分享科技與遊戲 by HKGoldenMr.A: Arduino 控制 HD44780 點陣文字LCD熒幕模組

2019-10-21

Arduino 控制 HD44780 點陣文字LCD熒幕模組

早期使用七段顯示器及八乘八點陣顯示器
都使用基本的訊號操作，顯示比較少及基本的訊息
但要顯示比較多內容及訊息時，七段顯示器及八乘八點陣顯示器便比較不足
若果有一個可以一次過顯示一大段文字顯示器相信會更方便顯示訊息……

HD44780 16x2點陣文字LCD熒幕正面

HD44780 16x2點陣文字LCD熒幕背面

1排16針引腳座

將引腳安裝到 LCD熒幕

將引腳焊接到 LCD熒幕
(焊接效果仍然不熟練)

引腳功能

HD44780 共有 16支引腳 (部分只有14支引腳)

編號	引腳	方向	用途
1	VSS		熒幕接地
2	VDD		熒幕電源接受 5V
3	Vo		熒幕對比度電壓越低，對比度越明顯
4	RS	輸入	暫存器選擇 (Register Select) 低電壓為指示暫存器 (Instruction Register (IR)) 高電壓為資料暫存器 (Data Register (DR))
5	RW	輸入	讀寫 (Read / Write) 低電壓為寫入狀態 (Write Status) 高電壓為讀取狀態 (Read Status)
6	E	輸入	啟動 (Enable) ，由低電壓調整成高電壓寫入資料或讀取資料後再調整回低電壓以完成資料操作
7	D0	輸入輸出	第0位元資料，設定資料或寫入資料，低電壓為 0 ，高電壓為 1 (4位元模式為無效)
8	D1	輸入輸出	第1位元資料，設定資料或寫入資料，低電壓為 0 ，高電壓為 1 (4位元模式為無效)
9	D2	輸入輸出	第2位元資料，設定資料或寫入資料，低電壓為 0 ，高電壓為 1 (4位元模式為無效)
10	D3	輸入輸出	第3位元資料，設定資料或寫入資料，低電壓為 0 ，高電壓為 1 (4位元模式為無效)
11	D4	輸入輸出	第4位元資料，設定資料或寫入資料，低電壓為 0 ，高電壓為 1
12	D5	輸入輸出	第5位元資料，設定資料或寫入資料，低電壓為 0 ，高電壓為 1
13	D6	輸入輸出	第6位元資料，設定資料或寫入資料，低電壓為 0 ，高電壓為 1
14	D7	輸入輸出	第7位元資料，設定資料或寫入資料，低電壓為 0 ，高電壓為 1
15	A		LED背光電源，接受 5V (14支引腳 LCD熒幕沒有)
16	K		LED背光接地 (14支引腳 LCD熒幕沒有)

暫存器訊號

8位元模式 (8-Bit Mode)

HD44780 基本使用 D0 至 D7 共8支引腳控制暫存器

引腳	初始化	啟動8位元模式		暫存器週期
Time		延遲2毫秒	延遲2毫秒	延遲2毫秒	延遲2毫秒
RS	低			高/低
RW	低			高/低
E		高	低	高	低
D7		低		低/高
D6		低		低/高
D5		高		低/高
D4		高		低/高
D3		低		低/高
D2		低		低/高
D1		高		低/高
D0		高		低/高

訊號波紋時序圖

4位元模式 (4-Bit Mode)

考慮接駁引腳數量，HD44780 提供 4位元模式只需要使用 D4 至 D7 4支引腳便可以控制暫存器，但訊號會有些微不同

引腳	初始化	啟動4位元模式		暫存器週期
引腳	初始化	啟動4位元模式		前4位元		後4位元
Time		延遲2毫秒	延遲2毫秒	延遲2毫秒	延遲2毫秒	延遲2毫秒	延遲2毫秒
RS	低			高/低		高/低
RW	低			高/低		高/低
E		高	低	高	低	高	低
D7		低		低/高		低/高
D6		低		低/高		低/高
D5		高		低/高		低/高
D4		低		低/高		低/高

訊號波紋時序圖

指示暫存器

指示暫存器 (Instruction Register) 指示 HD44780 的設定資料

RS	RW	第n位元 (* 不限制)								用途
RS	RW	D7	D6	D5	D4	D3	D2	D1	D0	用途
0	0	0	0	0	0	0	0	0	1	清除熒幕所有內容 (Clear)
0	0	0	0	0	0	0	0	1	*	游標回到原始位置 (Home)
0	0	0	0	0	0	0	1	D	T	項目模式 (Entry Mode) 寫入資料後當 D 為 0 時向左移動；為 1 時向右移動 (預設 1) 當 T 為 0 時移動游標；為 1 時偏移熒幕 (預設 0)
0	0	0	0	0	0	1	S	C	B	顯示模式 (Display Mode) 當 S 為 0 時隱藏熒幕；為 1 時顯示熒幕 (預設 0) 當 C 為 0 時隱藏游標；為 1 時顯示游標 (預設 0) 當 B 為 0 時停止閃爍；為 1 時啟動閃爍 (預設 0)
0	0	0	0	0	1	T	D	*	*	游標與熒幕模式 (Cursor and Screen Setting) 當 T 為 0 時只移動游標；為 1 時移動游標及偏移熒幕當 D 為 0 時向左移動(及偏移)；為 1 時向右移動(及偏移)
0	0	0	0	1	B	R	D	*	*	功能設定 (Function Set) 當 B 為 0 時 4位元模式；為 1 時 8位元模式 (沒有預設值) 當 R 為 0 時 1行顯示；為 1 時 2行顯示 (預設 0) 當 D 為 0 時 5x10點陣圖；為 1 時 5x8點陣圖 (預設 0)
0	0	0	1	A	A	A	0	0	0	設定自訂點陣圖 (CGRAM Setting) 可保存 8個
0	0	1	A	A	A	A	A	A	A	設定游標位置 (DDRAM Setting)
0	1	B	A	A	A	A	A	A	A	傳回游標位置 (DDRAM Getting) 當 B 為 0 時表示閒置狀態；為 1 時表示繁忙狀態 A 為傳回 DDRAM 地址的資料
1	0	D	D	D	D	D	D	D	D	寫入資料 (CGRAM)
1	1	D	D	D	D	D	D	D	D	讀取資料 (CGRAM) D 為傳回游標 (DDRAM 地址) 的 CGRAM 資料執行後，游標位置會受項目模式的設定而改變

不使用微控制器

HD44780 可以直接使用基本電子零件控制

在下的線路接駁方法
(由於不使用微控制器只能使用寫入狀態， RW引腳可以直接連接到接地線)

剪裁一些短曲接駁鐵線
(分別是麵包板 4格長度及 5格長度，考慮安裝進麵包板深度的長度)

安裝鐵線在麵包板

在下使用 4環電阻器，顏色為：第一環啡色、第二環黑色、第三環黃色、第四環金色
電阻值為 100KΩ 正負差為 5%
可以參考 http://resistor.cherryjourney.pt/

安裝電阻器在麵包板
(電阻器避免電壓不穩定，保持 E引腳運作時穩定)

簡單的滑桿開關 Slide Switch
(滑桿開關的引腳1 及引腳3 接駁正極或負極，但沒有方向限制
假如引腳1 是負極，引腳3 是正極，當滑桿在正極方向，可通過引腳2 獲得電壓
反之，當滑桿在負極方向只會獲得 0V 電壓)

安裝滑桿開關在麵包板

在下使用電阻值為 10KΩ 的電位器 (Potentiometer) (或稱為可變電阻器 (Variable Resistor))
(電位器的引腳1 及引腳3 接駁正極或負極，同樣沒有方向限制，與滑桿開關類似
假如引腳1 是負極，引腳3 是正極，當控制器越向正極轉動，可通過引腳2 獲得越接近最高電壓
反之，當控制器越向負極轉動，越獲得接近 0V 電壓)

安裝電位器在麵包板

安裝 HD44780 在麵包板

接駁跳線，並連接上下兩行正負極引腳
(在下的麵包板第30欄及第31欄不相連，需要再接駁跳線連接)

VSS 接駁到接地、VDD 接駁到電源
因為在下只顯資料，只使用寫入模式 (Write Mode) ，所以 RW 接駁到接地即可

D0 至 D7 分別接駁到與 8個滑桿按鈕的信號引腳
D0 為最右 (最低位值)，D7 為最左 (最高位值)，以二進制排列，比較方便使用

連接 A引腳及 K引腳

K引腳接駁到接地

A引腳接駁到左為正極，右為負極的可變電阻器

連接 V0引腳

A引腳接駁到左為負極，右為正極的可變電阻器

連接 RS引腳

連接 E引腳

連接所有跳線的狀態

5V USB 差電池

USB Type A 電線，另一端只有正負極

接駁到麵包板正負極電線

避免正負極短路，使用電線膠布包裹

接通電源

調整 HD44780 的 LED背光光度

展示調整 HD44780 的 LED背光光暗效果

調整 HD44780 的對比度

展示調整 HD44780 的對比度效果

RS引腳設定為低電壓 (設定模式)

D0, D1, D2, D6, D7引腳設定為低電壓
D3, D4, D5引腳設定為高電壓
(二進制 00111000)

E引腳設定為高電壓，然後設定為低電壓
設定 HD44780 使用 8-Bit模式、 2行顯示、 5乘8點陣

D4, D5, D6, D7引腳設定為低電壓
D0, D1, D2, D3引腳設定為高電壓
(二進制 00001111)

E引腳設定為高電壓，然後設定為低電壓
設定 HD44780 啟用熒幕、顯示游標、啟用游標閃爍

RS引腳設定為高電壓 (資料模式)

D1, D2, D3, D4, D5, D7引腳設定為低電壓
D0, D6引腳設定為高電壓
(二進制 01000001)

HD44780 顯示字母 A

使用微控制器

最簡單就是使用 Arduino 之類的微控制器

在下將 HD44780 接駁到 Arduino 的方法

寫入狀態 (Write Status)

寫入狀態需要將所有資料引腳設定為 OUTPUT
編寫 Arduino 程式

const byte RS_PIN = 12;
const byte RW_PIN = 11;
const byte EN_PIN = 10;
const byte DA_LENGTH = 8;
const byte DA_PINS[DA_LENGTH] = {9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2};
 
void setup() {
    pinMode(RS_PIN, OUTPUT);
    pinMode(RW_PIN, OUTPUT);
    pinMode(EN_PIN, OUTPUT);
    // 使用 8位元模式
    setIR(0x20 | 0x10 | 0x02 | 0x01);
    // 使用 2行 及 5x10陣點
    setIR(0x20 | 0x10 | 0x08);
    // 顯示熒幕、顯示游標、游標閃爍
    setIR(0x08 | 0x04 | 0x02 | 0x01);
}
 
void loop() {
    // 清除熒幕資料
    setIR(0x01);
    delay(1000);
    setDR('A');
    delay(1000);
    setDR('B');
    delay(1000);
    setDR('C');
    delay(1000);
}
 
void setPin(byte pin, byte value) {
    digitalWrite(pin, value);
    delay(2);
}
 
void writeData(byte mode, byte data) {
    setPin(RS_PIN, mode);
    setPin(RW_PIN, LOW);
    setPin(EN_PIN, HIGH);
    for (byte i = 0; i < DA_LENGTH; i++) {
        pinMode(DA_PINS[i], OUTPUT);
        setPin(DA_PINS[i], (((data & (1 << i)) > 0) ? HIGH : LOW));
    }
    setPin(EN_PIN, LOW);
}
 
void setIR(byte data) {
    writeData(LOW, data);
}
 
void setDR(byte data) {
    writeData(HIGH, data);
}

此 Arduino 程式可以在 HD44780 顯示 ABC

// 在 setIR(0x01); 後加入程式碼
// 改變寫入資料後游標位置
setIR(0x04 | 0x02 | 0x01);
// 設定游標位置
setIR(0x80 | 0x08);

展示 D = 1, T = 0 時，寫入資料後，游標向右移動 (預設)

展示 D = 0, T = 0 時，寫入資料後，游標向左移動

展示 D = 1, T = 1 時，寫入資料後，熒幕向左偏移

展示 D = 0, T = 1 時，寫入資料後，熒幕向右偏移

資料暫存器 (Data Register)

字符產生器 (Character Generator)

字符產生器是使用點陣圖 (Dot Matrix) 方式將字符顯示在 LCD熒幕上
HD44780 區分 5x8點陣圖及 5x10點陣圖，部分字符由於以 5x10點陣圖設計， 5x8點陣圖的 HD44780 會不能完全顯示
跳過字符產生器表單

	D4	D3	D2	D1	D0
5x8點陣圖範圍






5x8點陣圖游標
5x10點陣圖會使用額外2行
5x10點陣圖游標

字符產生器唯讀記憶體 (Character Generator Readonly Memory (CGROM))

字符產生器唯讀記憶體保存著一堆預製的資料在暫存器中
CGROM 共保存 256個 8位元字符點陣圖
基本上，都會保存著數字、英文字母、常用拉丁符號
不同地區其他字符會有些微不同，日版會保存五十音，歐美版會保存希臘文
CGROM 的資料不能覆蓋
(在下的 A00版本 HD44780 為日版)

字符產生器隨記存取記憶體 (Character Generator Random Access Memory (CGRAM))

字符產生器隨記存取記憶體可以自訂點陣圖
CGROM 中 0 至 7 共 8個 CGRAM ，其中 0 至 7 與 8 至 15 是相同
當截斷電源後 CGRAM 的資料便會遺失
跳過字符產生器唯讀記憶體表單

A00 版本

前4位元

後4位元

0000

0001

0010

0011

0100

0101

0110

0111

1000

1001

1010

1011

1100

1101

1110

1111

0000

CG
RAM
0

CG
RAM
1

CG
RAM
2

CG
RAM
3

CG
RAM
4

CG
RAM
5

CG
RAM
6

CG
RAM
7

CG
RAM
0

CG
RAM
1

CG
RAM
2

CG
RAM
3

CG
RAM
4

CG
RAM
5

CG
RAM
6

CG
RAM
7

0001

0010

0011

0100

0101

0110

0111

1000

1001

1010

1011

1100

1101

1110

1111

// 改寫 loop 的內容
byte i = ' ';
for (; i < ' ' + 16; i++) {
    setDR(i);
}
setIR(0x80 | 0x40);
for (; i < ' ' + 32; i++) {
    setDR(i);
}

將 CGROM 寫入到 DDRAM
不同 HD44780熒幕顯示範圍不同，需要適當地修改資料

CGROM 第 32 至 63 字符實際效果

CGROM 第 64 至 95 字符實際效果

CGROM 第 96 至 127 字符實際效果

CGROM 第 160 至 191 字符實際效果

CGROM 第 192 至 223 字符實際效果

CGROM 第 224 至 255 字符實際效果

// 加入 setup 的內容
// 將資料寫入至 CGRAM 第0位置
setIR(0x40 | 0x00);
// 設定自訂點陣圖
setDR(0x08 | 0x04 | 0x02);
setDR(0x10 | 0x08 | 0x02 | 0x01);
setDR(0x10 | 0x01);
setDR(0x10 | 0x01);
setDR(0x10 | 0x01);
setDR(0x10 | 0x01);
setDR(0x10 | 0x01);
setDR(0x10 | 0x01);
setIR(0x01);

// 將資料寫入至 CGRAM (留意：只有 8個儲存位置)
// 然後在熒幕顯示

// 改寫 loop 的內容
// 使用 CGRAM 第0位置 資料
setDR(0x00);

執行自訂點陣圖的指示後，便執行資料將點陣圖資料儲存到 CGRAM 中

CGRAM 自訂字符參考效果
自訂字符一共使用 8組5位元資料製作 (5x10點陣圖為 10組5位元資料)

第 32 至 125 與 American Standard Code for Information Interchange (ASCII) 相同
第 160 至 223 與 Shift Japanese Industrial Standards (Shift JIS) 相同
(第 92 字符是反斜號 (Backslash) ，但由於在下使用的 LCD熒幕是使用日本字符，所以會顯示 ¥ (日元符號))

顯示資料隨機存取記憶體 (Display Data Random Access Memory (DDRAM))

顯示資料隨機存取記憶體是讓資料顯示在 HD44780 上的資料的記憶體
即使不同尺寸或不同展示數量的 HD44780 都會提供 80個 DDROM 空間
同樣截斷電源後 DDRAM 的資料便會遺失

8x1 LCD熒幕

最簡單的 HD44780
但即使只有 8格顯示範圍，但仍然有 80個 DDRAM
因此當游標不在範圍時，熒幕便不能顯示游標及資料
跳過 8x1 LCD熒幕

偏移	顯示欄								顯示欄以外
沒有	0 0x00	1 0x01	2 0x02	3 0x03	4 0x04	5 0x05	6 0x06	7 0x07	...	77 0x4D	78 0x4E	79 0x4F
左	1 0x01	2 0x02	3 0x03	4 0x04	5 0x05	6 0x06	7 0x07	8 0x08	...	78 0x4E	79 0x4F	0 0x00
右	79 0x4F	0 0x00	1 0x01	2 0x02	3 0x03	4 0x04	5 0x05	6 0x06	...	76 0x4C	77 0x4D	78 0x4E

8x2 LCD熒幕

使用 2行的 HD44780， DDRAM 將第 0 至 39 格為第一部分，第 40 至 79 格為第二部分
第一部分的地址為 0x00 至 0x27 ，第二部分的地址為 0x40 至 0x67
當兩行都要顯示資料時，要留意 DDRAM 的地址
同樣如果游標不在範圍時，熒幕便不能顯示游標及資料
跳過 8x2 LCD熒幕

偏移	行數	顯示欄								顯示欄以外
沒有	0	0 0x00	1 0x01	2 0x02	3 0x03	4 0x04	5 0x05	6 0x06	7 0x07	...	37 0x25	38 0x26	39 0x27
沒有	1	40 0x40	41 0x41	42 0x42	43 0x43	44 0x44	45 0x45	46 0x46	47 0x47	...	77 0x65	78 0x66	79 0x67
左	0	1 0x01	2 0x02	3 0x03	4 0x04	5 0x05	6 0x06	7 0x07	8 0x08	...	38 0x26	39 0x27	0 0x00
左	1	41 0x41	42 0x42	43 0x43	44 0x44	45 0x45	46 0x46	47 0x47	48 0x48	...	78 0x66	79 0x67	40 0x40
右	0	39 0x27	0 0x00	1 0x01	2 0x02	3 0x03	4 0x04	5 0x05	6 0x06	...	36 0x24	37 0x25	38 0x26
右	1	79 0x4F	40 0x40	41 0x41	42 0x42	43 0x43	44 0x44	45 0x45	46 0x46	...	76 0x64	77 0x65	78 0x66

16x4 LCD熒幕

使用 4行的 HD44780 與 2行的 LCD熒幕相似，但 DDRAM 地址並不是順序
第1行為第 0 至 19 個 DDRAM ，第2行為第 40 至 59 個 DDRAM
第3行為第 20 至 39 個 DDRAM ，第4行為第 60 至 79 個 DDRAM
需要順序顯示資料時，要留意行數次序
同樣如果游標不在範圍時，熒幕便不能顯示游標及資料
跳過 16x4 LCD熒幕

偏移	行數	顯示欄								顯示欄以外
沒有	0	0 0x00	1 0x01	2 0x02	3 0x03	...	13 0x0D	14 0x0E	15 0x0F	16 0x10	17 0x11	18 0x12	19 0x13
	1	40 0x40	41 0x41	42 0x42	43 0x43	...	53 0x4D	54 0x4E	55 0x4F	56 0x50	57 0x51	58 0x52	59 0x53
	2	20 0x14	21 0x15	22 0x16	23 0x17	...	33 0x21	34 0x22	35 0x23	36 0x24	37 0x25	38 0x26	39 0x27
	3	60 0x54	61 0x55	62 0x56	63 0x57	...	73 0x61	74 0x62	75 0x63	76 0x64	77 0x65	78 0x66	79 0x67
左	0	1 0x01	2 0x02	3 0x03	4 0x04	...	14 0x0E	15 0x0F	16 0x10	17 0x11	18 0x12	19 0x13	0 0x00
	1	41 0x41	42 0x42	43 0x43	44 0x44	...	54 0x4E	55 0x4F	56 0x50	57 0x51	58 0x52	59 0x53	40 0x40
	2	21 0x15	22 0x16	23 0x17	24 0x18	...	34 0x22	35 0x23	36 0x24	37 0x25	38 0x26	39 0x27	20 0x14
	3	61 0x55	62 0x56	63 0x57	64 0x58	...	74 0x62	75 0x63	76 0x64	77 0x65	78 0x66	79 0x67	60 0x54
右	0	19 0x13	0 0x00	1 0x01	2 0x02	...	12 0x0C	13 0x0D	14 0x0E	15 0x0F	16 0x10	17 0x11	18 0x12
	1	59 0x53	40 0x40	41 0x41	42 0x42	...	52 0x4C	53 0x4D	54 0x4E	55 0x4F	56 0x50	57 0x51	58 0x52
	2	39 0x27	20 0x14	21 0x15	22 0x16	...	32 0x20	33 0x21	34 0x22	35 0x23	36 0x24	37 0x25	38 0x26
	3	79 0x67	60 0x54	61 0x55	62 0x56	...	72 0x60	73 0x61	74 0x62	75 0x63	76 0x64	77 0x65	78 0x66

setIR(0x10 | 0x08 | 0x04);

移動游標或偏移熒幕

展示 T = 0, D = 0 時，游標向左移動

展示 T = 0, D = 1 時，游標向右移動

展示 T = 1, D = 0 時，游標向左移動及熒幕向左偏移

展示 T = 1, D = 1 時，游標向右移動及熒幕向右偏移

讀取狀態 (Read Status)

讀取狀態需要將所有資料引腳設定為 INPUT
必須使用微控制器才能讀取資料

展示游標位置 (DDRAM) 的地址及游標位置的顯示資料 (CGRAM)

在下在 Tinkercad 製作了一個模擬不使微控制器的狀態控制 HD44780
https://www.tinkercad.com/embed/fDoBmZB5Of6
有興趣可以測試
而在下發現 Tinkercad 的不能完全模擬真實的 Arduino, HD44780 或其他晶片功能，若要測試還是需要有實物才能正常測試

額外資料

在下為了測試，購買 20x4 HD44780

20x4 HD44780 的正面

20x4 HD44780 的背面

經過多次焊接工作，在下大致掌握到更好的焊接方法
終於可以焊接到這些漂亮的小山丘

使用效果
第一行顯示大寫 A 至 Z ，第二行顯示小寫 a 至 z
但會發現文字串斷開，第一行內容移至第三行，第二行內容移至第四行
操作上 20x4 HD44780 都是只有兩行，只是視覺果下有四行
視覺上第三行，實際是第一行之後；視覺上第四行，實際是第二行之後

如果要順序顯示，需要計算每行需要顯示內容的字元數量，選擇行數，才能正確顯示內容順序
在下的例子顯示

Row 1 Position 0x00
Row 2 Position 0x40
Row 3 Position 0x14
Row 4 Position 0x54

實際上內容是

Row 1 Position 0x00 Row 3 Position 0x14 Row 2 Position 0x40 Row 4 Position 0x54

可以使用空格移動游標到另一行，或使用指示暫存器指移動游標到另一行

總結

在下翻查不同網頁及函式庫，都沒有處理讀取狀態，因此在下再次細閱 HD44780 的官方說明文件，終於發現錯誤
在下原本是參考最多人建議使用的 LiquidCrystal 函式庫，原始碼顯示

寫入狀態：調整各D引腳為高電壓或低電壓
調整 E引腳為高電壓
調整 E引腳為低電壓

但 HD44780 的官方說明文件顯示 Timing Characteristics 應該是

調整 E引腳為高電壓
- 寫入狀態：調整各D引腳為高電壓或低電壓
- 讀取狀態：接收各D引腳的高電壓或低電壓
調整 E引腳為低電壓

通常 RW引腳很少需要調整，一般都是使用寫入狀態便足夠，即是低電壓
只需要將 RW引腳接駁到接地線便可以使用寫入狀態

在下將程式編寫成類別 (Class) 方便控制 HD44780 ，亦有簡單範例及說明
案已經上載到 https://bitbucket.org/hkgoldenmra/hd44780module
及 https://create.arduino.cc/editor/hkgoldenmra/3c07d034-177e-47c0-91b9-ef46c3683697/preview
有興趣可以透過 git

git clone "https://bitbucket.org/hkgoldenmra/hd44780module.git" --depth=1

下載、使用甚至改良

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