Wyświetlacze LCD – czym są, budowa, zastosowanie, wady i zalety
Wyświetlacze LCD – czym są, budowa, zastosowanie, wady i zalety
W tym artykule wyjaśniamy, czym są wyświetlacze LCD np. moduły 2×16 znaków i jak są zbudowane. Przybliżymy zasadę ich działania oraz typowe zastosowania, a także główne wady i zalety na tle nowocześniejszych technologii TFT i OLED. Tego typu niewielkie ekrany tekstowe cieszą się dużą popularnością w elektronice hobbystycznej i embedded ze względu na prostotę użycia i niską cenę.
Co to są wyświetlacze LCD i jak są zbudowane?
Wyświetlacz LCD to rodzaj ekranu ciekłokrystalicznego, którego zasada działania opiera się na zmianie polaryzacji światła przez warstwę ciekłego kryształu pod wpływem przyłożonego pola elektrycznego. Mówiąc prościej wewnątrz wyświetlacza znajdują się komórki z ciekłym kryształem oraz elektrody. Gdy na dane segmenty piksele przyłożymy napięcie, ciekłe kryształy zmieniają ułożenie i blokują lub przepuszczają światło między dwoma foliami polaryzacyjnymi. W efekcie odpowiednie punkty na ekranie stają się ciemne lub jasne, tworząc pożądany obraz. Ponieważ same ciekłe kryształy nie emitują światła jest to technologia pasywna, wyświetlacze LCD wymagają podświetlenia najczęściej w postaci diod LED umieszczonych za ekranem albo odbicia światła zewnętrznego. Charakterystyczne dla modułów alfanumerycznych jest jednokolorowy ekran: najczęściej spotykane są warianty o zielonkawo-żółtym tle z czarnymi znakami lub niebieskim tle z jasnymi znakami.
Wyświetlacze znakowe alfanumeryczne – takie jak popularne modele 2×16 czy 4×20, zbudowane są z matryc punktów ułożonych w stałych polach znakowych. Przykładowo wyświetlacz 2×16 posiada dwa wiersze po 16 znaków, z których każdy jest zbudowany z matrycy 5×8 punktów pikseli umożliwiających wyświetlenie pojedynczej litery lub cyfry. Taka stała siatka stanowi zasadnicze ograniczenie wyświetlaczy tekstowych. Można na nich pokazywać jedynie znaki i bardzo proste symbole, w przeciwieństwie do wyświetlaczy graficznych, gdzie piksele są adresowane indywidualnie w całym obszarze np. 128×64 dając pełną swobodę rysowania dowolnych kształtów. Z drugiej strony konstrukcja oparta o stałe znaki upraszcza sterowanie, nie musimy kontrolować każdego piksela z osobna. Moduły znakowe LCD posiadają wbudowany kontroler specjalizowany układ sterujący, który zajmuje się obsługą wyświetlacza. Najpopularniejszym takim kontrolerem jest układ HD44780. Integruje on w jednym chipie całą elektronikę potrzebną do zarządzania matrycą punktów: wbudowaną pamięć znaków, generator sygnałów sterujących dla segmentów LCD oraz interfejs komunikacyjny dla mikrokontrolera. Dzięki temu do podłączenia wyświetlacza wystarczy wysyłać do sterownika odpowiednie polecenia i kod znaku, zamiast bezpośrednio sterować setkami elektrod.
Typowy moduł LCD znakowego składa się z cienkiej szklanej płytki LCD z wtopionymi elektrodami tworzącymi piksele oraz płytki drukowanej z zamontowanym sterownikiem i komponentami pomocniczymi. Na krawędzi znajduje się rząd pinów do połączenia z układem sterującym najczęściej 14 pinów do sterowania samym wyświetlaczem + 2 piny zasilania podświetlenia, razem 16. Standardowy interfejs sterujący to równoległa magistrala danych tryb 8-bit lub oszczędzający piny tryb 4-bit uzupełniona sygnałami sterującymi m.in. wybór rejestru poleceń/danych i zegar impulsu „Enable”. Oznacza to, że do pełnej obsługi takiego modułu potrzeba wielu linii nieraz około 10–12 przewodów łączących go z mikrokontrolerem. Na szczęście, dzięki wbudowanemu kontrolerowi, komunikacja ta jest dość prosta i dobrze udokumentowana. Większość platform posiada gotowe biblioteki programowe obsługujące wyświetlacze zgodne z HD44780, co czyni korzystanie z nich bardzo łatwym nawet dla początkujących. Warto dodać, że istnieje także możliwość definiowania własnych symboli – kontroler udostępnia zwykle kilka komórek pamięci RAM na indywidualne znaki użytkownika, co pozwala stworzyć np. niestandardowe ikony, proste wykresy słupkowe lub znaki diakrytyczne brakujące w podstawowym zestawie znaków.
Jak działają wyświetlacze LCD ?
Działanie ciekłokrystalicznego wyświetlacza tekstowego można wytłumaczyć w dwóch aspektach: optoelektronicznym oraz logicznym. Od strony fizycznej, segmenty ekranu zmieniają swój stan pod wpływem napięcia sterującego. Uporządkowanie molekuł ciekłego kryształu zmienia polaryzację światła przechodzącego przez daną komórkę, co powoduje, że na tle podświetlenia pojawia się ciemny punkt tworzący element znaku. Cała matryca jest odświeżana i sterowana sygnałami generowanymi przez kontroler tak, aby utrzymać stabilny obraz. Ważne jest utrzymanie zmiennego sygnału przemiennego pola elektrycznego. Stałe napięcie przyłożone do ciekłego kryształu mogłoby go uszkodzić, dlatego sterownik HD44780 generuje przebiegi zmieniające polaryzację segmentów z odpowiednią częstotliwością.
Od strony logicznej, wyświetlacz znakowy pracuje jak prosty terminal tekstowy. Mikrokontroler np. Arduino wysyła do sterownika HD44780 bajty danych, które odpowiadają kodom znaków zapisanym w wewnętrznej pamięci kontrolera. Każdy odebrany kod zostaje zapisany w tzw. pamięci ekranu i automatycznie wyświetlony we właściwej pozycji na ekranie jako odpowiadający mu znak z wbudowanej tablicy fontów. Programista może także wysyłać specjalne komendy sterujące np. przesunięcie kursora, czyszczenie ekranu, włączenie/wyłączenie podświetlenia jeśli sprzęt to obsługuje czy definiowanie wspomnianych własnych symboli w pamięci. Sam sterownik odciąża mikrokontroler od zadań generowania sygnałów dla elektrod LCD. Po inicjalizacji i przesłaniu danych wyświetlacz sam utrzymuje obraz, a mikrokontroler nie musi się martwić o odświeżanie pikseli.
W praktyce oznacza to, że korzystanie z wyświetlacza alfanumerycznego sprowadza się do podłączenia zasilania typowo +5 V oraz wysyłania kilku sygnałów logicznych. Aby obraz był wyraźny, zazwyczaj konieczne jest dobranie napięcia kontrastu. Moduły mają dedykowany pin (V0), do którego podłącza się potencjometr regulacyjny. Ustawienie właściwego napięcia rzędu 0–5 V na tym pinie decyduje o tym, jak mocno widoczne są znaki na tle przy złym ustawieniu znaki mogą zanikać albo tło może świecić wraz z znakami. Jest to jednorazowa kalibracja wykonywana zwykle w hardware projektu. Po poprawnym ustawieniu kontrastu i inicjalizacji, wyświetlacz działa stabilnie, prezentując wprowadzony tekst.
Zastosowania wyświetlaczy LCD
Wyświetlacze LCD znakowe znajdują szerokie zastosowanie w różnych urządzeniach i projektach, wszędzie tam, gdzie potrzebny jest prosty i czytelny interfejs tekstowy. Oto kilka typowych przykładów użycia takich modułów:
- Projekty DIY i edukacyjne z mikrokontrolerami: Wiele hobbystycznych projektów z Arduino, Raspberry Pi Pico, ESP32 itp. wykorzystuje małe wyświetlacze 2×16 do prezentacji danych z czujników, komunikatów systemowych czy menu ustawień. Przykładowo na wyświetlaczu LCD można pokazać odczyt temperatury w stacji pogodowej, wynik pomiaru napięcia w multimetrze DIY, aktualny czas w zegarze/budziku własnej konstrukcji, czy komunikaty w prostym robocie. Ich popularność wśród majsterkowiczów wynika m.in. z łatwego podłączenia do mikrokontrolera wspomniany sterownik HD44780 oraz licznych bibliotek i tutoriali ułatwiających rozpoczęcie pracy z takim wyświetlaczem.
- Sprzęt AGD i elektronika użytkowa: Wyświetlacze alfanumeryczne świetnie sprawdzają się w urządzeniach codziennego użytku, gdzie potrzeba wyświetlić kilka słów lub liczb. Na przykład w panelach sterowania pralek, kuchenek mikrofalowych, klimatyzatorów czy innych sprzętów domowych. Często pokazują tryb pracy, temperaturę, timer lub inne nastawy. Ich zaletą w takich zastosowaniach jest dobra czytelność prostego komunikatu i niski koszt. Spotkamy je także w starszym sprzęcie RTV/Audio np. wieże hi-fi oraz w pojazdach proste wyświetlacze tekstowe w starszych samochodach do wskazań radia lub komputera pokładowego.
- Automaty sprzedające i systemy automatyki przemysłowej: W wielu urządzeniach przemysłowych oraz automatach vendingowych małe wyświetlacze LCD nadal pełnią rolę interfejsu informacyjnego. Mogą to być np. wyświetlacze w automatach biletowych, bankomatach, wagach elektronicznych, urządzeniach pomiarowych, panelach sterujących maszyn czy systemach alarmowych. Ich niezawodność i prostota sprawiają, że są wybierane do zastosowań, gdzie potrzeba jedynie przekazać operatorowi krótkie komunikaty lub wartości np. nastawy, wyniki pomiarów.
- Kontrolery urządzeń hobbystycznych np. drukarki 3D: Wiele drukarek 3D typu DIY np. zestawy oparte o RAMPS używa kontrolera z wyświetlaczem 4×20 znaków i kilkoma przyciskami do nawigacji po menu. Taki panel umożliwia obsługę drukarki bez potrzeby podłączenia komputera na ekranie LCD wyświetlane są informacje o postępie wydruku, temperaturze głowicy, itp. Podobnie, w projektach typu robotyka lub inteligentny dom, wyświetlacz znakowy bywa wykorzystywany jako prosty terminal do komunikacji z użytkownikiem.
Wady i zalety wyświetlaczy LCD znakowych
✅ Zalety:
- Niska cena i powszechna dostępność: Proste moduły 2×16 można kupić już za kilka-kilkanaście złotych, co czyni je jednymi z najtańszych rozwiązań do wyświetlania informacji. Ponadto są szeroko dostępne od lat 80. stały się standardem, więc dziś można je znaleźć w ofercie praktycznie każdego sklepu elektronicznego. Popularność przekłada się też na bogatą bazę wiedzy: istnieje wiele gotowych bibliotek, przykładów kodu i poradników upraszczających ich zastosowanie w projektach, co oszczędza czas początkującym.
- Prosta integracja z mikrokontrolerem: Dzięki wspomnianemu wbudowanemu kontrolerowi HD44780, sterowanie wyświetlaczem znakowym nie wymaga od projektanta pisania skomplikowanych sterowników ani posiadania mocnego mikrokontrolera. Wystarczy kilka linii I/O oraz znajomość podstawowych komend. Interfejs równoległy 4 lub 8-bitowy jest na tyle nieskomplikowany, że nawet mniej doświadczone osoby szybko opanują wysyłanie tekstu na ekran. Szczególnie przy wsparciu popularnych bibliotek np. LiquidCrystal dla Arduino. Alternatywnie, dostępne są wersje tych modułów wyposażone w konwerter I²C, co jeszcze bardziej redukuje liczbę potrzebnych połączeń tylko dwie linie sygnałowe zamiast kilkunastu. Ta elastyczność sprawia, że wyświetlacze tekstowe łatwo dostosować do różnych platform sprzętowych i ograniczeń projektu.
- Dobra czytelność statycznego tekstu: Monochromatyczne wyświetlacze LCD cechują się wysoką ostrością wyświetlanego tekstu w typowych warunkach oświetleniowych. Czarne lub jasne znaki na jednolitym tle są wyraźne i pozbawione aliasingu, a brak skomplikowanej grafiki sprzyja czytelności. Wiele modeli ma też tryb transfleksyjny, dzięki czemu przy silnym oświetleniu zewnętrznym zawartość ekranu pozostaje widoczna nawet bez podświetlenia, czego nie zapewniają np. wyświetlacze OLED które emitują własne światło i mogą być mniej widoczne w słońcu.
❌ Wady:
- Ograniczone możliwości wyświetlania: Jak sama nazwa wskazuje, wyświetlacze tekstowe służą głównie do wyświetlania znaków. Nie umożliwiają swobodnego sterowania każdym pikselem ekran jest podzielony na z góry określone pola znaków. Brak możliwości wyświetlania grafiki, ikon poza kilkoma definowalnymi symbolami czy wielu fontów to poważne ograniczenie w porównaniu do wyświetlaczy graficznych. Również liczba znaków na ekranie jest stała np. maksymalnie 2×16, co wymaga od programisty zwięzłego prezentowania informacji lub przewijania tekstu, gdy jest go więcej.
- Brak koloru i niższa jakość obrazu: Klasyczne moduły LCD pokazują obraz w dwóch kolorach jeden kolor tła + jeden kolor znaków, bez płynnych odcieni szarości. Nie mogą się równać z nowoczesnymi wyświetlaczami pod względem atrakcyjności wizualnej, nie wyświetlimy na nich ani kolorowych grafik, ani płynnych animacji. Kontrast i kąty widzenia takich wyświetlaczy również są ograniczone patrzenie pod dużym kątem często powoduje zanikanie lub invertowanie obrazu. Współczesne technologie jak OLED oferują znacznie lepszy kontrast, szerszą gamę barw i kąty bliskie 180°, podczas gdy proste LCD segmentowe prezentują bardziej „płaski” obraz. Dla wielu zastosowań np. nowoczesne interfejsy użytkownika może to być czynnik dyskwalifikujący wyświetlacz znakowy ze względów estetycznych.
- Wielość połączeń i dodatkowe komponenty: Minusem tradycyjnych modułów LCD jest dość duża liczba wymaganych połączeń elektrycznych. Przy bezpośrednim sterowaniu w trybie 4-bit potrzeba co najmniej 6 linii I/O 4 dane + 2 sterujące plus zasilanie, masa, podświetlenie i potencjometr kontrastu co razem daje około 10 przewodów do podłączenia. W trybie 8-bit jest to jeszcze więcej. Powoduje to pewien „bałagan” w układzie. Wiele przewodów zwiększa ryzyko błędnego połączenia oraz zużywa sporą liczbę pinów mikrokontrolera. Konieczność ręcznej regulacji kontrastu potencjometrem i ewentualnego dodania tranzystora do sterowania podświetleniem to kolejne drobne niedogodności. Co prawda rozwiązaniem jest użycie wspomnianych konwerterów I2C zmniejszają liczbę linii sterujących do 2 lub skorzystanie z gotowych shieldów Arduino, ale to dodatkowe elementy, które trzeba nabyć i zamontować.
- Wolne odświeżanie i brak dynamicznych efektów: Wyświetlacze alfanumeryczne nie są przeznaczone do wyświetlania szybko zmieniających się treści. Częstotliwość odświeżania ciekłego kryształu jest ograniczona. Szybkie zmiany mogą powodować smużenie. Ponadto interfejs HD44780 ma ograniczoną przepustowość np. maks. ok. 0,2 MPs/s przy 2 MHz w trybie 8-bit, co oznacza, że wypisanie dużej ilości tekstu klatka po klatce jest wolniejsze niż w nowoczesnych wyświetlaczach graficznych. W praktyce efektowne animacje czy płynne przewijanie na LCD 2×16 są utrudnione. Zwykle używa się prostych efektów jak migający tekst czy zmiana całych linii. W porównaniu z TFT/OLED, gdzie możliwe są płynne animacje i odtwarzanie wideo, tradycyjny LCD wypada pod tym względem bardzo słabo. Mimo że w wielu zastosowaniach nie jest to wymagane, warto być świadomym tej ograniczonej dynamiki.
Podsumowanie
Wyświetlacze LCD to sprawdzone i niezwykle uniwersalne rozwiązania do prostego wyświetlania tekstu w projektach elektronicznych. Łączą w sobie niską cenę oraz łatwość obsługi, co czyni je idealnymi zarówno do nauki, jak i do zastosowań komercyjnych. Choć ustępują nowocześniejszym technologiom pod względem estetyki czy możliwości graficznych, to wciąż pozostają niezawodnym wyborem tam, gdzie liczy się funkcjonalność i prostota. Jeśli tworzysz projekt, w którym wystarczy przekazać kilka informacji tekstowych wyświetlacz LCD będzie świetnym i ekonomicznym wyborem.
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 😎👇
