一起玩轉樹莓派（11）——使用LCD屏

通過本系列部落格前幾篇文章的介紹，我們已經體驗過了許多傳感器元件，它們大多非常簡單，可以直接對其進行資料讀取或寫入，無需複雜的指令配置。本篇部落格，我們将介紹一個相對複雜的元件：LCD屏。當今大多數常見的電子裝置為了便于使用者操作，都會配備一塊LCD液晶顯示屏，使用者通過螢幕可以擷取到裝置的相關資訊友善使用。下面，我們将嘗試使用樹莓派來在LCD屏上展示資訊。

一、LCD 1602

LCD屏是Liquid Crystal Display的簡稱，即液晶顯示屏。LCD 1602是一種點陣式的給付型液晶顯示屏，其型号為1602本身也是有意義的，表示其可以顯示2行資訊，每行可以顯示16個字元。LCD1602最多可以顯示32個字元，價格上也并不昂貴，十幾元錢即可買到。LCD1602有16個引腳，如下圖所示：

LCD1602的16個引腳看上去很多，但實際上使用起來并不複雜，我們首先将上圖這些引腳的功能來介紹一下。

引腳1：接地引腳
引腳2：接5V電壓
引腳3：VE引腳為螢幕對比度調整引腳，接地時對比度最大，接正極電源時對比度最小。
引腳4：RS引腳為功能模式引腳(也被稱為寄存器選擇引腳)，為其加高電平時為資料模式(存取螢幕展示的資料)，為其加低電平時為指令模式(讀取指令)。
引腳5：RW引腳為讀寫模式引腳，為其加高電平時為讀操作，為其加低電平時為寫操作。
引腳6：Enable引腳，此引腳用來觸發動作，負跳變時進行資料處理或指令的執行。
引腳7-引腳14：這8個引腳為資料引腳，用來進行資料傳輸。
引腳15：背光電源引腳。
引腳16：背光接地引腳。

上面所介紹的引腳中，引腳1，引腳2，引腳15和引腳16比較好了解，其都是作為供電功能，無需程式設計操作。引腳3是一個單獨調增對比度功能的引腳，作用也相對獨立，無需複雜的指令操作。引腳4和引腳5是比較核心的兩個引腳，這兩個引腳的高低電平狀态組合共有4種，分别會将LCD1602設定為讀指令模式，寫指令模式，讀資料模式和寫資料模式。引腳6可以了解為一個觸發引腳，通過操作這個引腳的電平跳變來讓LCD1602執行具體的功能。引腳7-引腳14用來進行資料的存取或指令的存取。

現在請你務必将上面所介紹的内容完全了解，否則後面的内容可能會更加令你迷惑。對于LCD1206的讀資料模式和寫資料模式你應該沒有什麼疑惑，隻要通過引腳4和引腳5設定正确的模式後，再通過GPIO來寫和讀引腳7到引腳14的電平資料，即可得到一個8位的資料。我們核心需要了解的是指令模式，LCD1602的指令集如下：

上圖中的RS和R/W就是引腳4和引腳5，其控制模式，與指令本身無關，我們可以先不關心。從DB7到DB0是真正的指令部分。我們下面來逐一介紹。

1. 指令一：0000 0001

清屏指令，響應時間為1.53ms。

2.指令二：0000 001- (最後一位’-‘表示0和1都可以，不被關心)

光标歸位指令，執行後光标的位置會回到起點，但是資料寄存器中的資料不會清空。

3.指令三：0000 01[I/D][SH]

光标移動模式設定指令，I/D和SH兩個控制為光标或螢幕移動模式。

I/D設定為0：每次讀取一個字元後光标左移。

I/D設定為1：每次讀取一個字元後光标右移。

SH設定為0：螢幕不移動。

SH設定為1：螢幕移動，方向與I/D的設定一緻。

4.指令四：0000 1[D][C][B]

顯示模式設定指令，D，C，B這三個位分别設定主顯示功能，光标顯示功能，光标閃爍功能。

D：設定為0則關閉螢幕，設定為1開啟螢幕。

C：設定為0關閉光标，設定為1顯示光标。

B：設定為0光标不閃爍，設定為1光标閃爍。

5.指令五：0001 [S/C][R/L]--

設定光标和顯示屏移動方向。

S/C設定為0時，R/L設定為0則光标左移，RL設定為1時光标右移。

S/C設定為1時，R/L設定為0則顯示内容左移，R/L設定為1則顯示内容右移。

6.指令六：001[DL] [N][F]--

功能模式設定指令。

DL：設定為1時采用8位總線讀資料，設定為0時采用4位總線讀資料。

N：設定為0時是單行顯示模式，設定為1時是雙行顯示模式。

F：設定為0時為5*8的點陣字元，設定為1時為5*11的點陣字元。

7.指令七：01[A5][A4] [A3][A2][A1][A0]

設定下一個字元要顯示的位置。A5位設定要定位到的行，A0到A4位定位要顯示的位置，取值為0-16之間。

8.指令八：1[A6][A5][A4] [A3][A2][A1][A0]

資料寄存器位址設定。

了解了LD1602顯示屏上面的指令用法，我們就可以程式設計來控制顯示屏顯示的内容了。

二、帶I2C子產品的LCD 1602

前面我們說過，LCD1602有16個引腳。原則上我們已經可以使用樹莓派來控制顯示屏的顯示了，但是16個引腳全部連接配接到樹莓派會使接線十分的複雜，而且程式代碼的編寫也非常繁瑣，要對太多的GPIO引腳進行操作，十分不便。本次實驗，我們采用的是帶I2C子產品的LCD元件，I2C子產品本身将一些獨立的功能進行了封裝，通過I2C子產品，我們可以以8位資料為标準來傳輸任何我們想要執行的指令或讓LCD顯示的字元，非常友善。

如上圖所示，有了IC2子產品的LCD1602元件，隻需要4個引腳即可實作顯示功能。下面我們來分析下如何使用此I2C子產品。

首先關于I2C通信的相關内容，之前部落格已經有詳細的介紹，這裡不再贅述。我們先來介紹下為何通過4個引腳通過I2C總線傳輸8位的資料集合實作所有功能。

LCD引腳1與引腳2：用I2C子產品的電源引腳和接地引腳代替。

LCD引腳15和引腳16：LCD的這兩個引腳功能為控制背光，此邏輯被封裝進了I2C子產品中，I2C子產品每次寫入的8位資料中的第4位用來控制背光。

LCD的引腳3：LCD的此引腳用來設定顯示的對比度，在I2C子產品中，通過一個可調節的電阻來實作此功能，在後面的實驗中如果發現螢幕顯示不清，可以嘗試調節此電阻器。

LCD的引腳4，引腳5和引腳6：這幾個功能引腳也被封裝進了I2C子產品中，I2C子產品每次寫入的8位資料中的第1位，的2位和第3位分别用來控制這些引腳。

LCD剩下的資料引腳的資料由I2C傳輸的8位資料中的高4位來對應，在LCD的8位資料模式下，I2C分兩次傳輸一次完整的資料，前傳輸的4位為LCD所需資料的低4位，後傳輸的資料為LCD所需資料的高4位。在LCD的4位資料模式下，因為LCD需要擷取到完整的8位資料，是以也需要通過兩次資料傳輸，隻是此時先傳輸的資料為LCD所需資料的高4位，後傳輸的資料為LCD所需資料的低4位，這點需要特别注意。

下面總結了I2C在傳輸資料時每一位的意義：

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

三、編碼實驗

使用I2C子產品封裝的LCD1602隻有4個引腳，接線非常簡單，如下：

LCD	樹莓派
GND
VCC	+5V
SDA	樹莓派SDA功能引腳
SCL	樹莓派SCL功能引腳

将LCD1602與樹莓派連接配接完成後，在樹莓派的終端執行如下指令檢視I2C裝置：

sudo i2cdetect -y 1

輸出入下圖所示：

可以看到，目前我們隻連接配接了一個I2C裝置，裝置号為27。

由于背光的控制位相對獨立，我們封裝單獨的函數來處理，如下：

# 是否開啟背光 由PCF8574T的低4位中的第4位決定
BLEN = 1 
# 補充背光控制位
def addBlenControl(data):
    global BLEN
    tmpData = data
    if BLEN:
        # 将第4位背光控制位強制設定1
        tmpData = data | 0b00001000
    else:
        # 将第4位背光控制位強制設定為0
        tmpData = data & 0b11110111
    return tmpData

同理，可以将Enable位的控制，RS位的控制都封裝成函數：

# 補充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

# 補充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發送資料前，根據配置的背光設定來決定背光控制位的值：

# 通過I2C總線寫入資料
def writeI2C(addr, data):
    # 添加背光控制
    temp = addBlenControl(data)
    # 寫資料到I2C總線
    BUS.write_byte(addr ,temp)

準備好了這些工具函數，我們隻需要根據LCD1602的指令手冊來設定具體的功能，發送要展示的資料即可，完整的代碼如下：

#coding:utf-8
import time
import smbus
BUS = smbus.SMBus(1)
# LCD螢幕的硬體位址
LCD_ADDR = 0x27
# 是否開啟背光 由PCF8574T的低4位中的第4位決定
BLEN = 1 

# 補充背光控制位
def addBlenControl(data):
    global BLEN
    tmpData = data
    if BLEN:
        # 将第4位背光控制位強制設定1
        tmpData = data | 0b00001000
    else:
        # 将第4位背光控制位強制設定為0
        tmpData = data & 0b11110111
    return tmpData    

# 補充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

# 補充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

# 通過I2C總線寫入資料
def writeI2C(addr, data):
    # 添加背光控制
    temp = addBlenControl(data)
    # 寫資料到I2C總線
    BUS.write_byte(addr ,temp)

# 發送指令到LCD1602
def sendCommand(comm):
    # comm高4位資料傳輸
    # 低4位先清空
    buf = comm & 0b11110000
    # 先将Enable置為高電平
    buf = addEnableControl(buf, 1)
    # 設定為指令模式
    buf = addRSControl(buf, 0)
    # 寫入指令
    writeI2C(LCD_ADDR ,buf)
    time.sleep(0.002)
    # 将Enable置為低電平 使産生低電平跳變來執行指令
    buf = addEnableControl(buf, 0)          
    writeI2C(LCD_ADDR ,buf)
     
    # comm低4位資料傳輸
    # 高4位先清空 并将低4位的資料移動到高4位
    buf = (comm & 0b00001111) << 4
    # 當次指令的低4位用來 做enable re rew的控制
    # 先将Enable置為高電平
    buf = addEnableControl(buf, 1)
    writeI2C(LCD_ADDR ,buf)
    time.sleep(0.002)
    # 将Enable置為低電平 使産生低電平跳變來執行指令
    buf = addEnableControl(buf, 0)     
    writeI2C(LCD_ADDR ,buf)

# 發送資料到LCD 
def sendData(data):
    # data高4位資料傳輸
    # 低4位先清空
    buf = data & 0b11110000
    # 先将Enable置為高電平
    buf = addEnableControl(buf, 1)
    # 設定為資料模式
    buf = addRSControl(buf, 1)   
    writeI2C(LCD_ADDR ,buf)
    time.sleep(0.002)
    # 将Enable置為低電平 使産生低電平跳變來執行指令
    buf = addEnableControl(buf, 0)  
    writeI2C(LCD_ADDR ,buf)
     
    # data低4位資料傳輸
    buf = (data & 0b00001111) << 4
    # 先将Enable置為高電平
    buf = addEnableControl(buf, 1)
    # 設定為資料模式
    buf = addRSControl(buf, 1) 
    writeI2C(LCD_ADDR ,buf)
    time.sleep(0.002)
    # 将Enable置為低電平 使産生低電平跳變來執行指令
    buf = addEnableControl(buf, 0)  
    writeI2C(LCD_ADDR ,buf)

# 初始化方法
def initLCD():
    # 啟動時，LCD1602為8位模式 I2C傳輸資料時先傳輸的為低位資料
    # 是以實際上的指令為 0b00100011
    # 為指令6 将LCD1602設定為4位總線模式
    sendCommand(0b00110010) 
    time.sleep(0.005)

    # 之後的指令都是4位總線模式
    sendCommand(0b00110010) 
    time.sleep(0.005)
    # 指令4 設定螢幕開啟，無光标，無閃爍
    sendCommand(0b00001100)
    time.sleep(0.005)
    # 指令1 清屏
    sendCommand(0b00000001) 

# 設定螢幕要展示的文案 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 設定資料要展示的位置
    addr = 0b10000000 + 0b00000100 * y + x
    sendCommand(addr)
    # 開始發送字元資料到LCD1602的資料寄存器
    for chr in str:
        # ord函數可以擷取字元的ascil
        sendData(ord(chr))
 
# 主程式
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!')

如上代碼所示，所有的指令都采用的二進制的方式，便于對比指令手冊進行了解。更多時候我們會采用十六進制數字來編寫指令，這樣會使代碼看的幹淨很多。上面的示例代碼是一個簡單的應用程式，運作後可以直接在LCD螢幕上展示3句話：

Hello World!
Love China!
Great Raspberry!

其實此程式也是一個完整的LCD1602驅動，初始化完成後，我們可以通過其提供額sendData方法來實作各種各樣的顯示需求。效果如下圖所示：

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一起玩轉樹莓派（11）——使用LCD屏一起玩轉樹莓派（11）——使用LCD屏

一起玩轉樹莓派（11）——使用LCD屏

一、LCD 1602

二、帶I2C子產品的LCD 1602

三、編碼實驗

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