I2C なしで 16×2 LCD モジュールをインターフェースする: Arduino と ESP32 の総合ガイド

この記事では、16×2 LCD モジュールを Arduino や ESP32 などのマイクロコントローラに接続する方法について詳しく説明します。特に、I2C モジュールを使用しないセットアップに焦点を当てています。この方法を選択する理由、その仕組み、LCD の接続とプログラミングに関する詳細なチュートリアルを紹介します。LCD インターフェースの基礎と、I2C アダプターの利便性に頼らずに 16×2 LCD ディスプレイを駆動する方法を理解したい場合は、このガイドが役に立ちます。

1. 16×2 LCD とは何ですか? また、なぜそれをインターフェイスするのですか?

16×2 LCD ディスプレイは、16 文字×2 行の液晶ディスプレイの略で、一般的な多用途ディスプレイモジュールです。テキストや数値情報を明瞭かつ簡潔に表示するために使用されます。複雑なグラフィックディスプレイとは異なり、16×2 LCD は比較的簡単に操作できるため、さまざまなマイクロコントローラプロジェクトに最適です。「16×2」は、2 行のそれぞれに 16 文字を表示できることを意味し、センサーの読み取り値、プロジェクトステータス、またはユーザーメッセージの表示に適しています。これらの LCD ディスプレイモジュールを Arduino や ESP32 などのマイクロコントローラとインターフェイスすると、人間が読める形式で情報を表示して、プロジェクトでユーザーと対話できます。これらは比較的安価で使いやすいです。

の魅力は 16×2 液晶モジュールの利点は、そのシンプルさと低コストです。より複雑な表示技術のオーバーヘッドなしでテキストと数字を表示できるため、さまざまな趣味やプロのプロジェクトの電子機器の定番となっています。このモジュールをインターフェイスすることで、組み込みシステムの開発者は、複雑なグラフィック表示を使用せずに視覚的なフィードバックを提供できるデバイスを作成できます。統合が容易なため、16×2 LCD はさまざまなセンサーからの情報を表示するための非常に便利な表示ツールになります。

2. I2C なしで 16×2 LCD をインターフェイスすることを選択する理由

I2C モジュールは、インターフェイスに必要なピンの数を減らすという利便性を提供しますが、16×2 LCD を I2C なしで直接接続することを選択すると、いくつかの利点があります。まず、基盤となる通信プロトコルと LCD モジュールの機能についてより深く理解できるため、優れた教育体験になります。次に、I2C インターフェイスに依存しないことで、I2C バスの複雑さと潜在的なアドレス競合を回避できます。これは、プロジェクトに制限がある場合や、I2C デバイス接続の複雑さを軽減したい場合に重要です。1 つのアドレスに制限されることはありません。

さらに、直接インターフェイスは、マイクロコントローラのすべてのピンが貴重なプロジェクトにも役立ちます。通常、i2c モジュールを使用すると、使用するピンの数が 2 つに減りますが、これらの 2 つのピンは i2c 通信専用であり、他の用途に必要になる場合があります。一方、i2c モジュールなしでインターフェイスすると、使用するピンを自由に選択できます。i2c モジュールなしでインターフェイスすると、接続を完全に制御できます。直接接続では、データを LCD ディスプレイに送信する前に i2c 通信を実行する必要があるため、データの表示も高速になります。これは常に重要というわけではありませんが、表示されるコンテンツの高速更新時間を必要とするアプリケーションを設計するときには考慮すべき事項です。

3. I2C モジュールなしで 16×2 LCD をインターフェースするにはどのようなハードウェアが必要ですか?

16×2 LCD モジュールを i2c なしで接続するには、いくつかの必須コンポーネントが必要です。コアアイテムは標準の 16×2 LCD で、通常は接続用のピンが 16 本付いています。また、Arduino Uno や ESP32 などのマイクロコントローラも必要です。さらに、LCD モジュールのさまざまなピンをマイクロコントローラに接続するためのジャンパーワイヤも必要です。さらに、LCD ディスプレイのコントラストを調整するにはポテンショメータが必要です。ブレッドボードは、すべてをきちんと接続して整理するのに非常に役立ちます。

16×2 LCD を i2c なしで接続する場合の主な課題は、i2c アダプターを使用する場合よりもマイクロコントローラーから多くのピンが必要になることです。具体的には、LCD ディスプレイを制御するために 6 本のピンを使用し、電源とグランドを制御するために 2 本のピンを使用します。したがって、十分な出力ピンを備えたマイクロコントローラー回路を計画する必要があります。これらのピンを使用すれば、LCD を完全に制御できます。ポテンショメーターを使用すると、LCD ディスプレイのテキストがはっきりと見えるようにコントラストを調整できます。

4. 16×2 LCD は内部でどのように動作しますか?

16×2 LCD は、HD44780 コントローラまたは互換チップに基づいています。このコントローラは、文字の表示を管理し、パラレルインターフェイスを介してコマンドを受け入れます。インターフェイスは通常、8 つのデータピン (D0 ～ D7) または 4 ビットモードの 4 つのデータピン (D4 ～ D7) と、制御ピン (RS、R/W、および EN) を使用します。LCD ディスプレイ上の各文字の位置は、コントローラによって内部的にアドレス指定されます。コマンドまたは文字データを送信すると、HD44780 コントローラはコマンドを受信し、それに応じて動作します。

HD44780 コントローラーは、ディスプレイのクリア、カーソル位置の設定、LCD の初期化などのタスクに特定のコマンドを使用します。このアーキテクチャを理解することは、i2c モジュールによって提供される抽象化なしで LCD を制御するコードを作成するときに重要です。コマンドはデータピンを介してディスプレイに送信され、通信モードは制御ピンによって決定されます。これにより、コントローラーは 20×4 などのさまざまなタイプのディスプレイサイズで動作することもできます。16×2 LCD ディスプレイは、画面に表示できる定義済みの文字セットを使用します。

5. 16×2 LCD を Arduino に直接接続するにはどうすればいいですか?

接続する 16×2 液晶 Arduino に直接接続するには、必要な各ピンを配線する必要があります。まず、LCD の VSS ピンをグランド (GND) に接続し、VDD ピンを 5V (電源) に接続する必要があります。V0 ピン (コントラスト調整) はポテンショメータの中央のピンに接続します。ポテンショメータの他の 2 つのピンはグランドと 5V に接続して、LCD ディスプレイのコントラストを変更するために使用する電圧分割器を作成します。次に、LCD の RS (レジスタ選択) ピンを Arduino のデジタルピン (例: ピン 12) に接続します。LCD にデータを書き込むだけなので、R/W (読み取り/書き込み) ピンはグランドに接続する必要があります。EN (有効) ピンは、Arduino の別のデジタルピン (例: ピン 11) に接続する必要があります。

次に、データピン D4 から D7 を Arduino のデジタルピン (それぞれピン 5、4、3、2) に接続します。この方法では、使用するピンが少ないため、一般的な方法である 4 ビットモードを使用します。4 ビットモードは、8 ビットモードに比べてシンプルで配線が少なくて済みます。バックライトピン A (アノード) と K (カソード) は、必要に応じてアノードに電流制限抵抗を付けて、それぞれ 5V と GND に接続する必要があります。このプロセスでは、必ず回路図を使用してください。一部の LCD モジュールでは、ピンの番号が異なる場合があります。ピンのレイアウトは、LCD モジュールのデータシートに記載されています。

6. 16×2 LCD を駆動するための Arduino プログラミング: 詳細なチュートリアル

Arduino を 16×2 LCD とインターフェイスするようにプログラムするには、LiquidCrystal ライブラリを使用する必要があります。まず、Arduino IDE を開き、プロジェクトコードに liquidcrystal ライブラリを含めます。コードで LCD オブジェクトを初期化し、接続に使用するピンを指定します。この例では、ピンは RS、EN、D4、D5、D6、D7 です。例: 液晶ディスプレイ（12、11、5、4、3、2）. setup()関数内で、次のように呼び出してLCDを初期化します。 lcd.begin(16, 2); LCD ディスプレイの列数と行数を設定します。また、LCD を初期化する関数を使用して LCD を初期化する必要があります。

ループ関数では、さまざまなコマンドを使用してLCDディスプレイにデータを表示できます。たとえば、カーソルの位置を設定するには、 lcd.setCursor(列、行); テキストを表示する lcd.print("こんにちは世界");ディスプレイをクリアするには、 lcd.クリア(); コマンド。短いプログラムを作成し、いくつかのコードを実行してボードをテストし、すべてを接続することができます。シリアルモニターを使用してプログラムをデバッグできます。液晶ライブラリは HD44780 の低レベル通信をすべて処理するため、個々のバイトシーケンスと制御信号の送信について心配する必要はありません。重要な関数は、データを表示するために使用される lcd.print() です。

#含む 

// LCDに接続されたピンを定義する
定数 整数 rs = 12, ja = 11、d4 = 5、d5 = 4、d6 = 3、d7 = 2;

// LCDオブジェクトを初期化する
液晶 lcd(rs, en, d4, d5, d6, d7);

空所 設定() {
  // 列数と行数を設定する
  液晶。始める(16, 2);
  // LCDにメッセージを印刷する
  液晶。印刷(「こんにちは、LCD！」);
}

空所 ループ() {
  // カーソルを2行目に設定する
  液晶。カーソルの設定(0, 1);
  // 時間を表示する
  液晶。印刷(ミリ()/1000); 液晶印刷(「秒」);
}

7. ESP32 はどうですか? ESP32 で I2C なしで 16×2 LCD をインターフェイスする

ESP32でi2cなしで16×2 LCDをインターフェースするのは、Arduinoで行うのと似ていますが、いくつかの小さな違いがあります。ESP32は3.3Vマイクロコントローラですが、 16×2 液晶通常、5V で動作するように設計されています。したがって、ESP32 と LCD のロジックピン間の電圧互換性を保つために、レベルシフターを使用する必要がある場合があります。または、レベルシフター付きの ESP32 ボードを使用すると、外部レベルシフター回路が不要になります。物理的な配線は、Arduino とほぼ同じです。VSS をグランドに接続し、VDD を 5V (3.3V LCD またはレベルシフターを使用している場合は 3.3V) に接続します。

Arduino IDEのコードは、Arduino用に提供されているものとほとんど同じで、ほとんど変更はありません。LiquidCrystalライブラリは、Arduinoチュートリアルと同じように使用してください。ピン接続を正しく定義することを忘れないでください。 液晶 オブジェクト。LCD モジュールのデータシートを常にチェックして、ピンが正しく接続されていることを確認してください。また、ESP32 ボードのピン配列をチェックして、正しい接続を確認してください。使用可能なさまざまなピンに注意し、アプリケーションに適したピンを選択してください。

8. I2C なしで 16×2 LCD 上にカスタム文字を作成するにはどうすればよいでしょうか?

16×2 LCD でカスタム文字を作成することは、i2c モジュールの助けを借りなくても可能です。HD44780 コントローラーでは、最大 8 つのカスタム文字を定義できます。カスタム文字は、バイトのパターンを定義することによって作成します。各バイトは、5×8 ピクセル文字マトリックスの行を表します。これを行うには、まず、カスタム文字のピクセルパターンを定義するバイト配列を作成します。各バイトは、文字の 1 行を表します。

次に、 lcd.createChar(場所、文字マップ) 関数をArduinoコードに追加します。location引数は、新しい文字を格納する8つの場所（0～7）を定義します。characterMapは、作成したバイト配列です。次に、カスタム文字を表示するには、 lcd.write(場所) コード内で 位置 は、以前に定義した場所です。これは、以前に作成した lcd オブジェクトを使用して行われます。これは、アプリケーションで lcd モジュールの標準文字セットでは使用できない固有の文字が必要な場合に非常に便利です。

9. I2C なしで 16×2 LCD を接続する際の一般的な問題のトラブルシューティング

16×2 LCD を i2c アダプターなしで接続するのは簡単ですが、いくつかの一般的な問題が発生する可能性があります。最初の問題は配線が間違っていることです。常に回路図を再確認し、すべての接続が正しいことを確認してください。よくあるエラーは LCD モジュールの電源ピンの極性を逆にすることです。これはモジュールに永久的な損傷を与える可能性があります。また、配線がしっかりと接続されていることを確認してください。次に、LCD オブジェクトの初期化が間違っていると問題が発生する可能性があります。ボードへの接続に応じてピンが正しく初期化されていることを確認してください。また、LCD モジュールの種類によっては、若干異なる初期化シーケンスが必要になる場合があります。

コントラスト設定も、ポテンショメータを使用して LCD ディスプレイのコントラストを調整し、テキストがはっきりと見えるようにする必要があります。ディスプレイが空白または文字化けしている場合は、配線エラーまたは電源に問題がある可能性があります。安定した電源と正しい電圧があることを確認してください。シリアルモニターを使用してコードをチェックし、考えられる問題をデバッグすることもできます。それでも問題が解決しない場合は、Arduino フォーラムを参照することを検討してください。他の人も同じ問題に直面していることがよくあります。Reddit は匿名なので、名前や提案を確実に得ることができます。

10. 16×2 LCD の高度な技術と将来のプロジェクト

I2C なしで 16×2 LCD をインターフェイスする基本を習得したら、より高度なテクニックを試すことができます。これには、センサーからのリアルタイムデータの表示やメニューシステムの作成が含まれます。カスタム文字を使用して、プロジェクト用のシンプルなグラフィックやステータスアイコンを作成することもできます。LCD モジュールの特定の接続要件を確認するには、必ず LCD モジュールのデータシートを使用してください。ここで使用している方法は、使用できるマイクロコントローラピンに関して柔軟性を提供します。

より多くの情報を表示する必要がある場合は、このようなLCDディスプレイを複数使用できますが、使用するピンの数に注意してください。また、 lcd.print() コマンドをいろいろ試して、使い方を変えてみましょう カーソルの位置を設定する 機能を使用すると、ディスプレイのさまざまな部分にさまざまなアイテムを配置できます。これにより、将来のプロジェクトに多くのオプションが開かれます。I2C を使用せずに LCD を制御することで得られる知識は、より高度なディスプレイタイプを制御するための優れた出発点となります。