AVR-GCC-Tutorial/LCD-Ansteuerung

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Das LCD und sein Controller

Die meisten Text-LCDs verwenden den Controller HD44780 oder einen kompatiblen (z. B. KS0070) und haben 14 oder 16 Pins. Hier ist die häufigste Anschluss-Belegung angegeben.

Achtung
Es gibt Displays mit abweichender Anschluss-Belegung, z.B. TC1602E (Pollin 120420). Falscher Anschluss kann zur Zerstörung führen! Daher immer das zugehörige Datenblatt zu Rate ziehen. Einzelheiten unter Artikel zum Controller HD44780.
Pin # Bezeichnung Funktion
1 Vss GND (beim TC1602E Vdd=Vcc)
2 Vdd/Vcc 5V (beim TC1602E Vss=Gnd)
3 Vee Kontrastspannung (0V bis 5V)
4 RS Register Select (Befehle/Daten)
5 RW Read/Write
6 E Enable
7 DB0 Datenbits 0−7
8 DB1
9 DB2
10 DB3
11 DB4
12 DB5
13 DB6
14 DB7
15 A LED-Beleuchtung, Anode
16 K LED-Beleuchtung, Kathode
Achtung
Unbedingt von der richtigen Seite zu zählen anfangen! Meistens ist neben Pin 1 eine kleine 1 auf der LCD-Platine. Ansonsten im Datenblatt nachschauen! Oft ist Pin 1 auch durch ein rechteckiges statt rundes Pad gekennzeichnet.
Bei LCDs mit 16-poligem Anschluss sind die beiden letzten Pins für die Hintergrundbeleuchtung reserviert. Hier unbedingt das Datenblatt zu Rate ziehen, die beiden Anschlüsse sind je nach Hersteller oft anders beschaltet. Falls kein Datenblatt vorliegt, kann man mit einem Durchgangsprüfer feststellen, welcher Anschluss mit Masse (GND) verbunden ist.

Vss wird ganz einfach an GND angeschlossen und Vcc an 5V. Vee kann man testweise auch an GND legen. Wenn das LCD dann zu dunkel sein sollte muss man ein 10k-Potentiometer zwischen GND und 5V schalten, mit dem Schleifer an Vee:

LCD Vee.gif

Es gibt zwei verschiedene Möglichkeiten zur Ansteuerung eines solchen Displays: den 8-bit- und den 4-bit-Modus.

  • Für den 8-bit-Modus werden (wie der Name schon sagt) alle acht Datenleitungen zur Ansteuerung verwendet, somit kann durch einen Zugriff immer ein ganzes Byte übertragen werden.
  • Der 4-bit-Modus verwendet nur die oberen vier Datenleitungen (DB4-DB7). Um ein Byte zu übertragen braucht man somit zwei Zugriffe, wobei zuerst das höherwertige "Nibble" (= 4 Bits), also Bit 4 bis Bit 7 übertragen wird und dann das niederwertige, also Bit 0 bis Bit 3. Die unteren Datenleitungen des LCDs, die beim Lesezyklus Ausgänge sind, lässt man offen (siehe Datasheets, z. B. vom KS0070).

Der 4-bit-Modus hat den Vorteil, dass man 4 IO-Pins weniger benötigt als beim 8-bit-Modus, weshalb ich mich hier für eine Ansteuerung mit 4bit entschieden habe.

Neben den vier Datenleitungen (DB4, DB5, DB6 und DB7) werden noch die Anschlüsse RS, RW und E (ist in manchen Unterlagen auch EN für Enable abgekürzt) benötigt.

  • Über RS wird ausgewählt, ob man einen Befehl oder ein Datenbyte an das LCD schicken möchte. Ist RS Low, dann wird das ankommende Byte als Befehl interpretiert, ist RS high, dann wird das Byte auf dem LCD angezeigt.
  • RW legt fest, ob geschrieben oder gelesen werden soll. High bedeutet lesen, low bedeutet schreiben. Wenn man RW auf lesen einstellt und RS auf Befehl, dann kann man das Busy-Flag an DB7 lesen, das anzeigt, ob das LCD den vorhergehenden Befehl fertig verarbeitetet hat (diese Methode u.a. in der LCD-Library von Peter Fleury verwendet). Ist RS auf Daten eingestellt, dann kann man z. B. den Inhalt des Displays lesen - was jedoch nur in den wenigsten Fällen Sinn macht. Deshalb kann man RW dauerhaft auf low lassen (= an GND anschließen), so dass man noch ein IO-Pin am Controller einspart. Der Nachteil ist, dass man dann das Busy-Flag nicht lesen kann, weswegen man nach jedem Befehl vorsichtshalber ein paar Mikrosekunden warten sollte, um dem LCD Zeit zum Ausführen des Befehls zu geben. Dummerweise schwankt die Ausführungszeit von Display zu Display und ist auch von der Betriebsspannung abhängig. Für professionellere Sachen also lieber den IO-Pin opfern und Busy abfragen.
  • Der E Anschluss schließlich signalisiert dem LCD, dass die übrigen Datenleitungen jetzt korrekte Pegel angenommen haben und es die gewünschten Daten von den Datenleitungen bzw. Kommandos von den Datenleitungen übernehmen kann.

Anschluss an den Controller

Jetzt da wir wissen, welche Anschlüsse das LCDs benötigt, können wir das LCD mit dem Mikrocontroller verbinden:

ACHTUNG: Es gibt Displays mit abweichender Anschluss-Belegung, falscher Anschluss kann zur Zerstörung führen! Daher immer das zugehörige Datenblatt zu Rate ziehen.

Einzelheiten unter Artikel zum Controller HD44780

Pin #-LCD Bezeichnung-LCD Pin-µC
1 Vss GND
2 Vcc 5V
3 Vee GND oder Poti (siehe oben)
4 RS PD4 am AVR
5 RW GND
6 E PD5 am AVR
7 DB0 offen (unbenutzt)
8 DB1
9 DB2
10 DB3
11 DB4 PD0 am AVR
12 DB5 PD1 am AVR
13 DB6 PD2 am AVR
14 DB7 PD3 am AVR

Wenn man die Steuerleitungen EN und RS auf Pins an einem anderen Port legen möchte, kann man so wie in diesem Forumsbeitrag oder wie im Artikel Erweiterte LCD-Ansteuerung vorgehen.

Ok, alles ist verbunden, wenn man jetzt den Strom einschaltet sollten ein oder zwei schwarze Balken auf dem Display angezeigt werden. Erscheint trotz korrektem Anschluss nichts auf dem Display, so kann das auch am Kontrast des LCDs liegen. Die Balken werden dann zwar theoretisch angezeigt, sind aber nicht sichtbar, weil die Kontrastspannung zu hoch ist. Abhilfe schafft es hier, wenn man die Spannung am Schleifer des Potis nachmisst und in Richtung 0V verstellt. Zwischen 1V und 0V treten die Balken dann meist hervor. Doch wie bekommt man jetzt die Befehle und Daten in das Display?

Programmierung

Die LCD Routinen

Der folgende Satz von Ansteuerroutinen für ein Text-LCD ist in der Datei lcd-routines.c zusammengefasst. Diese Datei muss man beim Einrichten zusätzlich zum eigenen Hauptprogramm in sein Projekt aufnehmen. Dies geschieht beim AVR Studio unter Source Files im Fenster AVR GCC oder bei WinAVR im Makefile (z. B. durch SRC += lcd-routines.c).

Wichtig ist außerdem, dass die Optimierung bei der Compilierung eingeschaltet ist, sonst stimmen die Zeiten der Funktionen _delay_us() und _delay_ms() nicht und der Code wird wesentlich länger (Siehe Dokumentation der libc im WinAVR).

Als weitere Datei ist die Includedatei lcd-routines.h notwendig, die im Hauptprogramm und in lcd-routines.c eingebunden wird. Die Anpassung der Pinbelegung etc. macht man in dieser Datei.

Datei lcd-routines.h

// Ansteuerung eines HD44780 kompatiblen LCD im 4-Bit-Interfacemodus
// http://www.mikrocontroller.net/articles/AVR-GCC-Tutorial/LCD-Ansteuerung
//
 
#ifndef LCD_ROUTINES_H
#define LCD_ROUTINES_H
 
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Hier die verwendete Taktfrequenz in Hz eintragen, wichtig!
 
#ifndef F_CPU
#define F_CPU 8000000
#endif
 
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Pinbelegung für das LCD, an verwendete Pins anpassen
// Alle LCD Pins müssen an einem Port angeschlossen sein und die 4
// Datenleitungen müssen auf aufeinanderfolgenden Pins liegen
 
//  LCD DB4-DB7 <-->  PORTD Bit PD0-PD3
#define LCD_PORT      PORTD
#define LCD_DDR       DDRD
#define LCD_DB        PD0
 
//  LCD RS      <-->  PORTD Bit PD4     (RS: 1=Data, 0=Command)
#define LCD_RS        PD4
 
//  LCD EN      <-->  PORTD Bit PD5     (EN: 1-Impuls für Daten)
#define LCD_EN        PD5
 
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// LCD Ausführungszeiten (MS=Millisekunden, US=Mikrosekunden)
 
#define LCD_BOOTUP_MS           15
#define LCD_ENABLE_US           20
#define LCD_WRITEDATA_US        46
#define LCD_COMMAND_US          42
 
#define LCD_SOFT_RESET_MS1      5
#define LCD_SOFT_RESET_MS2      1
#define LCD_SOFT_RESET_MS3      1
#define LCD_SET_4BITMODE_MS     5
 
#define LCD_CLEAR_DISPLAY_MS    2
#define LCD_CURSOR_HOME_MS      2
 
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Zeilendefinitionen des verwendeten LCD
// Die Einträge hier sollten für ein LCD mit einer Zeilenlänge von 16 Zeichen passen
// Bei anderen Zeilenlängen müssen diese Einträge angepasst werden
 
#define LCD_DDADR_LINE1         0x00
#define LCD_DDADR_LINE2         0x40
#define LCD_DDADR_LINE3         0x10
#define LCD_DDADR_LINE4         0x50
 
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Initialisierung: muss ganz am Anfang des Programms aufgerufen werden.
void lcd_init( void );
 
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// LCD löschen
void lcd_clear( void );
 
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Cursor in die 1. Zeile, 0-te Spalte
void lcd_home( void );
 
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Cursor an eine beliebige Position 
void lcd_setcursor( uint8_t spalte, uint8_t zeile );
 
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Ausgabe eines einzelnen Zeichens an der aktuellen Cursorposition 
void lcd_data( uint8_t data );
 
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Ausgabe eines Strings an der aktuellen Cursorposition 
void lcd_string( const char *data );
 
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Definition eines benutzerdefinierten Sonderzeichens.
// data muss auf ein Array[8] mit den Zeilencodes des zu definierenden Zeichens
// zeigen. Später können diese mit lcd_data(0-7) aufgerufen werden
void lcd_generatechar( uint8_t startadresse, const uint8_t *data );
 
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Ausgabe eines Kommandos an das LCD.
void lcd_command( uint8_t data );
 
 
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// LCD Befehle und Argumente.
// Zur Verwendung in lcd_command
 
// Clear Display -------------- 0b00000001
#define LCD_CLEAR_DISPLAY       0x01
 
// Cursor Home ---------------- 0b0000001x
#define LCD_CURSOR_HOME         0x02
 
// Set Entry Mode ------------- 0b000001xx
#define LCD_SET_ENTRY           0x04
 
#define LCD_ENTRY_DECREASE      0x00
#define LCD_ENTRY_INCREASE      0x02
#define LCD_ENTRY_NOSHIFT       0x00
#define LCD_ENTRY_SHIFT         0x01
 
// Set Display ---------------- 0b00001xxx
#define LCD_SET_DISPLAY         0x08
 
#define LCD_DISPLAY_OFF         0x00
#define LCD_DISPLAY_ON          0x04
#define LCD_CURSOR_OFF          0x00
#define LCD_CURSOR_ON           0x02
#define LCD_BLINKING_OFF        0x00
#define LCD_BLINKING_ON         0x01
 
// Set Shift ------------------ 0b0001xxxx
#define LCD_SET_SHIFT           0x10
 
#define LCD_CURSOR_MOVE         0x00
#define LCD_DISPLAY_SHIFT       0x08
#define LCD_SHIFT_LEFT          0x00
#define LCD_SHIFT_RIGHT         0x04
 
// Set Function --------------- 0b001xxxxx
#define LCD_SET_FUNCTION        0x20
 
#define LCD_FUNCTION_4BIT       0x00
#define LCD_FUNCTION_8BIT       0x10
#define LCD_FUNCTION_1LINE      0x00
#define LCD_FUNCTION_2LINE      0x08
#define LCD_FUNCTION_5X7        0x00
#define LCD_FUNCTION_5X10       0x04
 
#define LCD_SOFT_RESET          0x30
 
// Set CG RAM Address --------- 0b01xxxxxx  (Character Generator RAM)
#define LCD_SET_CGADR           0x40
 
#define LCD_GC_CHAR0            0
#define LCD_GC_CHAR1            1
#define LCD_GC_CHAR2            2
#define LCD_GC_CHAR3            3
#define LCD_GC_CHAR4            4
#define LCD_GC_CHAR5            5
#define LCD_GC_CHAR6            6
#define LCD_GC_CHAR7            7
 
// Set DD RAM Address --------- 0b1xxxxxxx  (Display Data RAM)
#define LCD_SET_DDADR           0x80
 
#endif

Datei lcd-routines.c:

// Ansteuerung eines HD44780 kompatiblen LCD im 4-Bit-Interfacemodus
// http://www.mikrocontroller.net/articles/HD44780
// http://www.mikrocontroller.net/articles/AVR-GCC-Tutorial/LCD-Ansteuerung
//
// Die Pinbelegung ist über defines in lcd-routines.h einstellbar
 
#include <avr/io.h>
#include "lcd-routines.h"
#include <util/delay.h>
 
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Erzeugt einen Enable-Puls
static void lcd_enable( void )
{
    LCD_PORT |= (1<<LCD_EN);     // Enable auf 1 setzen
    _delay_us( LCD_ENABLE_US );  // kurze Pause
    LCD_PORT &= ~(1<<LCD_EN);    // Enable auf 0 setzen
}
 
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Sendet eine 4-bit Ausgabeoperation an das LCD
static void lcd_out( uint8_t data )
{
    data &= 0xF0;                       // obere 4 Bit maskieren
 
    LCD_PORT &= ~(0xF0>>(4-LCD_DB));    // Maske löschen
    LCD_PORT |= (data>>(4-LCD_DB));     // Bits setzen
    lcd_enable();
}
 
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Initialisierung: muss ganz am Anfang des Programms aufgerufen werden.
void lcd_init( void )
{
    // verwendete Pins auf Ausgang schalten
    uint8_t pins = (0x0F << LCD_DB) |           // 4 Datenleitungen
                   (1<<LCD_RS) |                // R/S Leitung
                   (1<<LCD_EN);                 // Enable Leitung
    LCD_DDR |= pins;
 
    // initial alle Ausgänge auf Null
    LCD_PORT &= ~pins;
 
    // warten auf die Bereitschaft des LCD
    _delay_ms( LCD_BOOTUP_MS );
    
    // Soft-Reset muss 3mal hintereinander gesendet werden zur Initialisierung
    lcd_out( LCD_SOFT_RESET );
    _delay_ms( LCD_SOFT_RESET_MS1 );
 
    lcd_enable();
    _delay_ms( LCD_SOFT_RESET_MS2 );
 
    lcd_enable();
    _delay_ms( LCD_SOFT_RESET_MS3 );
 
    // 4-bit Modus aktivieren 
    lcd_out( LCD_SET_FUNCTION |
             LCD_FUNCTION_4BIT );
    _delay_ms( LCD_SET_4BITMODE_MS );
 
    // 4-bit Modus / 2 Zeilen / 5x7
    lcd_command( LCD_SET_FUNCTION |
                 LCD_FUNCTION_4BIT |
                 LCD_FUNCTION_2LINE |
                 LCD_FUNCTION_5X7 );
 
    // Display ein / Cursor aus / Blinken aus
    lcd_command( LCD_SET_DISPLAY |
                 LCD_DISPLAY_ON |
                 LCD_CURSOR_OFF |
                 LCD_BLINKING_OFF); 
 
    // Cursor inkrement / kein Scrollen
    lcd_command( LCD_SET_ENTRY |
                 LCD_ENTRY_INCREASE |
                 LCD_ENTRY_NOSHIFT );
 
    lcd_clear();
}
  
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Sendet ein Datenbyte an das LCD
void lcd_data( uint8_t data )
{
    LCD_PORT |= (1<<LCD_RS);    // RS auf 1 setzen
 
    lcd_out( data );            // zuerst die oberen, 
    lcd_out( data<<4 );         // dann die unteren 4 Bit senden
 
    _delay_us( LCD_WRITEDATA_US );
}
 
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Sendet einen Befehl an das LCD
void lcd_command( uint8_t data )
{
    LCD_PORT &= ~(1<<LCD_RS);    // RS auf 0 setzen
 
    lcd_out( data );             // zuerst die oberen, 
    lcd_out( data<<4 );           // dann die unteren 4 Bit senden
 
    _delay_us( LCD_COMMAND_US );
}
 
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Sendet den Befehl zur Löschung des Displays
void lcd_clear( void )
{
    lcd_command( LCD_CLEAR_DISPLAY );
    _delay_ms( LCD_CLEAR_DISPLAY_MS );
}
 
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Sendet den Befehl: Cursor Home
void lcd_home( void )
{
    lcd_command( LCD_CURSOR_HOME );
    _delay_ms( LCD_CURSOR_HOME_MS );
}
 
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Setzt den Cursor in Spalte x (0..15) Zeile y (1..4) 
 
void lcd_setcursor( uint8_t x, uint8_t y )
{
    uint8_t data;
 
    switch (y)
    {
        case 1:    // 1. Zeile
            data = LCD_SET_DDADR + LCD_DDADR_LINE1 + x;
            break;
 
        case 2:    // 2. Zeile
            data = LCD_SET_DDADR + LCD_DDADR_LINE2 + x;
            break;
 
        case 3:    // 3. Zeile
            data = LCD_SET_DDADR + LCD_DDADR_LINE3 + x;
            break;
 
        case 4:    // 4. Zeile
            data = LCD_SET_DDADR + LCD_DDADR_LINE4 + x;
            break;
 
        default:
            return;                                   // für den Fall einer falschen Zeile
    }
 
    lcd_command( data );
}
 
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Schreibt einen String auf das LCD
 
void lcd_string( const char *data )
{
    while( *data != '\0' )
        lcd_data( *data++ );
}
 
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Schreibt ein Zeichen in den Character Generator RAM
 
void lcd_generatechar( uint8_t startadresse, const uint8_t *data )
{
    // Startposition des Zeichens einstellen
    lcd_command( LCD_SET_CGADR | (startadresse<<3) ); //Startadressen: 0;1;2;3;4;5;6;7
 
    // Bitmuster übertragen
    for ( uint8_t i=0; i<8; i++ )
    {
        lcd_data( data[i] );
    }
    lcd_command(LCD_SET_DDADR); //DRAM auf 0 setzen
}

LCD Beispiel 1

Ein Hauptprogramm, welches die LCD Funktionen benutzt, sieht zb. so aus:

// 
// Anpassungen im makefile:
//    ATMega8 => MCU=atmega8 im makefile einstellen
//    lcd-routines.c in SRC = ... Zeile anhängen
// 
#include <avr/io.h>
#include "lcd-routines.h"

int main(void)
{
  // Initialisierung des LCD
  // Nach der Initialisierung müssen auf dem LCD vorhandene schwarze Balken
  // verschwunden sein
  lcd_init();

  // Text in einzelnen Zeichen ausgeben
  lcd_data( 'T' );
  lcd_data( 'e' );
  lcd_data( 's' );
  lcd_data( 't' );

  // Die Ausgabemarke in die 2te Zeile setzen
  lcd_setcursor( 0, 2 );

  // erneut Text ausgeben, aber diesmal komfortabler als String
  lcd_string("Hello World!");

  while(1)
  {
  }

  return 0;
}

LCD Beispiel 2

Ein Hauptprogramm, welches eine Variable ausgibt, sieht zb. so aus. Mittels der itoa() Funktion (itoa = Integer To Ascii ) wird von einem Zahlenwert eine textuelle Repräsentierung ermittelt (sprich: ein String erzeugt) und dieser String mit der bereits vorhandenen Funktion lcd_string ausgegeben. Das Einrichten des Projekts ist wie in Beispiel 1.

// 
// Anpassungen im makefile:
//    ATMega8 => MCU=atmega8 im makefile einstellen
//    lcd-routines.c in SRC = ... Zeile anhängen 
// 
#include <avr/io.h>
#include <stdlib.h>
#include "lcd-routines.h"

// Beispiel
int variable = 42;

int main(void)
{
  lcd_init();

  // Ausgabe des Zeichens dessen ASCII-Code gleich dem Variablenwert ist
  // (Im Beispiel entspricht der ASCII-Code 42 dem Zeichen *)
  // http://www.code-knacker.de/ascii.htm
  lcd_data( variable );

  lcd_setcursor( 0, 2 );
 
  // Ausgabe der Variable als Text in dezimaler Schreibweise
  {
     // ... umwandeln siehe FAQ Artikel bei http://www.mikrocontroller.net/articles/FAQ
     // WinAVR hat eine itoa()-Funktion, das erfordert obiges #include <stdlib.h>
     char Buffer[20]; // in diesem {} lokal
     itoa( variable, Buffer, 10 ); 

     // ... ausgeben  
     lcd_string( Buffer );
  }

  while(1)
  {
  }

  return 0;
}

Siehe auch

Weblinks