comm高4位数据传输
    # 低4位先清空
    buf = comm & 0b11110000
    # 先将Enable置为高电平
    buf = addEnableControl(buf, 1)
    # 设置为指令模式
    buf = addRSControl(buf, 0)
    # 写入指令
    writeI2C(LCD_ADDR ,buf)
    time.sleep(0.002)
    # 将Enable置为低电平 使产生低电平跳变来执行指令
    buf = addEnableControl(buf, 0)          
    writeI2C(LCD_ADDR ,buf)

    # comm低4位数据传输
    # 高4位先清空 并将低4位的数据移动到高4位
    buf = (comm & 0b00001111) << 4
    # 当次指令的低4位用来 做enable re rew的控制
    # 先将Enable置为高电平
    buf = addEnableControl(buf, 1)
    writeI2C(LCD_ADDR ,buf)
    time.sleep(0.002)
    # 将Enable置为低电平 使产生低电平跳变来执行指令
    buf = addEnableControl(buf, 0)     
    writeI2C(LCD_ADDR ,buf)

# 发送数据到LCD 
def sendData(data):
    # data高4位数据传输
    # 低4位先清空
    buf = data & 0b11110000
    # 先将Enable置为高电平
    buf = addEnableControl(buf, 1)
    # 设置为数据模式
    buf = addRSControl(buf, 1)   
    writeI2C(LCD_ADDR ,buf)
    time.sleep(0.002)
    # 将Enable置为低电平 使产生低电平跳变来执行指令
    buf = addEnableControl(buf, 0)  
    writeI2C(LCD_ADDR ,buf)

    # data低4位数据传输
    buf = (data & 0b00001111) << 4
    # 先将Enable置为高电平
    buf = addEnableControl(buf, 1)
    # 设置为数据模式
    buf = addRSControl(buf, 1) 
    writeI2C(LCD_ADDR ,buf)
    time.sleep(0.002)
    # 将Enable置为低电平 使产生低电平跳变来执行指令
    buf = addEnableControl(buf, 0)  
    writeI2C(LCD_ADDR ,buf)

# 初始化方法
def initLCD():
    # 启动时，LCD1602为8位模式 I2C传输数据时先传输的为低位数据
    # 因此实际上的指令为 0b00100011
    # 为指令6 将LCD1602设置为4位总线模式
    sendCommand(0b00110010) 
    time.sleep(0.005)

    # 之后的指令都是4位总线模式
    sendCommand(0b00110010) 
    time.sleep(0.005)
    # 指令4 设置屏幕开启，无光标，无闪烁
    sendCommand(0b00001100)
    time.sleep(0.005)
    # 指令1 清屏
    sendCommand(0b00000001) 

# 设置屏幕要展示的文案 x，y确定位置
def printLCD(x, y, str):
    # 2行 16 列
    if x < 0:
        x = 0
    if x > 15:
        x = 15
    if y <0:
        y = 0
    if y > 1:
        y = 1
    # 指令7 设置数据要展示的位置
    addr = 0b10000000 + 0b00000100 * y + x
    sendCommand(addr)
    # 开始发送字符数据到LCD1602的数据寄存器
    for chr in str:
        # ord函数可以获取字符的ascil
        sendData(ord(chr))

# 主程序
initLCD()
printLCD(0, 0, \'Hello, world!\')
time.sleep(2)
sendCommand(0b00000001)
time.sleep(0.002)
printLCD(0, 0, \'Love China!\')
time.sleep(2)
sendCommand(0b00000001)
time.sleep(0.002)
printLCD(0, 0, \'Great Raspberry!\')

如上代码所示，所有的指令都采用的二进制的方式，便于对比指令手册进行理解。更多时候我们会采用十六进制数字来编写指令，这样会使代码看的干净很多。上面的示例代码是一个简单的应用程序，运行后可以直接在LCD屏幕上展示3句话：

Hello World!
Love China!
Great Raspberry!

其实此程序也是一个完整的LCD1602驱动，初始化完成后，我们可以通过其提供额sendData方法来实现各种各样的显示需求。效果如下图所示：