一、介绍
众所周知，虽然液晶显示器和其他显示器大大的丰富了人机交互，但他们有一个共同的弱点。当它们连接到控制器时，需要占用大量的IO口，但是一般的控制器没有那么多的外部端口，也限制了控制器的其他功能。因此，开发具有I2C组件的LCD来解决该问题，LCD是一种只用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。
字符型液晶显示模块是由字符型液晶显示屏LCD、控制驱动主电路HD/KS及其扩展驱动电路HD或与其兼容的IC，少量阻、容元件结构件等装配在PCB板上而成。
I2C总线是由PHLIPS发明的一种串行总线。它是一种高性能的串行总线，具有多主机系统所需的总线控制和高速或低速设备同步功能。I2CLCD上的蓝色电位器用于调整背光，以获得更好的显示效果。I2C使用两个双向极漏开路线，串行数据线（SDA）和串行时钟线（SCL），通过电阻上拉。使用的典型电压为5V或3.3V，但允许使用其他电压的系统。
二、组件
★RaspberryPi3主板*1
★树莓派电源*1
★40P软排线*1
★I2CLCD模块*1
★面包板*1
★跳线若干
三、实验原理
树莓派的GPIO端口数量有限，可通过IO扩展芯片增加GPIO的数量，使得树莓派可以适应更多的应用。本实验中的LCD模块有16个管脚，为节省GPIO端口，就使用了一款通过I2C总线扩展IO的芯片，PCF。单个PCF可扩展8个IO，一个I2C总线最多可挂载8个PCF，所以树莓派最多可扩展64个IO。
本实验中的编程原理比较复杂，所以一定要程序和硬件原理结合起来看才易理解。如果不想深度学习底层原理及驱动程序，掌握LCD的函数使用方法就可以了，但若想灵活运用LCD，最好了解一下。
本文是在网上查阅了很多中外资料，汇集诸多大神的智慧，10几天（当然，每天还是要上班的）才整理汇编而成，但仍有很多不懂和错误之处，特别是程序中有一长串“？？？？”注释的地方，请大神们留言指出！
3.1LCD的存储器
LCD里面存储器有三种：CGROM、CGRAM、DDRAM。DDRAM(DisplayDataRAM)就是显示数据RAM，用来寄存待显示的字符代码。共80个字节，其地址和屏幕的对应关系如下，如图：
DDRAM其实就是我们平时说的PC机的显存，如果说我们想要在屏幕上显示我们想要显示的，直接把需要的字符代码送入现实就可以了，很简单就能够在屏幕上显示我们想要显示的。相同的LCD总共存在80个字节的显存，就是DDRAM。遗憾的是LCD显示不出来这么多的字符，正是因为这样，不是每一个写在DDRAM上的字符都能够在显示器上显示出来，一次只能显示16个字符。正是因为这样，我们在程序中可以利用下面的“光标或显示移动指令”使字符慢慢移动到可见的显示范围内，看到字符的移动效果。
那么如何在液晶上显示字符呢，就是把要写入的字符给DDRAM。举个例子，我现在想在屏幕上显示“A”，我就把我要的字符“A”的字符代码41H写入DDRAM的00H地址处然后得到。那我们应该怎么去写入呢，我们在后面进行进一步的阐述。我们下面将要介绍的是A的字模，如图：
上面的图左侧显示的就是“A”的字模数据，上面的图右侧显示“○”代表0，用“■”代表1。这样我们就能够显示出“A”这个字形。
在LCD模块上固化了字模存储器，就是CGROM和CGRAM，HD内置了个常用字符的字模，存于字符产生器CGROM(CharacterGeneratorROM)中，另外还有8个允许用户自定义的字符产生RAM，称为CGRAM(CharacterGeneratorRAM)，留给自定义的位置只有8个地址，也就是最多自定义8个符号或者图形。
下图（字模表）说明了CGROM和CGRAM与字符的对应关系。从ROM和RAM的名称我们也可以知道，ROM是早已固化在LCD模块中的，只能读取；但是RAM即可以读又可以写。
若是只要求在屏幕上显示CGROM中已经拥有的字符，那就仅仅需要在DDRAM中写入它的字符代码就可以了；若是想显示的是CGROM中不存在的字符，例如美元的符号，那就只能先在CGRAM中规定，下一步再在DDRAM中写入我们之前自己定义的字符就可以。
上面这个图说明的是5×8点阵和5×10点阵字符的字形和光标的位置。这里我们采用的是5×8点阵，那么定义这样一个字符需要8个字节，每个字节的前3个位没有被使用。
上面这个图说明的是设置CGRAM地址指令。从这个指令的格式中我们可以看出，它共有aaaaaa这6位，一共可以表示64个地址，即64个字节。一个5×8点阵字符共占用8个字节，那么这64个字节一共可以自定义8个字符。也就是说，上面这个图的6位地址中的DB5DB4DB3用来表示8个自定义的字符，DB2DB1DB0用来表示每个字符的8个字节。这DB5DB4DB3所表示的8个自定义字符(0—7)就是要写入DDRAM中的字符代码。
3.2管脚
加装了I2C转接版的LCD，能够同时显示16x02即32个字符。（16列2行）字符型LCD通常有16条引脚线的LCD：
3.3LCD的基本操作及时序
本系列模块内部具有两个8位寄存器：指令寄存器（IR）和数据寄存器（DR）。用户可以通过RS和R/W输入信号的组合选择指定的寄存器，进行相应的操作。下表中列出了组合选择方式：
LCD的基本操作:1.读状态：输入RS=0，RW=1，E=高脉冲。输出：D0—D7为状态字。 2.读数据：输入RS=1，RW=1，E=高脉冲。输出：D0—D7为数据。 3.写命令：输入RS=0，RW=0，E=高脉冲。输出：无。（写完置E=高脉冲） 4.写数据：输入RS=1，RW=0，E=高脉冲。输出：无。注意：E(或EN)端为使能(enable)端，写操作时，下降沿使能。读操作时，E高电平有效。
读操作时序图：
写操作时序图：
时序时间参数：
3.4LCD的指令说明
液晶模块内部的控制器共有11条控制指令：
液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。
指令1：清显示，指令码01H，光标复位到地址00H位置。说明：清除屏幕显示内容。光标返回屏幕左上角。执行这个指令时需要一定时间。指令2：光标复位，光标返回到地址00H。说明：光标返回屏幕左上角，它不改变屏幕显示内容。指令3：光标和显示模式设置
I/D=1：写入新数据后光标右移。I/D=0：写入新数据后光标左移。S=1：显示移动。S=0：显示不移动。说明：这里的设置是0x06。
指令4：显示开关控制。
D=1：显示开，D=0：显示关。C=1：光标显示，C=0：光标不显示。B=1：光标闪烁，B=0：光标不闪烁。说明：这里的设置是显示开，不显示光标，光标不闪烁，设置字为0x0c。
指令5：光标或显示移位
说明：在需要进行整屏移动时，这个指令非常有用，可以实现屏幕的滚动显示效果。初始化时不使用这个指令。
指令6：
功能设置命令
×：不关心，也就是说这个位是0或1都可以，一般取0。DL：设置数据接口位数。DL=1：8位数据接口(D7—D0)。DL=0：4位数据接口(D7—D4)。N=0：一行显示。N=1：两行显示。F=0：5×8点阵字符。F=1：5×10点阵字符。说明：因为是写指令字，所以RS和RW都是0。LCD只能用并行方式驱动，不能用串行方式驱动。而并行方式又可以选择8位数据接口或4位数据接口。这里我们选择4位数据接口(D3—D0)。我们的设置是4位数据接口，两行显示，5×8点阵，即0b也就是0x28。(注意：NF是10或11的效果是一样的，都是两行5×8点阵。因为它不能以两行5×10点阵方式进行显示，换句话说，这里用0x28或0x2c是一样的)。
指令7：字符发生器CGRAM地址设置。
指令8：DDRAM地址设置。
说明：这个指令用于设置DDRAM地址。在对DDRAM进行读写之前，首先要设置DDRAM地址，然后才能进行读写。前面我们说过，DDRAM就是LCD的显示存储器。我们要在它上面进行显示，就要把要显示的字符写入DDRAM。同样，我们想知道DDRAM某个地址上有什么字符，也要先设置DDRAM地址，然后将它读出到单片机。
指令9：读忙信号和光标地址
BF：为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据。如果为低电平表示不忙。说明：这个指令用来读取LCD状态。对于单片机来说，LCD属于慢速设备。当单片机向其发送一个指令后，它将去执行这个指令。这时如果单片机再次发送下一条指令，由于LCD速度较慢，前一条指令还未执行完毕，它将不接受这新的指令，导致新的指令丢失。因此这条读忙指令可以用来判断LCD是否忙，能否接收单片机发来的指令。当BF=1，表示LCD正忙，不能接受单片机的指令；当BF=0，表示LCD空闲，可以接收单片机的指令。RS=0，表示是指令；RW=1，表示是读取。这条指令还有一个副产品：即可以得到地址记数器AC的值(addresscounter)。LCD维护了一个地址计数器AC，用来记录下一次读写CGRAM或DDRAM的位置。需要强调的是：这条指令我一次也没有执行成功。很多网友似乎也是这样。好在我们有另外的办法，也就是延时。通过查看每条指令的执行时间，再经过一些试验，可以确定指令的延时。这样就可以在上一条指令执行完毕后再执行下一条指令了。指令10：写数据。
说明：RS=1，数据；RW=0，写。指令执行时，要在DB7—DB0上先设置好要写入的数据，然后执行写命令。
指令11：读数据。
说明：RS=1，数据；RW=1，读。先设置好CGRAM或DDRAM的地址，然后执行读取命令。数据就被读入后DB7—DB0。
3.5初始化
如果电路电源能满足内部RESET电路的如下要求,初始化可自动完成：
如果电路电源不能满足内部RESET电路的要求的话，需要用初始化程序来实现初始化，有8位总线和4位总线两种模式。
8位数据传输模式：
本次实验中使用4位数据传输模式：
3.6DDRAM地址
字符液晶显示可分为上下两部分各16位进行显示，处于不同行时的字符显示地址如下：
按照上面指令8格式所示，由于地址为7位，在写入地址时，第8位D7恒为1。当我们想在指定位置写入内容时，要先指定地址，如在第一行第一位写入，地址位是00H，再加上DB7的1，即80H()，第二行第一位是40H，再加上DB7的1，即C0H()，依次类推。
四、实验步骤
第1步：连接电路。连接电源打开树莓派，显示屏就会亮，同时在第一行显示一排黑方块。如果看不到黑方块或黑方块不明显，请调节可调电阻，直到黑方块清晰显示。如果调节可调电阻还看不到方块，则可能你的连接有问题了，请检查连接，包括检查显示屏的引脚有没有虚焊。
第2步：
PCF模块采用的是I2C（IIC）总线进行通信的，但是在树莓派的镜像中默认是关闭的，在使用该传感器的时候，我们必须首先允许IIC总线通信。
第3步：查询LCD的地址。得出地址为0x27。
pi
raspberrypi:~ls/dev/i2c-*/dev/i2c-1piraspberrypi:~sudoi2cdetect-yabcdef00:--------------------------10:--------------------------------20:--------------27----------------30:--------------------------------40:--------------------------------50:--------------------------------60:--------------------------------70:----------------第4步：编写驱动程序。这里先编写一个LCD.py文件，后面再编写一个python程序引入这个库文件，调用这个文件中的函数实现更复杂的功能。LCD.py文件就相当于是LCD模块的驱动程序，单独编写是为了便于重用。该程序也可以单独运行，会在第一行显示“Hello”，在第二行显示“world!”。
#!/usr/bin/envpythonimporttimeimportsmbus#SMBus(SystemManagementBus,系统管理总线)在程序中导入“smbus”模块BUS=smbus.SMBus(1)#创建一个smbus实例#0代表/dev/i2c-0，1代表/dev/i2c-1,具体看使用的树莓派那个I2C来决定defwrite_word(addr,data):globalBLEN#该变量为1表示打开LCD背光，若是0则关闭背光temp=dataifBLEN==1:temp
=0x08#0x08=，表开背光#buf
=0x08等价于buf=buf
0x08(按位或)else:temp=0xF7#0xF7=，表关闭背光#buf=0xF7等价于buf=buf0xF7(按位与)BUS.write_byte(addr,temp)#这里为什么又一次写入8位？？？？？？#write_byte(intaddr,charval)发送一个字节到设备defsend_