AVR单片机教程——LCD1602
本文隶属于AVR单片机教程系列。
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:
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:
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?
实现读取1602空闲状态。
在1602上画一颗心。
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:
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