51单片机学习之LCD1602

LCD1602简介

LCD1602 是一种非常经典且广泛使用的字符型液晶显示模块（Liquid Crystal Display）。它的名称揭示了其核心特性：

• LCD： 液晶显示。
• 1602：
  • 16： 表示每行最多可以显示 16 个字符。
  • 02： 表示显示屏有 2 行。

主要特点

• 显示类型： 字符型。它内部集成了字符发生器（CGROM），只能显示预定义的字符（ASCII 码字符、少量日文假名、自定义字符）。不能像点阵屏那样自由绘制图形。
• 控制器： 绝大多数 LCD1602 模块使用的是 Hitachi HD44780 或其兼容芯片（如 KS0066, SPLC780D 等）作为控制器。这个控制器负责与单片机通信、管理显示内容、光标位置等。
• 接口： 通常提供并行接口（8位或4位模式），部分模块可能还支持 I2C 接口（需要额外的转接板）。
• 背光： 绝大多数模块带有 LED 背光（通常为蓝色或绿色背光，白色字符），方便在光线不足的环境下使用。背光通常有单独的引脚（A/K 或 LED+/LED-）控制。
• 功耗： 功耗较低，非常适合电池供电或低功耗应用。
• 视角： 视角相对较窄（通常称为 6 点钟视角），从屏幕正上方看效果最佳。
• 对比度调节： 通过一个电位器（通常标为 VO）调节显示对比度。连接到 V0 引脚。

引脚定义 (标准 16 引脚)

重要说明：

• 4位模式 vs 8位模式： 为了节省单片机的 I/O 口资源，强烈推荐使用 4 位数据模式。这样只需要使用 DB4-DB7 这 4 根数据线，DB0-DB3 悬空即可。初始化过程稍复杂一点，但之后的操作效率相同。本教程将重点介绍 4 位模式。
• R/W 引脚： 在绝大多数应用场景下，我们只需要向 LCD 写入指令或数据，不需要读取其状态。因此，通常将 R/W 引脚直接接地 (GND)，使其始终处于写模式。
• 背光： 如果不需要背光，15 和 16 脚可以不接。如果需要背光，务必在 15 脚（LED+）串联一个限流电阻（如 220Ω）后再接 VDD (+5V)，16 脚（LED-）接 GND。

内部存储器

HD44780 控制器管理着两块重要的内存区域：

• DDRAM (Display Data RAM – 显示数据 RAM):
  • 存储当前屏幕上实际显示的字符代码。
  • LCD1602 的 DDRAM 有 80 字节容量，但屏幕只显示前 32 个字节（16×2）。
  • 第一行对应地址0x00 – 0x0F (实际显示 0x00 – 0x0F)。
  • 第二行对应地址0x40 – 0x4F (实际显示 0x40 – 0x4F)。
  • 通过设置 DDRAM 地址，可以将光标移动到屏幕的任意位置。
• CGROM (Character Generator ROM – 字符发生器 ROM):
  • 固化在芯片内部，存储了标准的字符点阵图案（如 ASCII 字符、日文假名）。我们发送的字符代码（如 ‘A’ 的 ASCII 码 0x41）就是用来索引 CGROM 中的点阵数据。
• CGRAM (Character Generator RAM – 字符发生器 RAM):
  • 一小块 RAM（通常 64 字节），允许用户自定义最多 8 个 5×8 点阵的字符图案。通过向 CGRAM 特定地址写入自定义点阵数据，然后就可以像使用标准字符一样使用它们。

常用指令集 (HD44780 兼容)

控制器通过向指令寄存器（IR）发送指令代码来控制 LCD 的行为。以下是一些最常用的指令（高位在前，低位在后）：

注意： 指令执行时间是基于特定的时钟频率（通常 270KHz），实际使用时，发送指令后需要插入适当的延时（delay_us(40) 或 delay_ms(2) 对于清屏和归位）以确保指令完成。

故障诊断指南

51单片机驱动 LCD1602

典型硬件连接（核心电路示意）

注意事项：

• 如果使用P0口，必须接10K排阻上拉（VCC->排阻->P0）
• VO未接电位器会导致显示全黑/全白

Keil C51驱动代码示例

#include <reg52.h>

// 硬件连接定义
#define LCD_DATA P0
sbit LCD_RS = P2^0;
sbit LCD_RW = P2^1;
sbit LCD_EN = P2^2;

// 毫秒级延时函数（11.0592MHz晶振）
void delay_ms(unsigned int ms) {
    unsigned int i, j;
    for(i=0; i<ms; i++)
        for(j=0; j<114; j++);
}

// 检测LCD忙状态
void lcd_busy() {
    LCD_DATA = 0xFF;   // 置P0口高电平准备输入
    LCD_RS = 0;        // 命令模式
    LCD_RW = 1;        // 读状态
    LCD_EN = 1;        // 使能开始
    while(LCD_DATA & 0x80); // 检测D7位(忙标志)
    LCD_EN = 0;        // 使能结束
}

// 写命令到LCD
void lcd_cmd(unsigned char cmd) {
    lcd_busy();        // 等待空闲
    LCD_RS = 0;        // 写入命令
    LCD_RW = 0;        // 写操作
    LCD_DATA = cmd;    // 命令字输出
    LCD_EN = 1;        // 产生下降沿
    delay_ms(1);       // 脉冲宽度>450ns
    LCD_EN = 0;
}

// 写数据到LCD
void lcd_dat(unsigned char dat) {
    lcd_busy();        // 等待空闲
    LCD_RS = 1;        // 写入数据
    LCD_RW = 0;        // 写操作
    LCD_DATA = dat;    // 数据输出
    LCD_EN = 1;        // 产生下降沿
    delay_ms(1);       // 脉冲宽度>450ns
    LCD_EN = 0;
}

// LCD初始化
void lcd_init() {
    delay_ms(20);      // 等待LCD上电稳定
    
    lcd_cmd(0x38);     // 设置8位接口，2行显示，5x7点阵
    lcd_cmd(0x0C);     // 开显示，关光标，不闪烁
    lcd_cmd(0x06);     // 写入后光标右移
    lcd_cmd(0x01);     // 清屏
    delay_ms(5);       // 清屏延时
}

// 显示字符串
void lcd_show(unsigned char pos, char *str) {
    unsigned char addr;
    
    // 计算DDRAM地址（0x80为首地址）
    addr = (pos<16) ? (0x80+pos) : (0xC0+(pos-16));
    lcd_cmd(addr);     // 设置显示位置
    
    while(*str != '\0') {
        lcd_dat(*str); // 逐字符显示
        str++;
    }
}

void main() {
    lcd_init();
    lcd_show(0, "Hello World!");    // 第一行显示
    lcd_show(16, "STC89C52RC");     // 第二行显示
    
    while(1);         // 程序停止
}

51单片机驱动I2C接口的LCD1602

I2C接口的LCD1602通过转接板将并行接口转换为I2C协议，显著简化了连接方式（仅需4根线）。

I2C LCD1602模块特性

硬件组成：

• 核心部分：标准HD44780兼容的LCD1602显示屏
• I2C转换芯片：PCF8574T（最常用）或兼容芯片
• 接口优化：仅保留4个引脚
  • VCC（+5V）
  • GND
  • SDA（数据线）
  • SCL（时钟线）

地址配置：

PCF8574T的地址由A0-A2引脚决定：

地址 = 0x27 | (A2<<2 | A1<<1 | A0)

大多数模块默认A0/A1/A2接地，地址为0x27（备选地址0x3F）。特别说明：I2C_ADDR 0x4E是我自己试出来的。卖家产品说明里写了默认地址是0x27。

引脚映射（PCF8574T）：

重要提示：实际连接方式可能因模块而异，需要查阅具体模块资料

PCF8574T芯片简介

芯片基本信息

PCF8574T是一款由NXP（原Philips）公司生产的8位I/O扩展芯片，通过I2C总线接口扩展微控制器的GPIO能力。其主要特点：

• 接口：标准I2C串行接口（SDA、SCL）
• 通道数：8路双向I/O口（准双向结构）
• 地址选择：3位硬件地址（最多支持8个设备）
• 工作电压：5V～6V（兼容3.3V和5V系统）
• 封装：DIP16、SO16、TSSOP16等
• 关键功能：
  • 开漏中断输出（INT）
  • 准双向端口（无需方向配置）
  • 100kHz I2C总线传输速率

引脚功能（DIP16封装）

I/O端口工作原理

PCF8574T采用”准双向”端口设计：

• 输出模式：当向端口写”1″时，输出高阻抗；写”0″时输出低电平
• 输入模式：端口自动具备弱上拉功能(约100μA)，无需外部上拉电阻
• 中断功能：任何输入信号变化会触发INT引脚拉低

I2C通信协议

设备地址格式

  1  0  0   1   A2  A1  A0   R/W
┌──┬──┬──┬──┬──┬──┬──┬──┐
│1 │0 │0 │1 │A2│A1│A0│R/W│
└──┴──┴──┴──┴──┴──┴──┴──┘
  MSB                     LSB

• 固定部分：1001 (0x4的前4位)
• 地址选择：A2 A1 A0可由硬件设置
• 读写控制：0-写操作，1-读操作

例如：

• A2A1A0=000时，写地址：0x40 (0100 0000)
• A2A1A0=000时，读地址：0x41 (0100 0001)

数据传输格式

(1) 写操作

S | 从机地址+W | ACK | 数据字节 | ACK | P

• 主机发送写命令后，传输一个字节(8位)数据
• 数据直接写入输出锁存器

(2) 读操作

S | 从机地址+R | ACK | [数据字节] | NACK | P

• 读取的数据为当前I/O引脚状态
• 每次读取后INT引脚自动复位

51单片机软件驱动实现

51单片机硬件连接

#include <reg52.h>
#include <intrins.h>

// 修复：为delay_ms添加函数声明
void delay_ms(unsigned int ms);

#define I2C_ADDR 0x4E  // 修复：更常见的地址值
sbit SDA = P1^0;
sbit SCL = P1^1;

// 增强延时函数
void I2C_Delay(void) {
    _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_();
    _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_();
}

// 确保I2C信号完全符合时序要求
void I2C_Start(void) {
    SDA = 1; I2C_Delay();
    SCL = 1; I2C_Delay();
    SDA = 0; I2C_Delay();
    SCL = 0; I2C_Delay();
}

void I2C_Stop(void) {
    SDA = 0; I2C_Delay();
    SCL = 1; I2C_Delay();
    SDA = 1; I2C_Delay();
}

bit I2C_WaitAck(void) {
    SDA = 1; I2C_Delay();
    SCL = 1; I2C_Delay();
    if(SDA) {
        SCL = 0; 
        return 0;
    }
    SCL = 0;
    return 1;
}

// 发送字节函数
void I2C_SendByte(unsigned char dat) {
    unsigned char i;
    for(i = 0; i < 8; i++) {
        SDA = (dat & 0x80) ? 1 : 0;
        dat <<= 1;
        I2C_Delay();
        SCL = 1; 
        I2C_Delay();
        SCL = 0;
        I2C_Delay();
    }
    
    // 添加ACK检查
    if(!I2C_WaitAck()) {
        // ACK错误处理
    }
}

// 修复：为LCD_SendInitByte添加函数声明
void LCD_SendInitByte(unsigned char byte);

// 初始化信号发送函数
void LCD_SendInitByte(unsigned char byte) {
    I2C_Start();
    I2C_SendByte(I2C_ADDR);
    I2C_SendByte(byte | 0x04); // EN=1
    I2C_SendByte(byte);        // EN=0
    I2C_Stop();
}

// 完整修复的4位传输函数
void LCD_Write4bit(unsigned char data_value, unsigned char rs) {
    unsigned char hi_nib = data_value & 0xF0;
    unsigned char lo_nib = (data_value << 4) & 0xF0;
    
    // 控制位设置：RS + 背光(0x08)
    unsigned char control = rs | 0x08;
    
    // 发送高4位
    I2C_Start();
    I2C_SendByte(I2C_ADDR);
    I2C_SendByte(hi_nib | control | 0x04); // EN=1
    I2C_SendByte(hi_nib | control);        // EN=0
    I2C_Stop();
    
    // 发送低4位
    I2C_Start();
    I2C_SendByte(I2C_ADDR);
    I2C_SendByte(lo_nib | control | 0x04); // EN=1
    I2C_SendByte(lo_nib | control);        // EN=0
    I2C_Stop();
}

// 修复的LCD命令写入
void LCD_Cmd(unsigned char cmd) {
    LCD_Write4bit(cmd, 0x00); // RS=0
    if(cmd == 0x01 || cmd == 0x02) {
        delay_ms(5);
    } else {
        delay_ms(2);
    }
}

// 修复的LCD数据写入
void LCD_Data(unsigned char dat) {
    LCD_Write4bit(dat, 0x01); // RS=1
    delay_ms(2);
}

// 完全重写的初始化序列
void LCD_Init(void) {
    delay_ms(50);
    
    // 特殊初始化序列
    LCD_SendInitByte(0x30); // 第一次尝试
    delay_ms(5);
    LCD_SendInitByte(0x30); // 第二次尝试
    delay_ms(1);
    LCD_SendInitByte(0x30); // 第三次尝试
    delay_ms(1);
    
    // 进入4位模式
    LCD_SendInitByte(0x20); 
    delay_ms(1);
    
    // 4位模式初始设置
    LCD_Cmd(0x28); // 4位总线，2行显示，5x8点阵
    LCD_Cmd(0x0C); // 开显示，关光标，不闪烁
    LCD_Cmd(0x06); // 地址增量，光标右移
    LCD_Cmd(0x01); // 清屏
    delay_ms(5);
}

// 毫秒级延时函数
void delay_ms(unsigned int ms) {
    unsigned int i, j;
    for(i = 0; i < ms; i++)
        for(j = 0; j < 123; j++); // 调整延时精度
}

// 修复的显示字符串函数
void LCD_Print(unsigned char row, unsigned char col, char *str) {
    unsigned char addr = (row == 0) ? 0x80 : 0xC0;
    addr += col;
    
    LCD_Cmd(addr);
    
    while(*str) {
        LCD_Data(*str++);
    }
}

// 背光控制函数
void LCD_Backlight(unsigned char state) {
    unsigned char ctrl = (state) ? 0x08 : 0x00;
    
    I2C_Start();
    I2C_SendByte(I2C_ADDR);
    I2C_SendByte(ctrl);
    I2C_Stop();
}

// 主函数测试
void main(void) {
    // 初始化端口
    P1 = 0xFF; // 设置P1口为高电平
    
    LCD_Init();
    LCD_Backlight(1); // 开启背光
    
    LCD_Print(0, 0, "I2C LCD1602 OK");
    LCD_Print(1, 0, "STC89C52RC");
    
    while(1) {
        // 主循环
    }
}