树莓派基础实验29：I2C LCD1602实验

一、介绍

   众所周知，虽然液晶显示器和其他显示器大大的丰富了人机交互，但他们有一个共同的弱点。当它们连接到控制器时，需要占用大量的IO口，但是一般的控制器没有那么多的外部端口，也限制了控制器的其他功能。因此，开发具有I2C组件的LCD1602来解决该问题，LCD1602是一种只用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。

   字符型液晶显示模块是由字符型液晶显示屏LCD 、控制驱动主电路HD44780/KS0066及其扩展驱动电路HD44100或与其兼容的IC， 少量阻、容元件结构件等装配在PCB板上而成。

  I2C总线是由PHLIPS发明的一种串行总线。它是一种高性能的串行总线，具有多主机系统所需的总线控制和高速或低速设备同步功能。I2C LCD1602上的蓝色电位器用于调整背光，以获得更好的显示效果。I2C使用两个双向极漏开路线，串行数据线（SDA）和串行时钟线（SCL），通过电阻上拉。使用的典型电压为5V或3.3V，但允许使用其他电压的系统。

  其它I2C总线实验可以查看前面的PCF8591相关实验，如：

树莓派基础实验12：PCF8591模数转换器实验

二、组件

★Raspberry Pi主板*1

★树莓派电源*1

★40P软排线*1

★I2C LCD1602模块*1

★面包板*1

★跳线若干

三、实验原理

LCD1602正面

LCD1602背面

LCD1602电路图

   树莓派的GPIO端口数量有限，可通过IO扩展芯片增加GPIO的数量，使得树莓派可以适应更多的应用。本实验中的LCD1602模块有16个管脚，为节省GPIO端口，就使用了一款通过I2C总线扩展IO的芯片，PCF8574。单个PCF8574可扩展8个IO，一个I2C总线最多可挂载8个PCF8574，所以树莓派最多可扩展64个IO。

   本实验中的编程原理比较复杂，所以一定要程序和硬件原理结合起来看才易理解。如果不想深度学习底层原理及驱动程序，掌握LCD1602的函数使用方法就可以了，但若想灵活运用LCD1602，最好了解一下。

   本文是在网上查阅了很多中外资料，汇集诸多大神的智慧，10几天（当然，每天还是要上班的）才整理汇编而成，但仍有很多不懂和错误之处，特别是程序中有一长串“？？？？”注释的地方，请大神们留言指出！

3.1 LCD1602的存储器

  LCD1602里面存储器有三种：CGROM、CGRAM、DDRAM。

  DDRAM(Display Data RAM)就是显示数据RAM，用来寄存待显示的字符代码。共80个字节，其地址和屏幕的对应关系如下，如图：

数据地址和屏幕对应的关系

  DDRAM其实就是我们平时说的PC机的显存，如果说我们想要在屏幕上显示我们想要显示的，直接把需要的字符代码送入现实就可以了，很简单就能够在屏幕上显示我们想要显示的。相同的LCD1602总共存在80个字节的显存，就是DDRAM。遗憾的是LCD1602显示不出来这么多的字符，正是因为这样，不是每一个写在DDRAM上的字符都能够在显示器上显示出来，一次只能显示16个字符。正是因为这样，我们在程序中可以利用下面的“光标或显示移动指令”使字符慢慢移动到可见的显示范围内，看到字符的移动效果。

  那么如何在液晶上显示字符呢，就是把要写入的字符给DDRAM。举个例子，我现在想在屏幕上显示“A”，我就把我要的字符“A”的字符代码41H写入DDRAM的00H地址处然后得到。那我们应该怎么去写入呢，我们在后面进行进一步的阐述。我们下面将要介绍的是A的字模，如图：

A的字模

  上面的图左侧显示的就是“A”的字模数据，上面的图右侧显示“○”代表0，用“■”代表 1。这样我们就能够显示出“A”这个字形。

  在LCD1602模块上固化了字模存储器，就是CGROM和CGRAM，HD44780内置了192个常用字符的字模，存于字符产生器CGROM(Character Generator ROM)中，另外还有8个允许用户自定义的字符产生RAM，称为CGRAM(Character Generator RAM)，留给自定义的位置只有8个地址，也就是最多自定义8个符号或者图形。

  下图（字模表）说明了CGROM和CGRAM与字符的对应关系。从ROM和RAM的名称我们也可以知道，ROM是早已固化在LCD1602模块中的，只能读取；但是RAM即可以读又可以写。

字模表

  若是只要求在屏幕上显示CGROM中已经拥有的字符，那就仅仅需要在DDRAM中写入它的字符代码就可以了；若是想显示的是CGROM中不存在的字符，例如美元的符号，那就只能先在CGRAM中规定，下一步再在DDRAM中写入我们之前自己定义的字符就可以。

字形和光标

  上面这个图说明的是5×8点阵和5×10点阵字符的字形和光标的位置。这里我们采用的是5×8点阵，那么定义这样一个字符需要8个字节，每个字节的前3个位没有被使用。

设置CGRAM地址指令

  上面这个图说明的是设置CGRAM地址指令。从这个指令的格式中我们可以看出，它共有aaaaaa这6位，一共可以表示64个地址，即64个字节。一个5×8点阵字符共占用8个字节，那么这64个字节一共可以自定义8个字符。也就是说，上面这个图的6位地址中的DB5DB4DB3用来表示8个自定义的字符，DB2DB1DB0用来表示每个字符的8个字节。这DB5DB4DB3所表示的8个自定义字符(0--7)就是要写入DDRAM中的字符代码。

3.2 管脚

   加装了I2C转接版的LCD1602，能够同时显示16x02即32个字符。（16列2行）1602字符型LCD通常有16条引脚线的LCD：

3.3 LCD1602的基本操作及时序

   本系列模块内部具有两个 8 位寄存器：指令寄存器（IR）和数据寄存器（DR）。用户可以通过 RS 和 R/W 输入信号的组合选择指定的寄存器，进行相应的操作。下表中列出了组合选择方式：

LCD1602的基本操作:

　1. 读状态：输入RS=0，RW=1，E=高脉冲。输出：D0—D7为状态字。 　2. 读数据：输入RS=1，RW=1，E=高脉冲。输出：D0—D7为数据。 　3. 写命令：输入RS=0，RW=0，E=高脉冲。输出：无。（写完置E=高脉冲） 　4. 写数据：输入RS=1，RW=0，E=高脉冲。输出：无。 注意：E(或EN)端为使能(enable)端，写操作时，下降沿使能。读操作时，E高电平有效。

读操作时序图：

读操作时序图

写操作时序图：

写操作时序图

时序时间参数：

时序时间参数

3.4 LCD1602的指令说明

1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令：

LCD1602控制命令表

   1602液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。

指令1：清显示，指令码01H，光标复位到地址00H位置。

说明：清除屏幕显示内容。光标返回屏幕左上角。执行这个指令时需要一定时间。

指令2：光标复位，光标返回到地址00H。

说明：光标返回屏幕左上角，它不改变屏幕显示内容。

指令3：光标和显示模式设置

进入模式设置指令

I/D=1：写入新数据后光标右移。

I/D=0：写入新数据后光标左移。

S=1：显示移动。

S=0：显示不移动。

说明：这里的设置是0x06。

指令4：显示开关控制。

显示开关控制指令

D=1：显示开，D=0：显示关。

C=1：光标显示，C=0：光标不显示。

B=1：光标闪烁，B=0：光标不闪烁。

说明：这里的设置是显示开，不显示光标，光标不闪烁，设置字为0x0c。

指令5：光标或显示移位

光标或显示移动指令

光标或显示移动指令说明

说明：在需要进行整屏移动时，这个指令非常有用，可以实现屏幕的滚动显示效果。初始化时不使用这个指令。

指令6：功能设置命令

工作方式设置指令

×：不关心，也就是说这个位是0或1都可以，一般取0。

DL：设置数据接口位数。

DL=1：8位数据接口(D7—D0)。

DL=0：4位数据接口(D7—D4)。

N=0：一行显示。

N=1：两行显示。

F=0：5×8点阵字符。

F=1：5×10点阵字符。

说明：因为是写指令字，所以RS和RW都是0。LCD1602只能用并行方式驱动，不能用串行方式驱动。而并行方式又可以选择8位数据接口或4位数据接口。这里我们选择4位数据接口(D3—D0)。我们的设置是4位数据接口，两行显示，5×8点阵，即0b00101000也就是0x28。(注意：NF是10或11的效果是一样的，都是两行5×8点阵。因为它不能以两行5×10点阵方式进行显示，换句话说，这里用0x28或0x2c是一样的)。

指令7：字符发生器CGRAM地址设置。

设置CGRAM地址指令

指令8：DDRAM地址设置。

设置DDRAM地址指令

说明：这个指令用于设置DDRAM地址。在对DDRAM进行读写之前，首先要设置DDRAM地址，然后才能进行读写。前面我们说过，DDRAM就是LCD1602的显示存储器。我们要在它上面进行显示，就要把要显示的字符写入DDRAM。同样，我们想知道DDRAM某个地址上有什么字符，也要先设置DDRAM地址，然后将它读出到单片机。

指令9：读忙信号和光标地址

读忙信号和地址计数器AC

BF：为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据。如果为低电平表示不忙。

说明：这个指令用来读取LCD1602状态。对于单片机来说，LCD1602属于慢速设备。当单片机向其发送一个指令后，它将去执行这个指令。这时如果单片机再次发送下一条指令，由于LCD1602速度较慢，前一条指令还未执行完毕，它将不接受这新的指令，导致新的指令丢失。因此这条读忙指令可以用来判断LCD1602是否忙，能否接收单片机发来的指令。当BF=1，表示LCD1602正忙，不能接受单片机的指令；当BF=0，表示LCD1602空闲，可以接收单片机的指令。RS=0，表示是指令；RW=1，表示是读取。这条指令还有一个副产品：即可以得到地址记数器AC的值(address counter)。LCD1602维护了一个地址计数器AC，用来记录下一次读写CGRAM或DDRAM的位置。需要强调的是：这条指令我一次也没有执行成功。很多网友似乎也是这样。好在我们有另外的办法，也就是延时。通过查看每条指令的执行时间，再经过一些试验，可以确定指令的延时。这样就可以在上一条指令执行完毕后再执行下一条指令了。

指令10：写数据。

写数据到CGRAM或DDRAM指令

说明：RS=1，数据；RW=0，写。指令执行时，要在DB7—DB0上先设置好要写入的数据，然后执行写命令。

指令11：读数据。

从CGRAM或DDRAM读数据指令

说明：RS=1，数据；RW=1，读。先设置好CGRAM或DDRAM的地址，然后执行读取命令。数据就被读入后DB7—DB0。

3.5 初始化

  如果电路电源能满足内部RESET电路的如下要求, 初始化可自动完成：

自动初始化

  如果电路电源不能满足内部RESET电路的要求的话，需要用初始化程序来实现初始化，有8位总线和4位总线两种模式。

8位数据传输模式：

8位总线模式初始化

本次实验中使用4位数据传输模式：

4位总线初始化参数示例

3.6 DDRAM地址

1602字符液晶显示可分为上下两部分各16位进行显示，处于不同行时的字符显示地址如下：

   按照上面指令8格式所示，由于地址为7位，在写入地址时，第8位D7恒为1。当我们想在指定位置写入内容时，要先指定地址，如在第一行第一位写入，地址位是00H，再加上DB7的1，即80H(0010000000)，第二行第一位是40H，再加上DB7的1，即C0H(0011000000)，依次类推。

四、实验步骤

第1步：连接电路。连接电源打开树莓派，显示屏就会亮，同时在第一行显示一排黑方块。如果看不到黑方块或黑方块不明显，请调节可调电阻，直到黑方块清晰显示。如果调节可调电阻还看不到方块，则可能你的连接有问题了，请检查连接，包括检查显示屏的引脚有没有虚焊。

LCD1602实验电路图

LCD1602实验实物接线图

第2步：PCF8591模块采用的是I2C（IIC）总线进行通信的，但是在树莓派的镜像中默认是关闭的，在使用该传感器的时候，我们必须首先允许IIC总线通信。

打开I2C总线通信

第3步：查询LCD1602的地址。得出地址为0x27。

pi@raspberrypi:~ $  ls /dev/i2c-*
/dev/i2c-1
pi@raspberrypi:~ $ sudo i2cdetect -y 1
     0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f
00:          -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 
10: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 
20: -- -- -- -- -- -- -- 27 -- -- -- -- -- -- -- -- 
30: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 
40: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 
50: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 
60: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 
70: -- -- -- -- -- -- -- --                        

第4步：编写驱动程序。这里先编写一个LCD1602.py文件，后面再编写一个python程序引入这个库文件，调用这个文件中的函数实现更复杂的功能。

  LCD1602.py文件就相当于是LCD1602模块的驱动程序，单独编写是为了便于重用。

  该程序也可以单独运行，会在第一行显示“Hello”，在第二行显示“world!”。

#!/usr/bin/env python

import time
import smbus  #SMBus (System Management Bus,系统管理总线) 在程序中导入“smbus”模块

BUS = smbus.SMBus(1)   #创建一个smbus实例
# 0 代表 /dev/i2c-0， 1 代表 /dev/i2c-1 ,具体看使用的树莓派那个I2C来决定
def write_word(addr, data):
    global BLEN   #该变量为1表示打开LCD背光，若是0则关闭背光
    temp = data
    if BLEN == 1:
        temp |= 0x08  #0x08=0000 1000，表开背光
        #buf |= 0x08等价于buf = buf | 0x08(按位或)
    else:
        temp &= 0xF7  #0xF7=1111 0111，表关闭背光
        #buf &= 0xF7等价于buf = buf & 0xF7(按位与)
    BUS.write_byte(addr ,temp)  #这里为什么又一次写入8位？？？？？？
    #write_byte(int addr, char val)发送一个字节到设备

def send_command(comm):
    # Send bit7-4 firstly
    buf = comm & 0xF0   #与运算，取高四位数值
    #由于4位总线的接线是接到P0口的高四位，传送高四位不用改
    buf |= 0x04    #buf |= 0x04等价于buf = buf | 0x04(按位或)0x04=0000 0100
    # RS = 0, RW = 0, EN = 1 
    #为什么这样写入代表RS = 0, RW = 0, EN = 1，低4位在这里有何意义？？？？？？？？
    write_word(LCD_ADDR ,buf)  #为什么这里又是8位写入？？？？？
    time.sleep(0.002)
    buf &= 0xFB    #buf &= 0xFB等价于buf = buf & 0xFB(按位与)0xFB=1111 1011
    # Make EN = 0，EN从1——>0，下降沿，进行写操作
    #为什么这样写入代表Make EN = 0？？？？？？？？
    write_word(LCD_ADDR ,buf)

    # Send bit3-0 secondly
    buf = (comm & 0x0F) << 4  #与运算，取低四位数值，
    #由于4位总线的接线是接到P0口的高四位，所以要再左移4位
    buf |= 0x04               
    # RS = 0, RW = 0, EN = 1 写入命令
    write_word(LCD_ADDR ,buf)
    time.sleep(0.002)
    buf &= 0xFB               # Make EN = 0
    write_word(LCD_ADDR ,buf)

def send_data(data):
    # Send bit7-4 firstly
    buf = data & 0xF0
    buf |= 0x05               # RS = 1, RW = 0, EN = 1 写入数据
    write_word(LCD_ADDR ,buf)
    time.sleep(0.002)
    buf &= 0xFB               # Make EN = 0
    write_word(LCD_ADDR ,buf)

    # Send bit3-0 secondly
    buf = (data & 0x0F) << 4
    buf |= 0x05               # RS = 1, RW = 0, EN = 1 写入数据
    write_word(LCD_ADDR ,buf)
    time.sleep(0.002)
    buf &= 0xFB               # Make EN = 0
    write_word(LCD_ADDR ,buf)

def init(addr, bl):  #LCD1602初始化
    global LCD_ADDR  #该变量为设备地址
    global BLEN      #该变量为1表示打开LCD背光，若是0则关闭背光
    LCD_ADDR = addr
    BLEN = bl
    try:
        send_command(0x33) # 必须先初始化为8行模式   110011 Initialise
        time.sleep(0.005)
        send_command(0x32) # 然后初始化为4行模式   110010 Initialise
        time.sleep(0.005)
        send_command(0x28) # 4位总线，双行显示，显示5×8的点阵字符。
        time.sleep(0.005)
        send_command(0x0C) # 打开显示屏，不显示光标，光标所在位置的字符不闪烁
        time.sleep(0.005)
        send_command(0x01) # 清屏幕指令，将以前的显示内容清除
        time.sleep(0.005)
        send_command(0x06) # 设置光标和显示模式，写入新数据后光标右移，显示不移动
        BUS.write_byte(LCD_ADDR, 0x08)  #这里这样写入0x08是什么意思？？？？？？
    except:
        return False
    else:
        return True

def clear():
    send_command(0x01) # 清屏


def write(x, y, str):
    if x < 0:   #LCD1602只有16列，2行显示，小于第0列的数据要做修正
        x = 0
    if x > 15:  #LCD1602只有16列，2行显示，大于第15列的数据要做修正
        x = 15
    if y <0:    #LCD1602只有16列，2行显示，小于第0行的数据要做修正
        y = 0
    if y > 1:   #LCD1602只有16列，2行显示，大于第1行的数据要做修正
        y = 1

    # 移动光标
    addr = 0x80 + 0x40 * y + x  
    #第一行第一位的地址为0x00，加上D7恒为1，所以第一行第一位的地址为0x80
    #第二行第一位是0x40，加上D7恒为1，所以第二行第一位的地址为0x80加上0x40，最后为0xC0
    send_command(addr)       #设置显示位置

    for chr in str:
        send_data(ord(chr))  #发送显示内容
        #ord()函数以一个字符（长度为1的字符串）作为参数，
        #返回对应的 ASCII 数值，或者 Unicode 数值

if __name__ == '__main__':
    init(0x27, 1)  #在树莓派终端上使用命令'sudo i2cdetect -y 1'查询设备地址为0x27
    # 第二个参数1表示打开LCD背光，若是0则关闭背光
    write(4, 0, 'Hello')  #4，0参数指显示的起始位置为第4列，第0行
    write(7, 1, 'world!') #7，1参数指显示的起始位置为第7列，第1行
    #‘Hello’为要显示的字符串

第5步：编写控制程序。先是静态显示内容：第一行显示“Greetings!!”，第二行显示“Welcome here!”，持续2秒。之后动态滚动显示“Thank you for buying Raspberry! _”。

#!/usr/bin/env python
import LCD1602
import time

def setup():
    LCD1602.init(0x27, 1)   # init(slave address, background light)
    LCD1602.write(0, 0, 'Greetings!!')
    LCD1602.write(1, 1, 'Welcome here!')
    time.sleep(2)

def loop():
    space = '                '
    greetings = 'Thank you for buying Raspberry! ^_^'
    greetings = space + greetings
    while True:
        tmp = greetings
        for i in range(0, len(greetings)):
            LCD1602.write(0, 0, tmp)    #当要显示的字符串过长时，会自动在LCD的第二行显示
            tmp = tmp[1:]   #每次循环去掉字符串首位字符，实现字幕向左移动的效果
            time.sleep(0.8)
            LCD1602.clear()

def destroy():
    pass    

if __name__ == "__main__":
    try:
        setup()
        while True:
            loop()
    except KeyboardInterrupt:
        destroy()