LCD1602液晶顯示模塊的單片機驅動深刻詳解之硬件篇

（本文以HD44780主控芯片的LCD1602爲藍本進行描述，其中的截圖也來自HD44780數據手冊，用戶可自行搜索其datasheet，有部分整理網上的，但絕對要比你看到的要深刻得多）

一．接口 

         LCD1602是不少單片機愛好者較早接觸的字符型液晶顯示器，它的主控芯片是HD44780或者其它兼容芯片。剛開始接觸它的大可能是單片機的初學者。因爲對它的不瞭解，不能爲所欲爲地對它進行驅動。通過一段時間的學習，我對它的驅動有了一點點心得，今天把它記錄在這裏，以備之後查閱。與此相仿的是LCD12864液晶顯示器，它是一種圖形點陣顯示器，能顯示的內容比LCD1602要豐富得多，除了普通字符外，還能夠顯示點陣圖案，帶有漢字庫的還能夠顯示漢字，它的並行驅動方式與LCD1602相差無幾，因此，在這裏花點時間是值得的。

     通常來講，LCD1602有16條引腳，聽說還有14條引腳的，與16腳的相比缺乏了背光電源A(15腳)和地線K(16腳)。我手裏這塊LCD1602的型號是不知道是哪家的（知道也不告訴你，博客園不容許打廣告的），如圖1所示：

 

圖1

再來一張它的背面的，如圖2所示：

圖2

它的16條引腳定義以下：

引腳號	符號	引腳說明	引腳號	符號	引腳說明
1	VSS	電源地	9	D2	數據端口
2	VDD	電源正極	10	D3	數據端口
3	VO	偏壓信號	11	D4	數據端口
4	RS	命令/數據	12	D5	數據端口
5	RW	讀/寫	13	D6	數據端口
6	E	使能	14	D7	數據端口
7	D0	數據端口	15	A	背光正極
8	D1	數據端口	16	K	背光負極

對這個表的說明：

1.    VSS接電源地。

2.    VDD接+5V。

3.    VO是液晶顯示的偏壓信號，可接10K的3296精密電位器。或一樣阻值的RM065/RM063藍白可調電阻。見圖3。

圖3

4.    RS是命令/數據選擇引腳，接單片機的一個I/O，當RS爲低電平時，選擇命令；當RS爲高電平時，選擇數據。

5.    RW是讀/寫選擇引腳，接單片機的一個I/O，當RW爲低電平時，向LCD1602寫入命令或數據；當RW爲高電平時，從LCD1602讀取狀態或數據。若是不須要進行讀取操做，能夠直接將其接VSS。

6.    E，執行命令的使能引腳，接單片機的一個I/O。

7.    D0—D7，並行數據輸入/輸出引腳，可接單片機的P0—P3任意的8個I/O口。若是接P0口，P0口應該接4.7K—10K的上拉電阻。若是是4線並行驅動，只須接4個I/O口。

8.    A背光正極，可接一個10—47歐的限流電阻到VDD。

9.    K背光負極，接VSS。見圖4所示。

圖4

二．基本操做

LCD1602的基本操做分爲四種：

1.    讀狀態：輸入RS=0，RW=1，E=高脈衝。輸出：D0—D7爲狀態字。

2.    讀數據：輸入RS=1，RW=1，E=高脈衝。輸出：D0—D7爲數據。

3.    寫命令：輸入RS=0，RW=0，E=高脈衝。輸出：無。

4.    寫數據：輸入RS=1，RW=0，E=高脈衝。輸出：無。

讀操做時序圖(如圖5)：

 圖5

寫操做時序圖(如圖6)：

圖6

 

（總結一下：實際編程驅動時，共有11根信號須要驅動：並行數據爲8位（D0-D7），程序經過這8位數據線控制或讀取LCD1602模塊的顯示或狀態，這樣就須要另外一根信號線標識當前是寫操做仍是讀操做的信號線，即RW【Read/Write】，至於寫進LCD1602模塊的是數據仍是指令，就靠信號線RS【Register Select】來控制，字面意思就是「寄存器選擇」，實際就是經過RS信號控制當前的8位數據是寫進「數據寄存器Data Register/DR」，仍是「指令寄存器Instruction Register/IR」，若是是指令，就須要通過「指令解碼Instruction Decoder」，若是是數據，就直接寫進DDRAM或CGRAM，另有一根使能信號線E（Enable），在降低沿寫入信號。這樣剛好就11根信號線：D0-D七、RW、RS、E。

你問我怎麼會知道須要解碼什麼的？HD44780數據手冊是這麼寫的，其實我都不須要寫什麼博文了，把英文數據手冊一頁頁貼上就好了，犯得上嗎我。看下面這張HD44780功能框圖就知道了，後續會參考到，很重要的）

時序時間參數(如圖7)：

圖7

（總結一下：時序時間參數的意義，在編程上面的具體表現就是「延時」，Delay函數，由於LCD1602內部也是芯片，是芯片就會有反應時間，若是速度過快，內部芯片就採集不到數據，其實最主要的仍是E信號，從時序上看好像是高低電平鎖存信號的，實質上E信號是降低沿觸發時鐘，而不是鎖存器Latch的使能EN信號）

三．DDRAM、CGROM和CGRAM

DDRAM(Display Data RAM)就是顯示數據RAM，用來寄存待顯示的字符代碼。共80個字節，其地址和屏幕的對應關係以下(如圖8)：

 圖8

DDRAM至關於計算機的顯存，咱們爲了在屏幕上顯示字符，就把字符代碼送入顯存，這樣該字符就能夠顯示在屏幕上了。一樣LCD1602共有80個字節的顯存，即DDRAM。但LCD1602的顯示屏幕只有16×2大小，所以，並非全部寫入DDRAM的字符代碼都能在屏幕上顯示出來，只有寫在上圖所示範圍內的字符才能夠顯示出來，寫在範圍外的字符不能顯示出來。這樣，咱們在程序中能夠利用下面的「光標或顯示移動指令」使字符慢慢移動到可見的顯示範圍內，看到字符的移動效果。

前面說了，爲了在液晶屏幕上顯示字符，就把字符代碼送入DDRAM。例如，若是想在屏幕左上角顯示字符‘A’，那麼就把字符‘A’的字符代碼41H寫入DDRAM的00H地址處便可。至於怎麼寫入，後面會有說明。那麼爲何把字符代碼寫入DDRAM，就能夠在相應位置顯示這個代碼的字符呢？咱們知道，LCD1602是一種字符點陣顯示器，爲了顯示一種字符的字形，必需要有這個字符的字模數據，什麼叫字符的字模數據，看看下面的這個圖就明白了(如圖9)。

圖9

上圖的左邊就是字符‘A’的字模數據，右邊就是將左邊數據用「○」表明0，用「■」表明1。從而顯示出‘A’這個字形。從下面的圖能夠看出，字符‘A’的高4位是0100，低4位是0001，合在一塊兒就是01000001b，即41H。它剛好與該字符的ASCII碼一致，這樣就給了咱們很大的方便，咱們能夠在PC上使用P2=‘A’這樣的語法。編譯後，正好是這個字符的字符代碼。

在LCD1602模塊上固化了字模存儲器，就是CGROM和CGRAM，HD44780內置了192個經常使用字符的字模，存於字符產生器CGROM(Character Generator ROM)中，另外還有8個容許用戶自定義的字符產生RAM，稱爲CGRAM(Character Generator RAM)。下圖(如圖12)說明了CGROM和CGRAM與字符的對應關係。從ROM和RAM的名字咱們也能夠知道，ROM是早已固化在LCD1602模塊中的，只能讀取；而RAM是可讀寫的。也就是說，若是隻須要在屏幕上顯示已存在於CGROM中的字符，那麼只須在DDRAM中寫入它的字符代碼就能夠了；但若是要顯示CGROM中沒有的字符，好比攝氏溫標的符號，那麼就只有先在CGRAM中定義，而後再在DDRAM中寫入這個自定義字符的字符代碼便可。和CGROM中固化的字符不一樣，CGRAM中自己沒有字符，因此要在DDRAM中寫入某個CGROM不存在的字符，必須在CGRAM中先定義後使用。程序退出後CGRAM中定義的字符也不復存在，下次使用時，必須從新定義。

圖10

上面這個圖(如圖10)說明的是5×8點陣和5×10點陣字符的字形和光標的位置。先來講5×8點陣，它有8行5列。那麼定義這樣一個字符須要8個字節，每一個字節的前3個位沒有被使用。例如，定義攝氏溫標的符號{0x10,0x06,0x09,0x08,0x08,0x09,0x06,0x00}。

 圖11

上面這個圖(如圖11)說明的是設置CGRAM地址指令。從這個指令的格式中咱們能夠看出，它共有aaaaaa這6位，一共能夠表示64個地址，即64個字節。一個5×8點陣字符共佔用8個字節，那麼這64個字節一共能夠自定義8個字符。也就是說，上面這個圖的6位地址中的DB5DB4DB3用來表示8個自定義的字符，DB2DB1DB0用來表示每一個字符的8個字節。這DB5DB4DB3所表示的8個自定義字符(0--7)就是要寫入DDRAM中的字符代碼。咱們知道，在CGRAM中只能定義8個自定義字符，也就是隻有0—7這8個字符代碼，但在下面的這個表(如圖12)中一共有16個字符代碼(××××0000b--××××1111b)。實際上，如圖所示，它只能表示8個自定義字符 (××××0000b=××××1000b, ××××0001b=××××1001b……依次類推)。也就是說，寫入DDRAM中的字符代碼0和字符代碼8是同一個自定義字符。 5×10點陣每一個字符共佔用16個字節的空間，因此CGRAM中只能定義4個這樣的自定義字符。

那麼如何在CGRAM中自定義字符呢？在上面的介紹中，咱們知道有一個設置CGRAM地址指令，同寫DDRAM指令類似，只須設置好某個自定義字符的字模數據，而後按照上面介紹的方法，設置好CGRAM地址，依次寫入這個字模數據便可。咱們在後面的例子中再進行說明。

 圖12

（總結一下：CGRAM與DDRAM的數據寫入採用不一樣的指令，可是若是在CGRAM定義好了字模，使用上與CGROM是徹底同樣的，只不過只容許定義8個字符，這些地址剛好是CGROM自己沒有用到的地址，因此實際使用起來與CGROM沒有區別，不管你是CGROM仍是CGRAM，都是寫8位的地址，芯片將地址對應的字模進行顯示）

四．LCD1602指令

1．工做方式設置指令(如圖13)

 圖13

×：不關心，也就是說這個位是0或1均可以，通常取0。

DL：設置數據接口位數。

DL=1：8位數據接口(D7—D0)。

DL=0：4位數據接口(D7—D4)。

N=0：一行顯示。

N=1：兩行顯示。

F=0：5×8點陣字符。

F=1：5×10點陣字符。

說明：由於是寫指令字，因此RS和RW都是0。LCD1602只能用並行方式驅動，不能用串行方式驅動。而並行方式又能夠選擇8位數據接口或4位數據接口。這裏咱們選擇8位數據接口(D7—D0)。咱們的設置是8位數據接口，兩行顯示，5×8點陣，即0b00111000也就是0x38。(注意：NF是10或11的效果是同樣的，都是兩行5×8點陣。由於它不能以兩行5×10點陣方式進行顯示，換句話說，這裏用0x38或0x3c是同樣的)。

2．顯示開關控制指令(如圖14)

圖14

D=1：顯示開，D=0：顯示關。

C=1：光標顯示，C=0：光標不顯示。

B=1：光標閃爍，B=0：光標不閃爍。

說明：這裏的設置是顯示開，不顯示光標，光標不閃爍，設置字爲0x0c。

（總結一下：顯示開關與否不影響DDRAM已經寫入的內容，光標閃爍速度與內部時鐘Fosc有關）

3．進入模式設置指令(如圖1五、16)

圖15

I/D=1：寫入新數據後光標右移。

I/D=0：寫入新數據後光標左移。

S=1：顯示移動。

S=0：顯示不移動。

 圖16

說明：這裏的設置是0x06。

（總結一下：光標的位置實際就是「地址計數器Address Counter/AC」的位置，I/D用來控制AC增長或減少。Shift就是屏幕移動，實際使用注意方向便可，若是隻是屏移操做，是不會影響AC值的，是否是光標的位置也不變呢？固然要變，由於屏幕平移了，AC沒有變即光標位置沒有變，但相對位置變了。要注意這個指令與下一指令的區別：這個指令必需要有數據寫入到DDRAM後纔會相應有變化，而下一個指令是不須要有數據寫入，直接控制光標或屏幕移動）

4．光標或顯示移動指令(如圖1七、18)

圖17

 圖18

說明：在須要進行整屏移動時，這個指令很是有用，能夠實現屏幕的滾動顯示效果。初始化時不使用這個指令。

（總結一下：若是光標持續移動到某一行的結尾，好比光標在第一行向右移到第40（0x27）個字符，再移動的話，就會跳到第二行的第一個字符(0x40)，注意看內存地址，兩行的內存地址不是連續的）

5．清屏指令(如圖19)

圖19

說明：清除屏幕顯示內容。光標返回屏幕左上角。執行這個指令時須要必定時間。

（總結一下：清屏指令就是將全部80個字符地址寫「Space」的字模地址，即20H，CGROM表中第一行從左到右第三個，也是空字符的ASCII碼）

6．光標歸位指令(如圖20)

 

 圖20

說明：光標返回屏幕左上角，它不改變屏幕顯示內容。

7．設置CGRAM地址指令(如圖21)

圖21

說明：這個指令在上面已經介紹過。用法在後面例子中說明。

（總結一下：設置CGRAM地址或寫CGRAM數據時，應將光標光閉，由於此時的光標是沒有意義的）

8．設置DDRAM地址指令(如圖22)

圖22

說明：這個指令用於設置DDRAM地址。在對DDRAM進行讀寫以前，首先要設置DDRAM地址，而後才能進行讀寫。前面咱們說過，DDRAM就是LCD1602的顯示存儲器。咱們要在它上面進行顯示，就要把要顯示的字符寫入DDRAM。一樣，咱們想知道DDRAM某個地址上有什麼字符，也要先設置DDRAM地址，而後將它讀出到單片機。

9．讀忙信號和地址計數器AC(如圖23)

圖23

說明：這個指令用來讀取LCD1602狀態。對於單片機來講，LCD1602屬於慢速設備。當單片機向其發送一個指令後，它將去執行這個指令。這時若是單片機再次發送下一條指令，因爲LCD1602速度較慢，前一條指令還未執行完畢，它將不接受這新的指令，致使新的指令丟失。所以這條讀忙指令能夠用來判斷LCD1602是否忙，可否接收單片機發來的指令。當BF=1，表示LCD1602正忙，不能接受單片機的指令；當BF=0，表示LCD1602空閒，能夠接收單片機的指令。RS=0，表示是指令；RW=1，表示是讀取。這條指令還有一個副產品：便可以獲得地址記數器AC的值(address counter)。LCD1602維護了一個地址計數器AC，用來記錄下一次讀寫CGRAM或DDRAM的位置。須要強調的是：這條指令我一次也沒有執行成功。不少網友彷佛也是這樣。好在咱們有另外的辦法，也就是延時。經過查看每條指令的執行時間，再通過一些試驗，能夠肯定指令的延時。這樣就能夠在上一條指令執行完畢後再執行下一條指令了。

10．寫數據到CGRAM或DDRAM指令(如圖24)

圖24

說明：RS=1，數據；RW=0，寫。指令執行時，要在DB7—DB0上先設置好要寫入的數據，而後執行寫命令。

11．從CGRAM或DDRAM讀數據指令(如圖25)

圖25

說明：RS=1，數據；RW=1，讀。先設置好CGRAM或DDRAM的地址，而後執行讀取命令。數據就被讀入後DB7—DB0。