IIC 驱动 LCD1602 液晶屏幕

罗大富 BigRich大约 7 分钟ESP32Arduino

上一课介绍了如何使用四位数码管模块来显示数字，本课将进一步介绍如何使用基于 IIC 接口驱动的 LCD1602 液晶屏。

在前面章节，我们已经学习过两种显示装置，数码管和 4 位数码管。使用它们可以直观显示一些字符数据，但是它们也有各种局限性，比如显示字符数据太少，硬件设计复杂、代码编写难度大等。这一章就来介绍一种非常简单且常用的显示装置--LCD1602 液晶显示器，使用它可以显示更多的字符数字。

实验原理

1. LCD1602 液晶屏

LCD1602 是很多单片机爱好者较早接触的字符型液晶显示器，所以，在这里花点时间是值得的。

1602 液晶屏的称呼来自于其显示的内容容量，其中的 16 代表每行的字符（数字或英文字符）数，02 代表屏幕一共两行，实际开发中根据需要显示信息的内容多少不但可以选用 1602 屏，还可以选用诸如 2004 屏等。如下图：

1602 液晶显示屏除了电源、地以外，有 3 个控制引脚 RS R/W E 和 8 个数据引脚 DB0-7。

2. 认识 IIC（I2C）接口

由于 1602 的管脚数过多，如果直接与 ESP32 开发板连接需要占用大量的 GPIO 管脚，不但容易造成资源浪费，连接也非常不方便。

因此实际使用时往往会给 1602 屏增加一块 IIC 驱动版，将 1602 的 16 个管脚连接到由 PCF8574T 作为主要芯片的驱动版上，将接口转换为 IIC 再连接开发板，具体情况如上图所示。

IIC 是一种硬件设备间常用的接口通讯协议，全称是 Inter-Integrated Circuit，也可以写为 I2C。他的设计时的理念是：信号线尽量少并且速率要尽量高。信号线少，可以减少引脚占用，这对早期的芯片（引脚很少）的很重要。

使用 IIC 接口时一共需要连接四根线，包括：VCC、GND、SDA、SCL，其中 SDA 和 SCL 需要占用 GPIO 管脚，连接到开发板上任何一组 IIC 接口的对应管脚都可以。

标准的 I2C 需要两根信号线：

SCL（Serial Clock）：时钟线，时钟都是有 master 提供的
SDA（Serial Data）：双向数据线，发数据或者收数据（收发不能同时）

简单来说，只需要 2 根线，就可以对多台设备传输大量数据，减少单片机上 IO 口的占用。

硬件电路设计

物料清单（BOM 表）：

材料名称	数量
带有 IIC 模块的 LCD1602 液晶屏	1
杜邦线(跳线)	若干

将材料按照下图相连:

注意

注意需要使用开发板上的 5V 电压，而不是 3.3V。真实环境下使用 3.3V 会无法显示或者显示很暗。

这里连接的这两个引脚可不是随便连接的，而是对应了 ESP32 芯片原理图，ESP32 的 I2C 引脚的 SDA 对应 D21，SCL 对应 D22，如图：

软件程序设计

在 Arduino 中使用 I2C 控制 LCD1602 需要下载第三方代码 LiquidCrystal_I2C，其中包括 LiquidCrystal_I2C.h 和 LiquidCrystal_I2C.cpp 两个文件，我们只需要把这两个文件放在项目的文件夹中即可。

Arduino 项目的创建非常简单，就是打开 Arduino IDE 后保存，它会在你选择的位置新建一个文件夹，这就是项目的文件夹。

.h 与 .cpp 文件到底是什么？在 Arduino 开发中，.h 和 .cpp 文件同样是用于代码组织和模块化的文件类型，但在 Arduino 环境中有些特殊的用法和约定。

.h 文件（头文件）：在 Arduino 中，头文件通常包含库、类、函数和变量的声明。头文件的目的是为了让多个源代码文件可以共享相同的声明，以便在程序中使用这些声明而无需重复编写。头文件通常使用预处理器指令 #include 引入到源文件中。在 Arduino 库中，.h 文件中通常包含类的声明、常量定义、函数原型等。
.cpp 文件（源文件）：在 Arduino 中，.cpp 文件是用于存放函数和类的实现代码的文件。.cpp 文件中包含了类成员函数的具体实现和其他函数的定义。通常，Arduino 项目中的 .cpp 文件中会包含 .h 文件，以便使用其中的声明。

需要注意的是，Arduino 开发中的 .h 和 .cpp 文件的约定与传统的 C++ 开发并不完全相同。Arduino IDE 会在编译过程中将 .ino 文件转换为 .cpp 文件，并将其中的代码放置在全局范围。因此，在 Arduino 项目中，.ino 文件也可以包含全局变量和函数，而不仅限于 .cpp 文件。

总结起来，.h 文件是用于声明库、类、函数和变量的头文件，而 .cpp 文件是用于实现函数和类的源文件。这样的组织方式有助于提高代码的可读性、可维护性和重用性。

接着，我们就可以了解 LiquidCrystal_I2C 库的使用：

LiquidCrystal_I2C(uint8_t addr, uint8_t cols, uint8_t rows)：构造函数，用于构造 LCD I2C 对象，参数：addr 是地址，默认的是 0x27，cols 是 LCD 显示的列数，rows 是 LCD 显示的函数；
void init()：初始化显示屏；
void clear()：清除 LCD 屏幕上内容，并将光标置于左上角；
void home()：将光标在定位在屏幕左上角；
void noBacklight() 与 void backlight()：是否开启背光；
print()：显示内容；
void leftToRight() 与 void rightToLeft()：控制文字显示的方向，默认是从左向右；
void noDisplay() 与 void display()：关闭显示或恢复显示（内容不会丢失）；
void setCursor(uint8_t col, uint8_t row)：设置光标的位置，列，行，基于 0；
void noCursor() 与 void cursor：显示与不显示光标，默认不显示；
void noBlink() 与 void blink()：光标是否闪烁，默认不闪烁。

现在，我们就可以写代码了。

1. 在屏幕上显示 Hello，world

了解了第三方库之后，我们先写一个最简单的程序，比如，在屏幕上显示 Hello, world，代码如下：

#include "LiquidCrystal_I2C.h"


// 设置 LCD1602 的地址，列数，行数
LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 16, 2);

void setup()
{
  // 初始化 LCD 对象
  lcd.init();
 
  // 打印内容
  lcd.backlight();
  lcd.print("Hello, world!");
}

void loop()
{
}

2. 读取串口输入内容

在这个程序中，我们需要用到串口的另外两个方法 Serial.available() 与 Serial.read():

Serial.available()：返回串口缓冲区中当前剩余的字符个数。一般用这个函数来判断串口的缓冲区有无数据，当 Serial.available()>0 时，说明串口接收到了数据，可以读取；
Serial.read() 指从串口的缓冲区取出并读取一个 Byte 的数据，比如有设备通过串口向 Arduino 发送数据了，我们就可以用 Serial.read() 来读取发送的数据。

#include "LiquidCrystal_I2C.h"


// 设置 LCD1602 的地址，列数，行数
LiquidCrystal_I2C lcd(0x27,16,2);  

void setup()
{
  // 初始化 LCD 对象
  lcd.init(); 
  // 开启背光
  lcd.backlight();
  // 开启串口通信
  Serial.begin(9600);
}

void loop()
{
  // 检测是否有串口输入
  if (Serial.available()) {
    // 延时以等待所有数据传输完成
    delay(100);
    // 清屏
    lcd.clear();
    // 反复读取串口的数据并在 LCD1602 屏幕上显示，直到数据读完
    while (Serial.available() > 0) {
      lcd.write(Serial.read());
    }
  }
}

IIC 驱动 LCD1602 液晶屏幕

# 实验原理

# 1. LCD1602 液晶屏

# 2. 认识 IIC（I2C）接口

# 硬件电路设计

# 软件程序设计

# 1. 在屏幕上显示 Hello，world

# 2. 读取串口输入内容