AVR单片机教程——LCD1602

2023-11-09 21:00:16

显示屏

开发板套件里有两块屏幕，大的是LCD（液晶显示），小的是OLED（有机发光二极管）。正与你所想的相反，短小精悍的比较贵，而本讲的主题——LCD1602——功能较少，使用起来也简单很多。

这块屏幕的显示是以字符为单位的。每个字符都是8像素高，5像素宽。1602这个名字，来源于显示字符的数量，共2行，每行16个字符。出售1602的商家提供了一份文档：提取码8c1u。

硬件

一个典型的1602显示屏有16个引脚（还有些模块是用串行总线驱动的）：

名称 功能 连接
VSS 电源地 GND
VDD 正电源 VCC（5V）
VO 对比度调整 左侧的电位器，其左端接GND，右端接VCC
RS 数据/指令选择 PB0
R/W 读/写选择 PB1
E 使能 PB2
D0~D7 双向并行数据线 74HC595的输出，通过exout_write输出
A 背光LED正极 NPN三极管的发射极，其集电极接VCC，基极接BAK
K 背光LED负极 GND

很复杂吧？好在开发板已经处理好了这些，我们只需要关注2组线：RS、R/W、E这3根控制线，通过DDRB和PORTB来操控，和D0~D7这8跟数据线，通过exout_write来以字节为单位输出（在这第一期的最后一篇中，我终于成功地将“尽量减少接线”的原则在第一期中贯彻到底了）。其他的还有对比度CON接口，可以不外接，还有背光BAK接口，可以接5V或3.3V以开启背光。当然，如果你是非主流，你可以把CON接到DAC上，把BAK接到PWM上。

此外，还需要把扩展输出的最高位（标注Ext Out 7）接到一个单片机引脚上。关于为什么会有这种诡异的接法，这是设计时的失误（也可能是不得已吧，毕竟单片机的32个IO已经占满了），参见：一个低电平引发的思考。

协议

1602与单片机之间是通过并行总线通信的。AVR单片机硬件上不支持并行总线，需要通过软件模拟时序来实现。

写操作的时序如下：

AVR单片机教程——LCD1602

进行一个写操作，需要先让RS根据写的类型设置电平，R/W输出低电平，D0~D7输出要发送的数据，然后在E的上升沿数据被对方读取，并保持R/W与D0~D7电平不变，直到E的下降沿之后。两次E的上升沿之间至少需要400us时间间隔。

1602共有8条指令，都是一字节长度的。从高位到低位，每一条指令都由若干个0、一个1和有效指令组成，使得没有两条指令会有相同的二进制表示。这种编码方式成为前缀码，UTF-8也用了类似的编码。

前导0个数 功能
0 设置DDRAM（显示存储器）地址
1 设置CGRAM（字符发生存储器）地址
2 设置总线宽度、字符行数、字符大小
3 设置滚动对象（光标或画面）、滚动方向
4 设置画面、光标、闪烁的开关
5 设置AC（地址计数器）是否变化与变化方向
6 将AC清零
7 清屏

1602插上开发板后只有第一行有黑色背景。我们先把它设置为2行输出，这是最简单的有视觉效果的指令。

#include <avr/io.h>
#include <ee1/lcd.h>

inline void short_delay()
{
    asm("nop");
    asm("nop");
    asm("nop");
    asm("nop");
}

int main()
{
    DDRB |= 0b111; // PB2:0 for LCD control: E, R/W, RS
    exout_init();  // Ext Out 7:0 for LCD instructions/data
#define LCD_CONTROL(x) (PORTB = (PORTB & ~0b111) | (x))
    LCD_CONTROL(0b000);
    short_delay();
    LCD_CONTROL(0b100);
    short_delay();
    exout_write(0b00111000); // 8-bit, 2 lines, 5x7 font
    short_delay();
    LCD_CONTROL(0b000);
}

在这段代码中，asm("nop")是一句汇编语句nop，代表这个CPU周期内不执行操作，可以用来短时间而精确地延时。在控制信号与数据信号之间加入短暂的延时，使时序符合1602的要求。

其他指令见数据手册，这份数据手册本身就是很好的教程。需要提醒的是，显示屏内的控制器执行指令需要一定时间，程序在发送下一指令之前，应通过RS为低电平的读取操作来获取其状态，并等待直到状态为空闲。

软件

开发板的库不仅包装了这些硬件操作，还添加了对字符串的支持，包括对\b、\t、\n和\r等不可打印字符的处理。

下面我们用1602显示屏来完成一个小项目，在之前用按键控制蜂鸣器的基础上，加入LCD显示与背光动态效果。

#include <string.h>
#include <ee1/lcd.h>
#include <ee1/pwm.h>
#include <ee1/button.h>
#include <ee1/tone.h>
#include <ee1/delay.h>

int main()
{
    lcd_init(PIN_3);
    lcd_set_status(true, false, false);
    button_init(PIN_6, PIN_7);
    wave_mode(WAVE_0, WAVE_MODE_PWM);
    wave_mode(WAVE_1, WAVE_MODE_TONE);
    char display[6] = {[0] = '\r', [5] = '\0'};        // 1. 为什么要开6字节字符数组？
    char* notes = display + 1;                         // 2. display数组是如何使用的？
    uint8_t brightness;                                // 3. 这一行有什么问题？
    uint16_t frequency[] = {262, 330, 392, 523};
    uint16_t buzzer = 0, tone;
    while (1)
    {
        memset(notes, ' ', 4);                         // 4. memset是什么函数？
        tone = 0;
        for (uint8_t i = 0; i != 4; ++i)
            if (button_down(i))
            {
                notes[i] = 0xFF;                       // 5. 0xFF是什么字符？
                brightness = 255;
                tone = frequency[i];                   // 6. 如果有多个按键按下，蜂鸣器会响什么音？
            }
        lcd_print_string(display);
        pwm_set(WAVE_0, brightness * brightness >> 8); // 7. 为什么第二个参数不直接写brightness？
        if (tone != buzzer)                            // 8. 为什么必须引入buzzer变量并在这里作判断？
        {
            buzzer = tone;
            tone_set(WAVE_1, buzzer);
        }
        if (brightness)
            brightness -= 5;
        delay(10);
    }
}

在这AVR单片机教程第一期最后一讲中，我在代码中留了8个问题。如果你能全部答上来，说明你对C语言已经有一些了解，熟悉了单片机开发中的部分细节，并具备初步的工程素养了。

作业

思考题：

  1. 明明可以选择4位总线来节省IO，为什么开发板上还是8位连接？

  2. 实现读取1602空闲状态。

  3. 在1602上画一颗心。

  4. 修改例程，使1602以滚动的横线指示按下的按键与发出的音符（类似于你玩过或看过的音游）。

扩展阅读：

  1. How LCDs Work

  2. OLED和LCD什么区别？

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