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：
专注技术，懂的热爱，愿意分享，做个朋友
