IIC 驱动 LCD1602 液晶屏幕

罗大富 BigRich大约 11 分钟ESP32Python

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。

我们先把开发板与 LCD1602 相连，然后上电，但是，我们会看到 Shell 环境会显示我们的设备在无限重启。

这是因为，我们用到了 ESP32 的 strapping 引脚（和芯片复位状态有关的引脚），strapping 引脚包括：

GPIO 0
GPIO 2
GPIO 4
GPIO 5 （启动时必须为高电平）
GPIO 12 （启动时必须为低电平）
GPIO 15 （启动时必须为高电平）

在硬件上要注意使用外接模块时不能将 GPIO12 拉高，否则将导致 ESP32 启动异常，而 I2C 总线空闲时两条线都是高电平。

此外，还有具有特定功能的管脚，使它们适合或不适合特定项目。下表显示了哪些管脚最适合用作输入和输出，哪些管脚需要小心。绿色突出显示的管脚可以使用。黄色突出显示的可以使用，但需要注意，因为它们可能在启动时有意外行为。不建议将红色突出显示的管脚用作输入或输出。

所以，我们把 Pin12 改为 Pin14，单片机上电就不会再重置了。

软件程序设计

SoftI2C 与 I2C 区别

下图标注的就是我们常常所说的 I2C 引脚接口，这里的接口指的就是硬件 I2C 接口，我们在软件中仅用 I2C 表示即可。

特点：

I2C（硬件 I2C）是由相应的 I2C 驱动电路，其使用的 I2C 管脚也是专用的。SoftI2C 其接口比较灵活，不受管脚限制；
SoftI2C（软件 I2C）一般是由电路中常见的 GPIO 管脚所组成，使用软件来控制管脚状态用以模仿 I2C（硬件 I2C）进行通信；
I2C（硬件 I2C）效率远高于 SoftI2C。

SoftI2C 适用于所有支持输出的引脚，并通过 machine.SoftI2Copen in new window 类访问：

构造函数 machine.SoftI2C(scl, sda, freq=400000, timeout=255): 构造一个新的 SoftI2C 对象。

scl 应该是一个 pin 对象，指定用于 SCL 的 pin。
sda 应该是一个 pin 对象，指定用于 SDA 的 pin。
freq 应该是一个整数，用于设置 SCL 的最大频率。
timeout 是等待时钟延长（SCL 被总线上的另一个设备保持为低电平）的最长时间（以微秒为单位），之后会引发OSError(ETIMEDOUT) 异常。

构造函数 machine.I2C(id, scl, sda, freq=400000, timeout=255): 构造一个新的硬件 I2C 对象。

id 是 0、1，表示默认的 I2C 引脚，0 表示 scl=Pin(18), sad=Pin(19); 1 表示 scl=Pin(25), sad=Pin(26)，注意：不能与 scl、sda 共用;
scl 应该是一个 pin 对象，指定用于 SCL 的 pin。
sda 应该是一个 pin 对象，指定用于 SDA 的 pin。
freq 应该是一个整数，用于设置 SCL 的最大频率。
timeout 是等待时钟延长（SCL 被总线上的另一个设备保持为低电平）的最长时间（以微秒为单位），之后会引发OSError(ETIMEDOUT) 异常。

使用方法如下：


from machine import Pin, I2C

i2c = SoftI2C(scl=Pin(12), sda=Pin(13), freq=100000)

# 扫描设备，I2C 协议
i2c.scan()

# read 4 bytes from device with address 0x3a
i2c.readfrom(0x27, 4)
# write '12' to device with address 0x3a
i2c.writeto(0x27, '12')

# create a buffer with 10 bytes
buf = bytearray(10)
# write the given buffer to the peripheral
i2c.writeto(0x27, buf)

打印 Hello world

我们之前在做数码管实验和舵机实验的时候是不是都用过驱动代码，LCD1602 和舵机一样，都是很常用的模块，因此，在开源社区中也有相关的代码，我们可以自己找到下载下来，或者，把我们网站上准备好的的代码复制到 MicroPython 设备中，这个属于第三方代码对不对，所以我们把它放到 libs 目录下。

把下面代码放到 libs 目录下的 lcd_api.py 中，

'''libs/lcd_api.py'''
import time


class LcdApi:
    # Implements the API for talking with HD44780 compatible character LCDs.
    # This class only knows what commands to send to the LCD, and not how to get
    # them to the LCD.
    #
    # It is expected that a derived class will implement the hal_xxx functions.
    #
    # The following constant names were lifted from the avrlib lcd.h header file,
    # with bit numbers changed to bit masks.

    # HD44780 LCD controller command set
    LCD_CLR = 0x01  # DB0: clear display
    LCD_HOME = 0x02  # DB1: return to home position

    LCD_ENTRY_MODE = 0x04  # DB2: set entry mode
    LCD_ENTRY_INC = 0x02  # DB1: increment
    LCD_ENTRY_SHIFT = 0x01  # DB0: shift

    LCD_ON_CTRL = 0x08  # DB3: turn lcd/cursor on
    LCD_ON_DISPLAY = 0x04  # DB2: turn display on
    LCD_ON_CURSOR = 0x02  # DB1: turn cursor on
    LCD_ON_BLINK = 0x01  # DB0: blinking cursor

    LCD_MOVE = 0x10  # DB4: move cursor/display
    LCD_MOVE_DISP = 0x08  # DB3: move display (0-> move cursor)
    LCD_MOVE_RIGHT = 0x04  # DB2: move right (0-> left)

    LCD_FUNCTION = 0x20  # DB5: function set
    LCD_FUNCTION_8BIT = 0x10  # DB4: set 8BIT mode (0->4BIT mode)
    LCD_FUNCTION_2LINES = 0x08  # DB3: two lines (0->one line)
    LCD_FUNCTION_10DOTS = 0x04  # DB2: 5x10 font (0->5x7 font)
    LCD_FUNCTION_RESET = 0x30  # See "Initializing by Instruction" section

    LCD_CGRAM = 0x40  # DB6: set CG RAM address
    LCD_DDRAM = 0x80  # DB7: set DD RAM address

    LCD_RS_CMD = 0
    LCD_RS_DATA = 1

    LCD_RW_WRITE = 0
    LCD_RW_READ = 1

    def __init__(self, num_lines, num_columns):
        self.num_lines = num_lines
        if self.num_lines > 4:
            self.num_lines = 4
        self.num_columns = num_columns
        if self.num_columns > 40:
            self.num_columns = 40
        self.cursor_x = 0
        self.cursor_y = 0
        self.implied_newline = False
        self.backlight = True
        self.display_off()
        self.backlight_on()
        self.clear()
        self.hal_write_command(self.LCD_ENTRY_MODE | self.LCD_ENTRY_INC)
        self.hide_cursor()
        self.display_on()

    def clear(self):
        # Clears the LCD display and moves the cursor to the top left corner
        self.hal_write_command(self.LCD_CLR)
        self.hal_write_command(self.LCD_HOME)
        self.cursor_x = 0
        self.cursor_y = 0

    def show_cursor(self):
        # Causes the cursor to be made visible
        self.hal_write_command(self.LCD_ON_CTRL | self.LCD_ON_DISPLAY |
                               self.LCD_ON_CURSOR)

    def hide_cursor(self):
        # Causes the cursor to be hidden
        self.hal_write_command(self.LCD_ON_CTRL | self.LCD_ON_DISPLAY)

    def blink_cursor_on(self):
        # Turns on the cursor, and makes it blink
        self.hal_write_command(self.LCD_ON_CTRL | self.LCD_ON_DISPLAY |
                               self.LCD_ON_CURSOR | self.LCD_ON_BLINK)

    def blink_cursor_off(self):
        # Turns on the cursor, and makes it no blink (i.e. be solid)
        self.hal_write_command(self.LCD_ON_CTRL | self.LCD_ON_DISPLAY |
                               self.LCD_ON_CURSOR)

    def display_on(self):
        # Turns on (i.e. unblanks) the LCD
        self.hal_write_command(self.LCD_ON_CTRL | self.LCD_ON_DISPLAY)

    def display_off(self):
        # Turns off (i.e. blanks) the LCD
        self.hal_write_command(self.LCD_ON_CTRL)

    def backlight_on(self):
        # Turns the backlight on.

        # This isn't really an LCD command, but some modules have backlight
        # controls, so this allows the hal to pass through the command.
        self.backlight = True
        self.hal_backlight_on()

    def backlight_off(self):
        # Turns the backlight off.

        # This isn't really an LCD command, but some modules have backlight
        # controls, so this allows the hal to pass through the command.
        self.backlight = False
        self.hal_backlight_off()

    def move_to(self, cursor_x, cursor_y):
        # Moves the cursor position to the indicated position. The cursor
        # position is zero based (i.e. cursor_x == 0 indicates first column).
        self.cursor_x = cursor_x
        self.cursor_y = cursor_y
        addr = cursor_x & 0x3f
        if cursor_y & 1:
            addr += 0x40  # Lines 1 & 3 add 0x40
        if cursor_y & 2:  # Lines 2 & 3 add number of columns
            addr += self.num_columns
        self.hal_write_command(self.LCD_DDRAM | addr)

    def putchar(self, char):
        # Writes the indicated character to the LCD at the current cursor
        # position, and advances the cursor by one position.
        if char == '\n':
            if self.implied_newline:
                # self.implied_newline means we advanced due to a wraparound,
                # so if we get a newline right after that we ignore it.
                pass
            else:
                self.cursor_x = self.num_columns
        else:
            self.hal_write_data(ord(char))
            self.cursor_x += 1
        if self.cursor_x >= self.num_columns:
            self.cursor_x = 0
            self.cursor_y += 1
            self.implied_newline = (char != '\n')
        if self.cursor_y >= self.num_lines:
            self.cursor_y = 0
        self.move_to(self.cursor_x, self.cursor_y)

    def putstr(self, string):
        # Write the indicated string to the LCD at the current cursor
        # position and advances the cursor position appropriately.
        for char in string:
            self.putchar(char)

    def custom_char(self, location, charmap):
        # Write a character to one of the 8 CGRAM locations, available
        # as chr(0) through chr(7).
        location &= 0x7
        self.hal_write_command(self.LCD_CGRAM | (location << 3))
        self.hal_sleep_us(40)
        for i in range(8):
            self.hal_write_data(charmap[i])
            self.hal_sleep_us(40)
        self.move_to(self.cursor_x, self.cursor_y)

    def hal_backlight_on(self):
        # Allows the hal layer to turn the backlight on.
        # If desired, a derived HAL class will implement this function.
        pass

    def hal_backlight_off(self):
        # Allows the hal layer to turn the backlight off.
        # If desired, a derived HAL class will implement this function.
        pass

    def hal_write_command(self, cmd):
        # Write a command to the LCD.
        # It is expected that a derived HAL class will implement this function.
        raise NotImplementedError

    def hal_write_data(self, data):
        # Write data to the LCD.
        # It is expected that a derived HAL class will implement this function.
        raise NotImplementedError

    def hal_sleep_us(self, usecs):
        # Sleep for some time (given in microseconds)
        time.sleep_us(usecs)

把下面代码放到 libs 目录下的 i2c_lcd.py 中，

'''libs/i2c_lcd.py'''
import utime

from libs.lcd_api import LcdApi
from machine import I2C

# PCF8574 pin definitions
MASK_RS = 0x01  # P0
MASK_RW = 0x02  # P1
MASK_E = 0x04  # P2

SHIFT_BACKLIGHT = 3  # P3
SHIFT_DATA = 4  # P4-P7


class I2cLcd(LcdApi):

    # Implements a HD44780 character LCD connected via PCF8574 on I2C

    def __init__(self, i2c, i2c_addr, num_lines, num_columns):
        self.i2c = i2c
        self.i2c_addr = i2c_addr
        self.i2c.writeto(self.i2c_addr, bytes([0]))
        utime.sleep_ms(20)  # Allow LCD time to powerup
        # Send reset 3 times
        self.hal_write_init_nibble(self.LCD_FUNCTION_RESET)
        utime.sleep_ms(5)  # Need to delay at least 4.1 msec
        self.hal_write_init_nibble(self.LCD_FUNCTION_RESET)
        utime.sleep_ms(1)
        self.hal_write_init_nibble(self.LCD_FUNCTION_RESET)
        utime.sleep_ms(1)
        # Put LCD into 4-bit mode
        self.hal_write_init_nibble(self.LCD_FUNCTION)
        utime.sleep_ms(1)
        LcdApi.__init__(self, num_lines, num_columns)
        cmd = self.LCD_FUNCTION
        if num_lines > 1:
            cmd |= self.LCD_FUNCTION_2LINES
        self.hal_write_command(cmd)

    def hal_write_init_nibble(self, nibble):
        # Writes an initialization nibble to the LCD.
        # This particular function is only used during initialization.
        byte = ((nibble >> 4) & 0x0f) << SHIFT_DATA
        self.i2c.writeto(self.i2c_addr, bytes([byte | MASK_E]))
        self.i2c.writeto(self.i2c_addr, bytes([byte]))

    def hal_backlight_on(self):
        # Allows the hal layer to turn the backlight on
        self.i2c.writeto(self.i2c_addr, bytes([1 << SHIFT_BACKLIGHT]))

    def hal_backlight_off(self):
        # Allows the hal layer to turn the backlight off
        self.i2c.writeto(self.i2c_addr, bytes([0]))

    def hal_write_command(self, cmd):
        # Write a command to the LCD. Data is latched on the falling edge of E.
        byte = ((self.backlight << SHIFT_BACKLIGHT) |
                (((cmd >> 4) & 0x0f) << SHIFT_DATA))
        self.i2c.writeto(self.i2c_addr, bytes([byte | MASK_E]))
        self.i2c.writeto(self.i2c_addr, bytes([byte]))
        byte = ((self.backlight << SHIFT_BACKLIGHT) |
                ((cmd & 0x0f) << SHIFT_DATA))
        self.i2c.writeto(self.i2c_addr, bytes([byte | MASK_E]))
        self.i2c.writeto(self.i2c_addr, bytes([byte]))
        if cmd <= 3:
            # The home and clear commands require a worst case delay of 4.1 msec
            utime.sleep_ms(5)

    def hal_write_data(self, data):
        # Write data to the LCD. Data is latched on the falling edge of E.
        byte = (MASK_RS |
                (self.backlight << SHIFT_BACKLIGHT) |
                (((data >> 4) & 0x0f) << SHIFT_DATA))
        self.i2c.writeto(self.i2c_addr, bytes([byte | MASK_E]))
        self.i2c.writeto(self.i2c_addr, bytes([byte]))
        byte = (MASK_RS |
                (self.backlight << SHIFT_BACKLIGHT) |
                ((data & 0x0f) << SHIFT_DATA))
        self.i2c.writeto(self.i2c_addr, bytes([byte | MASK_E]))
        self.i2c.writeto(self.i2c_addr, bytes([byte]))

第三方模块导入完成后，我们就可以写主程序了。

我们知道硬件 I2C 和软件 I2C 的区别在于，软件 I2C 是通过软件编程使 CPU 拉高拉低 SDA 和 SCL 引脚，模拟出 I2C 总线的；而硬件 I2C 则是使用 ESP32 内部的 I2C 硬件驱动器实现总线的读写。

很明显的，硬件 I2C 比软件 I2C 更加节约 CPU 资源，因为 CPU 不用去频繁操作 SDA 和 SCL 引脚了。如果你操作屏幕频繁，硬件 I2C 将是你最佳的选择。

如果我们使用硬件 I2C 的话，在 shell 中会跳出提示 Warning: I2C(-1, ...) is deprecated, use SoftI2C(...) instead，意思不建议你使用 I2C，建议你使用 SoftI2C，所以我们的代码还是使用软件 I2C 总线吧。

from machine import Pin, SoftI2C, I2C
from libs.i2c_lcd import I2cLcd

# 定义 SoftI2C 控制对象
i2c = SoftI2C(sda=Pin(13), scl=Pin(14), freq=100000)

# 获取 I2C 从机地址
address = i2c.scan()[0]

# 定义 I2CLCD 对象
i2c_lcd = I2cLcd(i2c, address, 2, 16)

# 显示 Hello world
i2c_lcd.putstr('Hello, world!')

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

# SoftI2C 与 I2C 区别

# 打印 Hello world