Wyświetlacz alfanumeryczny LCD z konwerterem I2C zalety i wady
Wyświetlacz alfanumeryczny LCD z konwerterem I2C zalety i wady
W typowych modułach LCD opartych na kontrolerze HD44780 do sterowania wymagane jest podłączenie wielu sygnałów równoległych w trybie 4-bit potrzeba co najmniej 6 linii I/O 4 linie danych + 2 sterujące plus zasilanie, masa, potencjometr kontrastu i podświetlenie, co razem daje około 10 przewodów. Istnieje jednak rozwiązanie upraszczające połączenia: specjalny konwerter magistrali I²C dla wyświetlacza LCD, który redukuje liczbę wymaganych sygnałów sterujących do zaledwie dwóch linii SDA i SCL plus zasilanie i masa. Taki moduł pozwala sterować wyświetlaczem znakowym poprzez interfejs szeregowy I2C, znacznie oszczędzając piny mikrokontrolera. Oczywiście, jak to często bywa, zyskując prostszą magistralę „płacimy” innymi kompromisami oszczędność pinów nie przychodzi zupełnie za darmo. Poniżej wyjaśniamy, jak działa popularny konwerter I2C oparty o układ PCF8574 oraz omawiamy jego główne zalety i wady z punktu widzenia zastosowań praktycznych.
Jak to działa?
Moduł konwertera I2C dla wyświetlaczy HD44780 to niewielka płytka montowana bezpośrednio na złączu 16-pin wyświetlacza, co zapewnia szybki i wygodny montaż. Zawiera on układ scalony ekspandera portów najczęściej PCF8574 oraz kilka elementów pomocniczych: m.in. rezystory podciągające linie I²C typowo 4,7 kΩ, wbudowany potencjometr do regulacji kontrastu ekranu i tranzystor do sterowania podświetleniem LED. Ekspander PCF8574 komunikuje się z mikrokontrolerem przez magistralę I²C i udostępnia 8 linii GPIO, które zostały wykorzystane do obsługi wyświetlacza LCD w trybie 4-bit. Oznacza to, że wysyłając bajty przez I²C, ekspander odpowiednio ustawia linie danych D4–D7 oraz sygnały sterujące RS, E, ewentualnie RW i linię podświetlenia tak, aby zasymulować klasyczną komunikację z kontrolerem HD44780. Sam układ PCF8574 jest kompatybilny z napięciem zasilania 5 V i dobrze wspierany moduł działa m.in. z popularnymi bibliotekami Arduino, co ułatwia jego wykorzystanie w praktyce. Dodatkowo płytka konwertera posiada zworki adresowe A0, A1, A2, które pozwalają zmienić adres I²C ekspandera dzięki temu na jednej magistrali można podłączyć nawet do 8 wyświetlaczy z takimi modułami jednocześnie każdemu nadając unikalny adres.
Poniżej zestawiamy kluczowe zalety oraz wady zastosowania konwertera I2C z klasycznym wyświetlaczem tekstowym LCD.
✅ Zalety:
- Znaczna redukcja połączeń i oszczędność pinów mikrokontrolera: Zamiast prowadzić ~10 osobnych przewodów do wyświetlacza, przy użyciu konwertera potrzebujemy tylko dwóch linii sygnałowych (SDA, SCL) plus zasilanie. Upraszcza to okablowanie i zwalnia wiele pinów wejść/wyjść w mikrokontrolerze do innych zadań. Jest to szczególnie korzystne w projektach opartych na płytkach typu Arduino, gdzie liczba wolnych pinów bywa ograniczona, a także ogólnie poprawia czytelność i niezawodność połączeń mniej ryzyka pomyłek przy plątaninie przewodów.
- Prosty montaż i kompatybilność sprzętowa: Moduł I2C montuje się bezpośrednio na złączu wyświetlacza HD44780 najczęściej w postaci listwy goldpin 16×1 co ułatwia integrację hardware’ową nie wymaga dodatkowej płytki prototypowej do połączenia wyświetlacza. Taki konwerter jest też uniwersalny i pasuje do większości dostępnych wyświetlaczy alfanumerycznych 2×16, 4×20, bo wszystkie one posiadają ten sam interfejs 14/16-pin zgodny z HD44780. Można go więc łatwo użyć zamiennie w różnych projektach lub przenieść między nimi.
- Wsparcie programowe i łatwa obsługa: Ze względu na popularność tego rozwiązania dostępne są gotowe biblioteki i przykłady kodu dla wielu platform. Na przykład w ekosystemie Arduino szeroko stosowana jest biblioteka LiquidCrystal_I2C oraz jej odmiany, która ukrywa szczegóły komunikacji z ekspanderem i pozwala w prosty sposób wypisywać tekst na ekran. Dzięki temu korzystanie z LCD przez I²C jest równie proste, co tradycyjnie nie musimy sami pisać od podstaw obsługi PCF8574. Moduł jest w pełni kompatybilny z Arduino i innymi mikrokontrolerami także 3,3 V z pewnymi zastrzeżeniami opisanymi dalej, co czyni go wygodnym dodatkiem do projektów hobbystycznych i edukacyjnych.
- Dodatkowe funkcje: sterowanie podświetleniem i łatwa regulacja kontrastu Konwerter I2C nie tylko przesyła dane tekstowe do wyświetlacza, ale umożliwia także zdalne włączanie/wyłączanie podświetlenia LED ekranu z poziomu programu. Na module przewidziano tranzystor i zworkę do LED, dzięki czemu mikrokontroler może np. automatycznie wyłączyć podświetlenie po dłuższej bezczynności urządzenia oszczędność energii lub zapalać je według potrzeb. Co prawda, ze względu na ograniczenia ekspandera, podświetlenie można tu kontrolować jedynie binarnie ON/OFF płynna regulacja jasności przez PWM nie jest praktycznie możliwa. Mimo to sama możliwość sterowania lampką jest plusem. Dodatkowo na konwerterze znajduje się potencjometr do kontrastu, który ułatwia dostrojenie wyświetlacza nie musimy montować go osobno w układzie, wystarczy pokręcić śrubką na module, aby uzyskać wyraźny obraz znaków.
- Możliwość łatwego rozszerzenia liczby wyświetlaczy: Dzięki wspomnianym adresom konwertera, do jednej magistrali I²C można podłączyć równocześnie kilka modułów LCD z ekspanderami do 8 sztuk. Otwiera to drogę do tworzenia bardziej rozbudowanych interfejsów np. wielu wyświetlaczy w jednym urządzeniu bez obawy o brak pinów wciąż potrzebujemy tylko jednej pary SDA/SCL wspólnej dla wszystkich urządzeń na szynie. W praktyce wykorzystuje się to rzadko, ale warto odnotować, że taka elastyczność istnieje i konwertery mają na płytce wygodne zworki adresowe do konfiguracji.
❌ Wady:
- Niższa szybkość komunikacji i opóźnienia w odświeżaniu: Główną wadą zastosowania konwertera I2C jest znaczne spowolnienie transmisji danych do wyświetlacza w porównaniu z bezpośrednim sterowaniem równoległym. Standardowy układ PCF8574 obsługuje tylko tryb I²C 100 kHz Standard Mode, co w praktyce ogranicza przepustowość przesyłania znaków. Transmisja każdego półbajtu przez ekspander wymaga wysłania całego bajtu I2C, przez co pełne wypisanie tekstu na ekranie trwa wielokrotnie dłużej. Testy wykazały, że zapis identycznej treści do wyświetlacza przez ekspander I2C może zająć ok. 8 razy więcej czasu niż w tradycyjnym trybie 4-bit np. ~55 ms zamiast ~7 ms. Tak duże opóźnienie oznacza, iż przy szybkim odświeżaniu zawartości ekranu użytkownik może zauważyć migotanie lub wolne pojawianie się znaków. W rezultacie moduł I2C słabo się nadaje do dynamicznie zmieniających się danych, animacji tekstowych czy często aktualizowanych interfejsów. Trzeba pogodzić się z tym ograniczeniem magistrala I2C jest wygodna, ale nie należy do najszybszych.
- Ograniczona „płynność” wyświetlania informacji: Wspomniane wyżej opóźnienia przekładają się na praktyczne ograniczenie wyświetlacz podłączony przez ekspander nie powinien być wykorzystywany do prezentowania bardzo szybko zmieniających się wartości. Jeśli np. chcielibyśmy odświeżać zawartość ekranu wiele razy na sekundę jak przebieg czasu, odczyty szybkozmiennych pomiarów itp., to rozwiązanie I²C może okazać się niewystarczające. Już przy odświeżaniu pełnej 2-liniowej zawartości co ~0,05 s zauważalne jest delikatne mrugnięcie znaków. Tego rodzaju efekt uboczny należy uznać za istotną wadę wrażeniową może negatywnie wpływać na odbiór urządzenia przez użytkownika. Konwerter I2C najlepiej sprawdza się więc w zastosowaniach statycznych lub takich, gdzie ekran jest odświeżany rzadko. Ekspander ma sens głównie w urządzeniach, gdzie wyświetlane dane są mało dynamiczne i nie ma potrzeby ciągłego ich odświeżania np. proste wyświetlacze statusu, termometry pokazujące wynik co kilka sekund/minut. W przeciwnym razie korzyść z oszczędności pinów może zostać przyćmiona przez zbyt wolne działanie interfejsu.
- Wymóg dodatkowego komponentu i zwiększenie złożoności układu: Decydując się na to rozwiązanie, musimy pamiętać, że konwerter I2C to osobny moduł, który należy zakupić, zainstalować i skonfigurować. Jest on co prawda niewielki i niedrogi, ale mimo wszystko wprowadza kolejny element pośredniczący między mikrokontrolerem a wyświetlaczem. Może to nieznacznie zwiększyć złożoność projektu. Dochodzi konieczność poprawnego zlutowania płytki z wyświetlaczem oraz zadbania o właściwe ustawienie adresów szczególnie gdy w układzie jest więcej urządzeń I2C, by nie kolidowały adresami. To także dodatkowy punkt potencjalnej awarii. W tradycyjnym połączeniu równoległym tych elementów pośrednich nie ma. Innymi słowy, upraszczając sobie sprawę kabli, dodajemy jednocześnie nowy komponent, co stanowi pewien kompromis.
- Kwestie kompatybilności napięć 5 V vs 3,3 V: Większość alfanumerycznych LCD HD44780 wymaga zasilania 5 V, aby poprawnie działał układ kontroli kontrastu oraz podświetlenie. Konwerter I2C zazwyczaj również zasilamy 5-woltowo ekspander PCF8574 może co prawda pracować już od 2,5 V, lecz typowy wyświetlacz podłączony do niego potrzebuje pełnych 5 V dla właściwego kontrastu i jasności. Powoduje to wyzwanie, gdy nasz mikrokontroler pracuje na logice 3,3 V linie I2C (SDA, SCL) będą podciągane przez moduł do poziomu 5 V, co może wykraczać poza dopuszczalne napięcia wejściowe MCU. Niektóre mikrokontrolery np. wiele układów STM32) mają piny I/O tolerujące 5 V i wówczas problem nie wystąpi. Jeśli jednak używamy platformy bez takiej tolerancji np. ESP32, Raspberry Pi Pico, należy zastosować dodatkowy konwerter poziomów logicznych albo zasilać ekspander niższym napięciem. Pewnym rozwiązaniem bywa zasilenie całego modułu LCD + I2C napięciem 3,3 V – PCF8574 będzie działał, lecz niestety większość wyświetlaczy 5 V przy 3,3 V nie uzyska właściwego kontrastu znaki stają się niewidoczne. Dlatego bezpieczniej jest przyjąć, że konwerter z LCD wymaga 5 V, a w razie konieczności trzeba dopasować poziomy sygnałów I2C. To dodatkowy krok, o którym warto pamiętać projektując układ.
- Brak szybkiej modulacji podświetlenia: Jak wspomniano w zaletach, ekspander umożliwia sterowanie podświetleniem tylko dwustanowo można je włączyć lub wyłączyć programowo. Jeśli zależałoby nam na płynnej regulacji jasności np. ściemnianiu LED poprzez PWM, to niestety typowy konwerter I2C tego nie zapewnia. Wyprowadzenia PCF8574 zmieniają stan zbyt wolno dodatkowo ograniczone szybkością magistrali, aby efektywnie generować sygnał PWM o wysokiej częstotliwości w praktyce próby takiego ściemniania powodowałyby migotanie lub mogą w ogóle nie działać. Z tego względu podświetlenie jest obsługiwane tylko w trybie ON/OFF. Jeśli projekt wymaga płynnego ściemniania LCD, lepiej rozwiązać to poza ekspresem I2C np. oddzielnym sterownikiem LED lub tranzystorem sterowanym sygnałem PWM z mikrokontrolera.
Podsumowanie
Konwerter I2C dla wyświetlacza znakowego LCD HD44780 to bardzo przydatny moduł ułatwiający integrację. Szczególnie w prostych projektach, gdzie kluczowa jest oszczędność wyprowadzeń i szybki montaż. Jego największą zaletą jest sprowadzenie kilkunastu połączeń do 2 linii, co czyni układ schludniejszym i zwalnia piny mikrokontrolera do innych zadań. Dodatkowo oferuje on pewne udogodnienia jak łatwe sterowanie podświetleniem czy gotowy potencjometr kontrastu, a dzięki popularności jest dobrze wspierany przez społeczność. Należy jednak świadomie brać pod uwagę wady takiego rozwiązania. Cena za prostotę połączeń to niższa wydajność. Komunikacja I²C jest na tyle wolna, że przy częstych aktualizacjach ekranu może to być zauważalne i uciążliwe. Dlatego ekspander I2C z LCD najlepiej sprawdzi się tam, gdzie treści wyświetlane są raczej statyczne lub odświeżane sporadycznie, a priorytetem jest minimalizacja okablowania. W zastosowaniach wymagających szybkiego, płynnego wyświetlania danych lub animacji lepszym wyborem może okazać się tradycyjne podłączenie. Mówiąc krótko konwerter I2C z LCD to doskonała para, gdy liczy się prostota, lecz w wyścigu szybkości nie zdobędzie złotego medalu. Ważne, by dobrać rozwiązanie odpowiednio do potrzeb projektu, świadomie korzystając z zalet ekspandera i zarazem pamiętając o jego ograniczeniach.
Produkty powiązane z Artykułem
Prezentowaną w artykule elektronikę znajdziesz oczywiście w naszym sklepie 👉 sklep.msalamon.pl 👈Zapraszamy również na nasze social media, gdzie na bieżąco informujemy o nowych produktach oraz o najciekawszych promocjach 😎👇
