Символьные ЖК-модули на HD44780: LCD 1602 и 2004

Распиновка LCD 1602: 16 выводов

У модулей 1602, 2004 и большинства других символьных модулей один и тот же 16-выводной разъём с шагом 2,54 мм. Назначение выводов — по даташиту Winstar WH1602B; у других производителей так же, но расположение разъёма и выводов подсветки бывает разным, поэтому перед подключением сверьтесь с маркировкой на плате.

Входы RS, R/W и D0–D7 у HD44780U подтянуты к питанию внутри микросхемы — ток подтяжки от 50 до 250 мкА при 5 В. Поэтому неподключённые D0–D3 в 4-битном режиме ничему не мешают. У входа E подтяжки нет, и оставлять его в воздухе нельзя: Hitachi предупреждает, что промежуточный уровень на КМОП-входе увеличивает ток потребления, а случайный импульс на E — это ложная запись.

Питание, контраст и подсветка

Питание. Модуль 1602 Winstar WH1602B потребляет от логического питания 1,0–1,5 мА при 5 В (без подсветки), допустимое VDD — 4,5–5,5 В. Сама микросхема HD44780U работает от 2,7 В, но об этом — в разделе про модули на 3,3 и 5 В.

Контраст. Жидкокристаллической панели нужно напряжение VDD − V0. У WH1602B-TMI-ET при 25 °C это 3,6–3,8 В, то есть V0 около 1,2–1,4 В при VDD = 5 В; у модуля 2004 WH2004A — 4,4–4,6 В. Напряжение сильно зависит от температуры: тому же WH1602B при −20 °C нужно до 5,2 В, а при 70 °C — от 3,2 В. Поэтому Winstar рекомендует подстроечный резистор 10–20 кОм: крайние выводы — на VDD и VSS, движок — на V0. Через потенциометр 10 кОм течёт 0,5 мА — заметная добавка к току модуля, который сам потребляет около миллиампера. Если устройство работает в комнате, вместо потенциометра подойдёт постоянный делитель напряжения: 10 кОм от VDD и 3,6 кОм на землю дают 1,32 В.

У модулей МЭЛТ свои правила: по документации MT-16S2H у 5-вольтовых исполнений вывод V0 соединяют с землёй (для регулировки — через переменный резистор 10 кОм), а у 3-вольтовых оставляют свободным.

Подсветка — светодиодная, и задавать нужно ток, а не напряжение: Winstar так и пишет, что напряжение в таблице приведено для справки. Разброс между модулями большой:

Ток задают резистором последовательно с выводом A. Для белой подсветки WH1602B от 5 В: R = (5 − 3,5) В / 32 мА ≈ 47 Ом, на резисторе рассеивается 1,5 В × 32 мА = 48 мВт. Посчитать для своего модуля поможет калькулятор резистора для светодиода. На плате многих модулей резистор подсветки уже стоит — у WH1602B на схеме подключения показан и внутренний резистор, и внешний. Если документации нет, включите подсветку через 47–100 Ом и измерьте ток. Яркость регулируют ШИМ через транзисторный ключ в цепи K: ток жёлто-зелёной подсветки в сотни миллиампер вывод микроконтроллера не выдержит.

Шина HD44780: регистры, RS, R/W и E

Внутри контроллера микроконтроллеру доступны только два регистра: регистр команд (IR) и регистр данных (DR). Какой из них участвует в обмене и в каком направлении, задают RS и R/W:

Обмен запускает сигнал E. При записи контроллер защёлкивает RS, R/W и данные по спаду E, поэтому всё должно быть выставлено заранее и удерживаться ещё немного после спада. При чтении контроллер выдаёт данные на шину, пока E в единице.

Времена по даташитам. При питании 2,7–4,5 В контроллер медленнее, и требования к сигналам у HD44780U строже:

Отличия совместимых контроллеров видны уже здесь: у ST7066U импульс E может быть короче, но период — не меньше 1,2 мкс. На практике это не мешает: у микроконтроллера на 16 МГц такт длится 62,5 нс, и паузы в 1 мкс между переключениями E с запасом закрывают требования любого из контроллеров. Библиотека LiquidCrystal так и делает: держит E в единице 1 мкс.

4-битный режим: два полубайта на байт

В 4-битном режиме используются только линии D4–D7, а каждый байт — команда, код символа или статус — передаётся двумя циклами шины: сначала старший полубайт на D7–D4, затем младший на тех же линиях. Контроллер выполняет команду только после второго полубайта, и флаг занятости проверяют тоже после него.

Именно здесь чаще всего ошибаются. Если перепутать порядок полубайтов, 0x48 превратится в 0x84; если перепутать провода D4–D7, биты внутри полубайта поменяются местами; если потерять один полубайт, контроллер будет склеивать байты со сдвигом до следующей инициализации.

Система команд HD44780

Команда — это байт, записанный при RS = 0 и R/W = 0. Её тип определяет старший установленный бит: 0x01 — Clear display, 0x02 — Return home, 0x04 и выше — Entry mode set и так далее до 0x80 — Set DDRAM address. Время выполнения — по таблице 6 даташита HD44780U при частоте генератора 270 кГц.

Звёздочка — бит, который не учитывается. Значения битов:

• I/D — 1: после записи адрес увеличивается и курсор идёт вправо, 0: уменьшается и курсор идёт влево.
• S — 1: при каждой записи сдвигается всё изображение, курсор остаётся на месте («бегущая строка»).
• D, C, B — дисплей включён, курсор-подчёркивание включён, знакоместо под курсором мигает. 0x0C — дисплей без курсора, 0x0E — с курсором, 0x0F — с курсором и миганием.
• S/C, R/L — сдвигать изображение (1) или курсор (0), вправо (1) или влево (0): 0x10 и 0x14 двигают курсор, 0x18 и 0x1C — изображение. При сдвиге обе строки движутся вместе, и вторая строка в первую не переходит.
• DL — 1: 8-битная шина, 0: 4-битная. N — 1: две строки (скважность 1/16), 0: одна. F — 1: символы 5 × 10, 0: 5 × 8; две строки с символами 5 × 10 невозможны.

Типовые коды для модуля 1602 на 4-битной шине — 0x28 (Function set: 4 бита, 2 строки, 5 × 8), 0x0C, 0x06 и 0x01. Function set дают один раз, в начале работы: по даташиту число строк и шрифт после инициализации менять нельзя.

Время выполнения зависит от генератора

37 мкс и 1,52 мс — это значения при частоте встроенного генератора 270 кГц, и Hitachi прямо пишет, что время меняется обратно пропорционально частоте: при 250 кГц те же 37 мкс превращаются в 37 × 270 / 250 = 40 мкс. А частота генератора с резистором 91 кОм у HD44780U при 5 В — от 190 до 350 кГц. В худшем случае команда выполняется 37 × 270 / 190 ≈ 53 мкс, а Return home — 1,52 × 270 / 190 ≈ 2,16 мс. У KS0066U запись данных длится 43 мкс при 270 кГц, то есть до 61 мкс на медленном генераторе. Если программа не опрашивает флаг занятости, паузы нужно брать с этим запасом: 70 мкс после обычных команд и данных, 2,2 мс после Clear display и Return home. Библиотека LiquidCrystal ждёт 100 мкс после каждого полубайта и 2 мс после clear() и home().

Адреса DDRAM: как адресуются строки

Видеопамять DDRAM — 80 байт, по одному на знакоместо. В двухстрочном режиме (N = 1) контроллер делит её на две строки по 40 символов: адреса 0x00–0x27 и 0x40–0x67. Модуль показывает только часть каждой строки: 1602 — первые 16 символов, 2004 — первые 20 и следующие 20 в других строках экрана. Чтобы написать что-то в нужном месте, дают команду Set DDRAM address: 0x80 плюс адрес.

Четырёхстрочный модуль для контроллера — всё тот же двухстрочный: третья строка экрана — продолжение первой строки контроллера, четвёртая — второй. Так и считает библиотека LiquidCrystal: начала строк — 0x00, 0x40, 0x00 + число столбцов и 0x40 + число столбцов.

Отсюда два сюрприза. Текст, не поместившийся в первую строку модуля 2004, продолжается в третьей, а не во второй. А у модуля 1602 после 16-го символа текст уходит в невидимые адреса 0x10–0x27 и появится во второй строке экрана, только когда пройдёт 40-я позиция: по даташиту курсор переходит на вторую строку после 40-го знакоместа первой. Поэтому переход на новую строку всегда делают командой Set DDRAM address.

Особый случай — модули 16 × 1. Если такой модуль собран по схеме рисунка 20 даташита HD44780U (скважность 1/16), его правая половина — это вторая строка контроллера: знакоместа 1–8 имеют адреса 0x00–0x07, знакоместа 9–16 — 0x40–0x47, а инициализировать модуль нужно как двухстрочный (N = 1).

Инициализация HD44780 в 8- и 4-битном режиме

После включения питания HD44780U инициализируется сам: очищает экран и устанавливает 8-битную шину, одну строку, шрифт 5 × 8, выключенный дисплей и автоинкремент адреса. Флаг занятости держится 10 мс после того, как VCC достигло 4,5 В. Но встроенный сброс срабатывает, только если питание нарастает за 0,1–10 мс, а перед повторным включением было выключено не меньше 1 мс. При медленном нарастании, провалах питания или перезагрузке одного микроконтроллера (модуль при этом остаётся включённым) рассчитывать на него нельзя. Поэтому программа всегда инициализирует контроллер сама, по процедуре с рисунков 23 и 24 даташита.

Последовательность для 4-битной шины

Флаг занятости до третьего шага читать нельзя, после него — можно; если его не читать, паузы должны быть длиннее времени выполнения команд. Процедура заканчивается выключенным дисплеем, поэтому затем дают Display on/off control, например 0x0C. Для 8-битной шины порядок тот же, только на шаги 1–3 подают полные байты 0x30, а шагов 4 и 5 нет: сразу Function set 0x38.

Зачем три раза 0x3

Программа не знает, в каком состоянии контроллер: только что включён (8 бит), уже работает в 4-битном режиме или в 4-битном режиме ждёт второй половины байта, потому что микроконтроллер перезагрузился посреди передачи. Три полубайта 0011 приводят к одному результату в любом случае:

• 8-битный режим: каждый полубайт — полная команда Function set с DL = 1, затем 0010 переключает шину на 4 бита.
• 4-битный режим, ждёт старший полубайт: первые два 0011 образуют байт 0x33 — Function set с DL = 1, контроллер переходит на 8 бит, и дальше как в первом случае.
• 4-битный режим, ждёт младший полубайт: первый 0011 дописывает чужой байт, и результат непредсказуем — длинная пауза после этого полубайта перекрывает даже самые долгие команды; следующие два 0011 образуют 0x33 — и снова 8-битный режим.

Поэтому «укороченная» инициализация — один полубайт 0010 и сразу 0x28 — работает после включения питания, а после перезагрузки микроконтроллера, когда модуль уже в 4-битном режиме, даёт мусор.

Отличия совместимых контроллеров

Время выполнения у первых четырёх — при 270 кГц; данные КБ1013ВГ6 — из документации модуля МЭЛТ MT-16S2H. Samsung и Sitronix приводят в даташитах свои варианты 4-битной инициализации, без трёх команд 0011, но процедура Hitachi состоит только из обычных команд Function set и подходит для всех; её же выполняет LiquidCrystal: 50 мс, 0x3, 4,5 мс, 0x3, 4,5 мс, 0x3, 150 мкс, 0x2. У ST7066U есть ещё одно условие: первые 40 мс после включения питания линии интерфейса надо держать в нуле.

Флаг занятости или задержки

Пока контроллер выполняет команду, флаг занятости BF равен 1 и новые команды не принимаются. Прочитать его можно в любой момент: RS = 0, R/W = 1, флаг — на D7, на D6–D0 — счётчик адреса. В 4-битном режиме статус передаётся, как и всё остальное, двумя полубайтами: BF в старшем, но читать нужно оба, иначе контроллер потеряет счёт полубайтам.

Опрос флага быстрее: программа ждёт ровно столько, сколько нужно этому экземпляру контроллера при этой температуре, а не худший случай. Но для него нужен вывод R/W, переключение линий данных на вход и уверенность, что 5-вольтовые выходы модуля не повредят входы микроконтроллера. Задержки проще: R/W на землю, линии — только на выход, а цена — несколько десятков лишних микросекунд на команду. Для текстового экрана, который обновляется несколько раз в секунду, разница не важна.

Тонкости, о которых пишут производители:

• Счётчик адреса обновляется ещё t_ADD после того, как BF сбросился (4 мкс при 270 кГц у HD44780U): прочитанный сразу адрес может оказаться старым.
• Sitronix требует начинать опрос BF у ST7066U не раньше чем через 80 мкс после команды и не держать E постоянно в единице во время опроса.
• До третьего шага инициализации флаг занятости не проверяют.

Если R/W подключён к PB2, ожидание флага в 4-битном режиме для примера из следующего раздела выглядит так:

#define LCD_RW PB2

static uint8_t lcd_read4(void)
{
    PORTB |= _BV(LCD_E);
    _delay_us(1);                      /* tDDR: data valid 160 ns (360 ns at 3 V) after E rises */
    uint8_t nibble = PIND >> 4;        /* D4..D7 = PD4..PD7 */
    PORTB &= ~_BV(LCD_E);
    _delay_us(1);
    return nibble;
}

static void lcd_wait_busy(void)
{
    uint8_t status;
    DDRD &= 0x0F;                      /* D4..D7 as inputs */
    PORTB &= ~_BV(LCD_RS);
    PORTB |= _BV(LCD_RW);              /* RS = 0, R/W = 1: busy flag and address */
    do {
        status = (uint8_t)(lcd_read4() << 4);  /* BF, AC6..AC4 */
        status |= lcd_read4();                 /* AC3..AC0: both nibbles must be read */
    } while (status & 0x80);
    PORTB &= ~_BV(LCD_RW);
    DDRD |= 0xF0;                      /* D4..D7 back to outputs */
}

Пример на C для AVR: 4-битный режим без чтения

ATmega328P на 16 МГц, подключение как на схеме выше: D4–D7 — PD4–PD7, RS — PB0, E — PB1, R/W на земле. Паузы взяты с запасом на самый медленный генератор контроллера.

#ifndef F_CPU
#define F_CPU 16000000UL
#endif
#include <avr/io.h>
#include <util/delay.h>

#define LCD_RS PB0
#define LCD_E  PB1

static void lcd_write4(uint8_t nibble)          /* nibble in bits 3..0 */
{
    PORTD = (uint8_t)((PORTD & 0x0F) | (nibble << 4));  /* D4..D7 = PD4..PD7 */
    PORTB |= _BV(LCD_E);                        /* RS and data are already set: tAS, tDSW */
    _delay_us(1);                               /* PW_EH >= 230 ns (450 ns at 3 V) */
    PORTB &= ~_BV(LCD_E);                       /* the falling edge latches the nibble */
    _delay_us(1);                               /* tH, tAH and the rest of tcycE */
}

static void lcd_write(uint8_t value, uint8_t rs)
{
    if (rs) PORTB |= _BV(LCD_RS); else PORTB &= ~_BV(LCD_RS);
    lcd_write4(value >> 4);                     /* high nibble first */
    lcd_write4(value & 0x0F);
    _delay_us(70);                              /* 37-43 us at 270 kHz, up to 61 us at 190 kHz */
}

void lcd_command(uint8_t cmd)
{
    lcd_write(cmd, 0);
    if (cmd <= 0x03) _delay_ms(2.2);            /* Clear display, Return home */
}

void lcd_data(uint8_t data)
{
    lcd_write(data, 1);
}

void lcd_init(void)
{
    DDRD |= 0xF0;
    DDRB |= _BV(LCD_RS) | _BV(LCD_E);
    PORTB &= ~(_BV(LCD_RS) | _BV(LCD_E));
    _delay_ms(50);                              /* > 40 ms after VCC reaches 2.7 V */

    lcd_write4(0x3);                            /* Function set: 8-bit */
    _delay_ms(4.5);                             /* > 4.1 ms */
    lcd_write4(0x3);
    _delay_us(150);                             /* > 100 us */
    lcd_write4(0x3);
    _delay_us(70);
    lcd_write4(0x2);                            /* Function set: 4-bit (an 8-bit command) */
    _delay_us(70);

    lcd_command(0x28);                          /* 4-bit bus, 2 lines, 5x8 dots */
    lcd_command(0x08);                          /* display off */
    lcd_command(0x01);                          /* clear */
    lcd_command(0x06);                          /* increment, no display shift */
    lcd_command(0x0C);                          /* display on, cursor off */
}

void lcd_goto(uint8_t col, uint8_t row)         /* 16x2 and 20x4; for 16x4 rows 3, 4 are 0x10, 0x50 */
{
    static const uint8_t row_start[4] = { 0x00, 0x40, 0x14, 0x54 };
    lcd_command((uint8_t)(0x80 | (row_start[row & 3] + col)));
}

void lcd_puts(const char *s)
{
    while (*s) lcd_data((uint8_t)*s++);
}

void lcd_create_char(uint8_t n, const uint8_t rows[8])
{
    lcd_command((uint8_t)(0x40 | ((n & 7) << 3)));  /* Set CGRAM address */
    for (uint8_t i = 0; i < 8; i++) lcd_data(rows[i]);
    lcd_command(0x80);                          /* back to DDRAM */
}

int main(void)
{
    static const uint8_t degree[8] = { 0x0C, 0x12, 0x12, 0x0C, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00 };

    lcd_init();
    lcd_create_char(1, degree);
    lcd_goto(0, 0);
    lcd_puts("HD44780, 4-bit");
    lcd_goto(0, 1);
    lcd_puts("T = 23.5\x01" "C");               /* split: "\x01C" would be one escape, 0x1C */
    for (;;) {}
}

Две детали в последней строке. Свой символ записан в ячейку 1, а не 0: код 0 в строке C означает её конец. И строковый литерал разбит на два: шестнадцатеричная escape-последовательность в C захватывает все следующие шестнадцатеричные цифры, и "\x01C" превратилась бы в один байт 0x1C.

Arduino: LiquidCrystal и LiquidCrystal_I2C

В Arduino модуль подключают библиотекой LiquidCrystal. Конструктор с шестью аргументами — RS, E, D4–D7 — означает 4-битный режим без вывода R/W, его соединяют с землёй:

#include <LiquidCrystal.h>

LiquidCrystal lcd(12, 11, 5, 4, 3, 2);  // RS, E, D4, D5, D6, D7

void setup() {
  lcd.begin(16, 2);          // 4-bit initialization, 0x28, display on, clear
  lcd.print("Hello, 1602");
}

void loop() {
  lcd.setCursor(0, 1);       // column 0, row 1: Set DDRAM address 0x40
  lcd.print(millis() / 1000);
}

Внутри begin() — процедура Hitachi с паузами 50 мс, 4,5 мс, 4,5 мс и 150 мкс, а setCursor() складывает столбец с началом строки из таблицы 0x00, 0x40, 0x00 + столбцы, 0x40 + столбцы. Флаг занятости библиотека не читает, даже если указан вывод R/W: после каждого полубайта она ждёт 100 мкс, после clear() и home() — 2 мс.

Для модуля с I²C-переходником нужна библиотека LiquidCrystal_I2C; конструктор принимает адрес переходника и размер экрана:

#include <Wire.h>
#include <LiquidCrystal_I2C.h>

LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 16, 2);  // 0x3F for a PCF8574A backpack

void setup() {
  lcd.init();                // Wire.begin() and the same 4-bit initialization
  lcd.backlight();           // P3 = 1
  lcd.print("Hello, I2C");
}

void loop() {}

Ни одна из библиотек не меняет таблицу знакогенератора: lcd.print() отправляет в модуль байты строки как есть. Строка «Привет» в исходнике Arduino хранится в UTF-8, по два байта на букву, и на экране превратится в набор посторонних символов. Как выводить русский текст — в разделе о знакогенераторе.

Свои символы в CGRAM

В CGRAM помещается восемь своих символов 5 × 8 точек (или четыре 5 × 10). Символ — это 8 байт, по одному на строку точек сверху вниз. В каждом байте значимы пять младших битов: бит 4 — левая точка, бит 0 — правая, единица — точка светится; биты 7–5 не используются. Восьмая строка — строка курсора: курсор-подчёркивание рисуется поверх неё по логическому ИЛИ, поэтому, если курсор нужен, её оставляют пустой.

Так выглядит буква «Я». Чтобы её загрузить, дают команду Set CGRAM address с адресом первой строки нужного символа — 0x40 + 8 × n для символа n от 0 до 7 — и записывают 8 байт как данные, при RS = 1. Затем обязательно возвращаются в DDRAM командой Set DDRAM address, иначе следующий текст тоже уйдёт в CGRAM. Библиотека LiquidCrystal делает то же в createChar() и обратно не переключается: после неё нужен setCursor() или clear().

Выводят свой символ кодом n или n + 8: бит 3 кода контроллер не учитывает. Это удобно в C, где код 0 завершает строку: вместо символа 0 можно печатать 8. Но так ведёт себя HD44780 и большинство аналогов; в знакогенераторе модулей МЭЛТ коды 0x08–0x0F заняты своими символами. В Arduino символ 0 выводят через lcd.write(byte(0)) — без приведения к byte вызов неоднозначен, об этом предупреждает и пример CustomCharacter из библиотеки.

CGRAM — это ОЗУ: после выключения питания символы пропадают, и загружать их нужно при каждой инициализации. Зато контроллер читает CGRAM при каждом обновлении экрана, и, если переписать символ, сразу изменятся все его копии на экране. На этом строят анимацию, индикаторы уровня и шкалы: например, пять символов со столбцами шириной от 1 до 5 точек дают полосу с шагом в одну точку.

Генератор символов CGRAM

Нарисуйте символ: щелчок по точке включает или выключает её, мышью можно провести по нескольким точкам сразу. Генератор покажет 8 байт и готовый код для Arduino или на C. В списке «Образец» — русские буквы, которых нет в японском знакогенераторе, и несколько значков; готовый массив можно вставить в поле ниже и отредактировать.

byte ya[8] = {
  0b01111,
  0b10001,
  0b10001,
  0b01111,
  0b00101,
  0b01001,
  0b10001,
  0b00000
};

// setup(), after lcd.begin() or lcd.init():
lcd.createChar(0, ya);
lcd.setCursor(0, 0);  // back to DDRAM
lcd.write(byte(0));

Знакогенератор, кириллица и русский текст

Шрифт контроллера зашит в знакогенератор CGROM при изготовлении кристалла, и его вариантов несколько. У HD44780U это 208 символов 5 × 8 и 32 символа 5 × 10; в таблице кодов первые 16 кодов отданы CGRAM, коды 0x20–0x7F — латиница, цифры и знаки почти как в ASCII, верхняя половина — национальные символы.

В японском варианте A00 коды 0x20–0x7D совпадают с ASCII, кроме 0x5C — там знак иены ¥ вместо обратной косой черты; 0x7E и 0x7F — стрелки → и ←. Для приборов пригодятся 0xDF — знак градуса, 0xE4 — µ, 0xF4 — Ω, 0xF7 — π. В варианте A02 знак градуса — уже 0xB0. Узнать, какой знакогенератор в вашем модуле, проще всего опытом: выведите все коды от 0xA0 до 0xFF и посмотрите.

Кириллица в знакогенераторе

В вариантах с кириллицей — у Winstar это CT, «English and Cyrillic standard font», у модулей МЭЛТ — страница 0 — буквы стоят по одним и тем же кодам. Буквы, начертание которых совпадает с латинскими, отдельно не хранятся и берутся из ASCII: А, В, Е, К, М, Н, О, Р, С, Т, Х и строчные а, е, о, р, с, у, х.

Слово «Привет» для такого модуля — это байты 0xA8, 'p', 0xB8, 0xB3, 'e', 0xBF: П, затем латинская p, и, в, латинская e и т. Компилятор сам не перекодирует, поэтому строку либо записывают байтами, либо перекодируют функцией по таблице:

static const uint8_t hello[] = { 0xA8, 'p', 0xB8, 0xB3, 'e', 0xBF, 0 };  /* "Привет" */
lcd_puts((const char *)hello);

В знакогенераторе A02 кириллица неполная: заглавные Б, Д, Ж, З, И, Й, Л, П, У, Ц, Ч, Ш, Щ, Ъ, Ы, Э занимают коды 0x80–0x8F, Ю и Я — 0xAC и 0xAD, а Г можно заменить греческой Γ с кодом 0x92. Строчных русских букв в A02 нет.

У модулей МЭЛТ на контроллере КБ1013ВГ6 две страницы знакогенератора, и переключает их бит P (D1) команды Function set: в 4-битном режиме с двумя строками 0x28 — страница 0, 0x2A — страница 1. Страница 1 устроена как кодировка Windows-1251: А–Я — 0xC0–0xDF, а–я — 0xE0–0xFF, Ё — 0xA8, ё — 0xB8. Строку, набранную в среде с кодировкой Windows-1251, такой модуль покажет без перекодирования; исходники Arduino сохраняются в UTF-8, и перекодировать всё равно придётся.

Если кириллицы в модуле нет

В самом распространённом японском варианте русских букв нет. Остаётся комбинировать: похожие буквы выводить латинскими, а недостающие — Б, Г, Д, Ж, З, И, Й, Л, П, У, Ф, Ц, Ч, Ш, Щ, Ъ, Ы, Ь, Э, Ю, Я — рисовать в CGRAM. Так работает, например, библиотека LCD_1602_RUS для Arduino: буквы, похожие на латинские, она берёт из английского набора, а остальные рисует в CGRAM.

I²C-модуль на PCF8574

Переходник I²C — плата с расширителем портов PCF8574 или PCF8574A, которая припаивается к 16-выводному разъёму модуля. Восемь выводов расширителя заменяют микроконтроллеру шину HD44780, и модуль подключается всего четырьмя проводами: питание, земля, SDA и SCL. Модуль при этом работает в 4-битном режиме, а сигнал E формирует программа, записывая в расширитель байт с установленным и сброшенным битом.

Назначение битов — по библиотеке LiquidCrystal_I2C; большинство переходников разведены так же:

Адрес. PCF8574 и PCF8574A отличаются только постоянной частью адреса. Младшие три бита задают выводы A2–A0, на переходниках — перемычки, которые обычно подтянуты к питанию, а запайка соединяет вывод с землёй:

Адреса семибитные, как их ожидает библиотека Wire; если в описании переходника указано 0x4E, это тот же 0x27, сдвинутый на разряд, — подробности в статье о шине I²C. Там же — скетч сканера шины, который найдёт адрес, если надпись на микросхеме не читается.

Скорость. PCF8574 рассчитан на Standard-mode — до 100 кГц. LiquidCrystal_I2C на каждый полубайт делает три записи в расширитель: данные, E = 1 и E = 0. Каждая запись — START, адрес, байт и STOP, около 20 тактов SCL, то есть 0,2 мс на 100 кГц. Символ из двух полубайтов занимает около 1,3 мс вместе с паузами библиотеки, строка из 16 символов — около 21 мс. Для текстового экрана этого достаточно, но перерисовывать весь экран в каждом проходе loop() не стоит.

Подсветка и контраст. Бит P3 включает подсветку через транзисторный ключ — поэтому в библиотеке подсветка включена, когда бит равен 1: сам выход PCF8574 в единице отдаёт лишь около 100 мкА. Анод подсветки обычно подключён к питанию через перемычку на плате: сняв её, подсветку отключают совсем. Подстроечный резистор контраста стоит на самом переходнике, и его, как правило, приходится подстраивать под конкретный модуль.

Подтяжки. На переходнике обычно стоят свои подтягивающие резисторы SDA и SCL к его питанию. Если на шине несколько модулей со своими подтяжками, они складываются параллельно — как это посчитать, разобрано в статье об I²C.

Модули на 3,3 и 5 В

Сам контроллер работает от 2,7 до 5,5 В, а ограничение — в жидкокристаллической панели: 5-вольтовому модулю нужно 3,6–4,6 В между VDD и V0, при морозе — ещё больше. При питании 3,3 В и V0 на земле на панель приходится только 3,3 В, и изображение получается бледным или не видно совсем. Выходов два:

• Модуль, рассчитанный на 3 В. У таких исполнений есть преобразователь, который делает нужное напряжение для панели; у Winstar на структурной схеме он обозначен как необязательный генератор отрицательного напряжения, у МЭЛТ 3-вольтовые исполнения работают от 2,7–3,6 В, а вывод V0 оставляют свободным.
• Отрицательное напряжение на V0. Если модуль 5-вольтовый, а питания 5 В нет, на V0 подают напряжение ниже нуля от отдельного источника.

Чаще встречается другая задача: модуль на 5 В, микроконтроллер на 3,3 В. Тогда всё решает порог единицы на входах модуля. У HD44780U, KS0066U, SPLC780D и КБ1013ВГ6 при питании 4,5–5,5 В это 2,2 В, и выходы 3,3 В его проходят с запасом. У ST7066U порог — 0,7 · VCC, то есть 3,5 В при 5 В, и 3,3 В формально не хватает; Winstar для своих модулей на ST7066U указывает тот же порог. Читать флаг занятости в такой схеме нельзя без согласования уровней: при чтении модуль выдаёт на линии данных уровень своего питания, до 5 В. Самый простой вариант — R/W на землю и задержки вместо опроса.

С I²C-переходником на 5 В ситуация та же: порог единицы PCF8574 — 0,7 · VDD, то есть 3,5 В, а подтяжки переходника поднимают SDA и SCL до 5 В — на входы 3,3-вольтового микроконтроллера, которые могут быть на это не рассчитаны. Надёжное решение — двунаправленный преобразователь уровней на MOSFET, схема — в статье о шине I²C.

Типичные ошибки и отладка

Порядок отладки «с нуля»:

1. Питание и контраст без микроконтроллера. Подайте VDD и землю, подключите подстроечник. Верхняя строка из закрашенных знакомест при повороте движка означает, что панель, контроллер и контраст в порядке. Напряжение на V0 относительно VSS у модуля WH1602B при комнатной температуре — около 1,3 В.
2. Линии управления. Логическим анализатором или осциллографом проверьте, что на E есть импульсы, а при командах RS = 0.
3. Инициализация. Первыми должны пройти три полубайта 0011, затем 0010, и только потом 0x28 двумя полубайтами, со старшего.
4. Вывод и адреса. Выведите строку из 16 разных символов и проверьте, на месте ли каждый: перепутанные линии данных видны сразу.

Другие интерфейсы и модули — в разделах «Интерфейсы» и «ЖК-дисплеи», архитектура микроконтроллеров из примеров — в разделе AVR.