使用Python控制1602液晶屏实时显示时间（附PyCharm远程调试）

前言

原创文章，转载引用务必注明链接。水平有限，如有疏漏，欢迎指正。

本文介绍一下UP板的GPIO资源使用，以及一个使用Python演示一个简单的demo。

本文使用Markdown写成，为获得更好的阅读体验和正常的图片、链接，请访问我的博客：

http://www.cnblogs.com/sjqlwy/p/up_1602.html

本文环境：ublinux 3.0；Win7_x64

通过阅读本文你可以学到：

UP Board GPIO 接口的介绍以及使用
PyCharm 远程调试 UP上的Python代码
Lemaker LN IO 拓展板的使用
使用RPi.GPIO这个Python库控制1602液晶屏

UP板载GPIO接口介绍

UP板的GPIO接口兼容树莓派40 Pin。实现起来比较复杂，部分从Intel Atom Z8350引出（需要电平转换），部分由板载CPLD实现。

操作GPIO

官方提供了三种方式：用户空间sysfs (shell)、RPi.GPIO库（Python）和libMRAA（多种编程语言）。

Lemaker LN IO拓展板介绍

之前在云汉社区试用Lemaker Guitar开发板时一并入手的。兼容树莓派引脚。个人非常喜欢乐美客公司的产品，包括BananaPi、BananaPi Pro、Lemaker Guitar、96boards Hikey (Lemaker Version)，以及包括LN IO在内的三款拓展板，做工优良，可以在官方微店买到。LN IO 介绍页面，电路原理图。

【下面是Lemaker Guitar开发板，上面就是LN IO 拓展板】我们下面将会利用板载的4个按键、LED灯以及1602接口。

Python控制LN IO 扩展板按键和LED

最近在学习Python，恰巧ubilinux移植了RPi.GPIO库，让我们可以非常方便地操作GPIO资源。吐槽一下，由于被动散热片的存在，使用转接线等会卡到无法完全贴合。

Blink！——控制发光二极管闪烁

我们以点亮LN IO上的led2为例：

【LED电路原理图】LCD和LED是切换显示的。可以看到LED2连接到GPIO0，那么GPIO0是对应树莓派是哪个引脚呢？

【底板对应引脚】GPIO0对应物理引脚11。

【UP Board 引脚定义图】为了方便起见，我们统一使用BOARD物理引脚编号而非BCM引脚编号。

关于树莓派GPIO的操作可以参考芒果爱吃胡萝卜这个博客，写的非常不错，由浅入深。本文部分以他的博文为基础进行演示。
ubilinux移植的RPi.GPIO库仅兼容Python 2.x版本
为方便转换，我们以BOARD编码GPIO引脚顺序（物理顺序）
LN IO Board的LED和LCD可以切换显示，连接帽导通不同引脚即可。

下面创建一个文件lcd.py，内容如下，然后运行看看：sudo python lcd.py

#!/usr/bin/env python
# encoding: utf-8

import RPi.GPIO as GPIO
import time

# 为保持兼容性，选择GPIO引脚主板编号模式，也就是物理引脚编号
GPIO.setmode(GPIO.BOARD)
LedPin = 11
# 指定11引脚（就是LED长针连接的GPIO针脚）的模式为输出模式
# LN IO 的GPIO0，主板编号是11，对应BCM模式引脚为17
GPIO.setup(LedPin, GPIO.OUT)

# 循环10次
for i in range(0, 10):
	# 让11引脚输出高电平（LED灯亮）
	GPIO.output(LedPin, True)
	# 持续一段时间
	time.sleep(0.5)
	# 让11引脚输出低电平（LED灯灭）
	GPIO.output(LedPin, False)
	# 持续一段时间
	time.sleep(0.5)

# 最后清理GPIO口（不做也可以，建议每次程序结束时清理一下，好习惯）
GPIO.cleanup()

效果如图所示：

按键控制LED开关

有了上面的我们再来试试用按键控制LED，很多用过Arduino的应该轻车熟路啦。

#!/usr/bin/env python
# encoding: utf-8

import RPi.GPIO as GPIO
import time

# 为保持兼容性，选择GPIO引脚主板编号模式，也就是物理引脚编号
GPIO.setmode(GPIO.BOARD)
GPIO.setwarnings(False)
LedPin = 11
BtnPin = 13

# 11引脚（LED2）为输出模式,13引脚（Key1）为输入模式
GPIO.setup(LedPin, GPIO.OUT)
GPIO.setup(BtnPin, GPIO.IN)

try:
    GPIO.output(LedPin, True)
    while True:
        time.sleep(0.01)
        if (GPIO.input(BtnPin)) == False:
            GPIO.output(LedPin, False)
        else:
            GPIO.output(LedPin, True)
except KeyboardInterrupt:
    pass

# 最后清理GPIO口（不做也可以，建议每次程序结束时清理一下，好习惯）
GPIO.cleanup()

有兴趣的可以做一个防按键抖动（Debounce）版本。

Python控制1602液晶屏显示当前时间

感谢Hugo Zhu的这篇《如何使用Raspberry Pi在1602液晶屏上显示当前时间--电子钟》博文，他的博客非常棒，受益匪浅。以下仍然以BOARD编码为例。

硬件包括LN IO 拓展板；1602液晶屏；USB无线网卡；UPBoard。注意LN IO拓展板将连接帽切换到LCD引脚。

1602液晶屏的引脚定义：

VSS，接地
VDD，接3.3V电源
VO，液晶对比度调节，接电位器中间的引脚（板载R2）
RS，寄存器选择，接PB 03，Pin 29
RW，读写选择，接地，表示写模式
EN，使能信号，接PB 13，Pin 33
D0，数据位0，4位工作模式下不用，不接
D1，数据位1，4位工作模式下不用，不接
D2，数据位2，4位工作模式下不用，不接
D3，数据位3，4位工作模式下不用，不接
D4，数据位4，接GPIO 4，Pin 16
D5，数据位5，接GPIO 5，PIN 18
D6，数据位6，接GPIO 6，PIN 22
D7，数据位7，接GPIO 7，PIN 7
A，液晶屏背光+，接3.3v
K，液晶屏背光-，接地

源代码可以从github页面下载，修改相关引脚序号，如下：

#!/usr/bin/python

#
# based on code from lrvick and LiquidCrystal
# lrvic - https://github.com/lrvick/raspi-hd44780/blob/master/hd44780.py
# LiquidCrystal - https://github.com/arduino/Arduino/blob/master/libraries/LiquidCrystal/LiquidCrystal.cpp
#

from time import sleep
from datetime import datetime
from time import sleep

class Adafruit_CharLCD:

    # commands
    LCD_CLEARDISPLAY            = 0x01
    LCD_RETURNHOME              = 0x02
    LCD_ENTRYMODESET            = 0x04
    LCD_DISPLAYCONTROL          = 0x08
    LCD_CURSORSHIFT             = 0x10
    LCD_FUNCTIONSET             = 0x20
    LCD_SETCGRAMADDR            = 0x40
    LCD_SETDDRAMADDR            = 0x80

    # flags for display entry mode
    LCD_ENTRYRIGHT              = 0x00
    LCD_ENTRYLEFT               = 0x02
    LCD_ENTRYSHIFTINCREMENT     = 0x01
    LCD_ENTRYSHIFTDECREMENT     = 0x00

    # flags for display on/off control
    LCD_DISPLAYON               = 0x04
    LCD_DISPLAYOFF              = 0x00
    LCD_CURSORON                = 0x02
    LCD_CURSOROFF               = 0x00
    LCD_BLINKON                 = 0x01
    LCD_BLINKOFF                = 0x00

    # flags for display/cursor shift
    LCD_DISPLAYMOVE             = 0x08
    LCD_CURSORMOVE              = 0x00

    # flags for display/cursor shift
    LCD_DISPLAYMOVE             = 0x08
    LCD_CURSORMOVE              = 0x00
    LCD_MOVERIGHT               = 0x04
    LCD_MOVELEFT                = 0x00

    # flags for function set
    LCD_8BITMODE                = 0x10
    LCD_4BITMODE                = 0x00
    LCD_2LINE                   = 0x08
    LCD_1LINE                   = 0x00
    LCD_5x10DOTS                = 0x04
    LCD_5x8DOTS                 = 0x00


# LN IO Board: RS=PB03=29, EN=PB13=33; DB4-7=GPIO4-7=16,18,22,7
    def __init__(self, pin_rs=29, pin_e=33, pins_db=[16,18,22,7], GPIO = None):
        # Emulate the old behavior of using RPi.GPIO if we haven't been given
        # an explicit GPIO interface to use
        if not GPIO:
            import RPi.GPIO as GPIO
        GPIO.setwarnings(False)

        self.GPIO = GPIO
        self.pin_rs = pin_rs
        self.pin_e = pin_e
        self.pins_db = pins_db

        self.GPIO.setmode(GPIO.BOARD)
        self.GPIO.setup(self.pin_e, GPIO.OUT)
        self.GPIO.setup(self.pin_rs, GPIO.OUT)

        for pin in self.pins_db:
            self.GPIO.setup(pin, GPIO.OUT)

        self.write4bits(0x33) # initialization
        self.write4bits(0x32) # initialization
        self.write4bits(0x28) # 2 line 5x7 matrix
        self.write4bits(0x0C) # turn cursor off 0x0E to enable cursor
        self.write4bits(0x06) # shift cursor right

        self.displaycontrol = self.LCD_DISPLAYON | self.LCD_CURSOROFF | self.LCD_BLINKOFF

        self.displayfunction = self.LCD_4BITMODE | self.LCD_1LINE | self.LCD_5x8DOTS
        self.displayfunction |= self.LCD_2LINE

        """ Initialize to default text direction (for romance languages) """
        self.displaymode =  self.LCD_ENTRYLEFT | self.LCD_ENTRYSHIFTDECREMENT
        self.write4bits(self.LCD_ENTRYMODESET | self.displaymode) #  set the entry mode

        self.clear()


    def begin(self, cols, lines):

        if (lines > 1):
                self.numlines = lines
                self.displayfunction |= self.LCD_2LINE
                self.currline = 0


    def home(self):

        self.write4bits(self.LCD_RETURNHOME) # set cursor position to zero
        self.delayMicroseconds(3000) # this command takes a long time!


    def clear(self):

        self.write4bits(self.LCD_CLEARDISPLAY) # command to clear display
        self.delayMicroseconds(3000)    # 3000 microsecond sleep, clearing the display takes a long time


    def setCursor(self, col, row):

        self.row_offsets = [ 0x00, 0x40, 0x14, 0x54 ]

        if ( row > self.numlines ): 
                row = self.numlines - 1 # we count rows starting w/0

        self.write4bits(self.LCD_SETDDRAMADDR | (col + self.row_offsets[row]))


    def noDisplay(self): 
        """ Turn the display off (quickly) """

        self.displaycontrol &= ~self.LCD_DISPLAYON
        self.write4bits(self.LCD_DISPLAYCONTROL | self.displaycontrol)


    def display(self):
        """ Turn the display on (quickly) """

        self.displaycontrol |= self.LCD_DISPLAYON
        self.write4bits(self.LCD_DISPLAYCONTROL | self.displaycontrol)


    def noCursor(self):
        """ Turns the underline cursor on/off """

        self.displaycontrol &= ~self.LCD_CURSORON
        self.write4bits(self.LCD_DISPLAYCONTROL | self.displaycontrol)


    def cursor(self):
        """ Cursor On """

        self.displaycontrol |= self.LCD_CURSORON
        self.write4bits(self.LCD_DISPLAYCONTROL | self.displaycontrol)


    def noBlink(self):
        """ Turn on and off the blinking cursor """

        self.displaycontrol &= ~self.LCD_BLINKON
        self.write4bits(self.LCD_DISPLAYCONTROL | self.displaycontrol)


    def noBlink(self):
        """ Turn on and off the blinking cursor """

        self.displaycontrol &= ~self.LCD_BLINKON
        self.write4bits(self.LCD_DISPLAYCONTROL | self.displaycontrol)


    def DisplayLeft(self):
        """ These commands scroll the display without changing the RAM """

        self.write4bits(self.LCD_CURSORSHIFT | self.LCD_DISPLAYMOVE | self.LCD_MOVELEFT)


    def scrollDisplayRight(self):
        """ These commands scroll the display without changing the RAM """

        self.write4bits(self.LCD_CURSORSHIFT | self.LCD_DISPLAYMOVE | self.LCD_MOVERIGHT);


    def leftToRight(self):
        """ This is for text that flows Left to Right """

        self.displaymode |= self.LCD_ENTRYLEFT
        self.write4bits(self.LCD_ENTRYMODESET | self.displaymode);


    def rightToLeft(self):
        """ This is for text that flows Right to Left """
        self.displaymode &= ~self.LCD_ENTRYLEFT
        self.write4bits(self.LCD_ENTRYMODESET | self.displaymode)


    def autoscroll(self):
        """ This will 'right justify' text from the cursor """

        self.displaymode |= self.LCD_ENTRYSHIFTINCREMENT
        self.write4bits(self.LCD_ENTRYMODESET | self.displaymode)


    def noAutoscroll(self): 
        """ This will 'left justify' text from the cursor """

        self.displaymode &= ~self.LCD_ENTRYSHIFTINCREMENT
        self.write4bits(self.LCD_ENTRYMODESET | self.displaymode)


    def write4bits(self, bits, char_mode=False):
        """ Send command to LCD """

        self.delayMicroseconds(1000) # 1000 microsecond sleep

        bits=bin(bits)[2:].zfill(8)

        self.GPIO.output(self.pin_rs, char_mode)

        for pin in self.pins_db:
            self.GPIO.output(pin, False)

        for i in range(4):
            if bits[i] == "1":
                self.GPIO.output(self.pins_db[::-1][i], True)

        self.pulseEnable()

        for pin in self.pins_db:
            self.GPIO.output(pin, False)

        for i in range(4,8):
            if bits[i] == "1":
                self.GPIO.output(self.pins_db[::-1][i-4], True)

        self.pulseEnable()


    def delayMicroseconds(self, microseconds):
        seconds = microseconds / float(1000000) # divide microseconds by 1 million for seconds
        sleep(seconds)


    def pulseEnable(self):
        self.GPIO.output(self.pin_e, False)
        self.delayMicroseconds(1)               # 1 microsecond pause - enable pulse must be > 450ns 
        self.GPIO.output(self.pin_e, True)
        self.delayMicroseconds(1)               # 1 microsecond pause - enable pulse must be > 450ns 
        self.GPIO.output(self.pin_e, False)
        self.delayMicroseconds(1)               # commands need > 37us to settle


    def message(self, text):
        """ Send string to LCD. Newline wraps to second line"""

        for char in text:
            if char == '\n':
                self.write4bits(0xC0) # next line
            else:
                self.write4bits(ord(char),True)


if __name__ == '__main__':

    lcd = Adafruit_CharLCD()
    lcd.noBlink()
    # lcd.clear()
    # lcd.message("Hello, Jessica!\nHow are you? .....abcdefghijg ")
    # lcd.scrollDisplayRight()

    while True:
        sleep(1)
        lcd.clear()
        lcd.message(datetime.now().strftime('  %I : %M : %S \n%a %b %d %Y'))

每秒更新，显示当前时间，效果如图所示：

进阶

分析代码可知，该代码段可作为1602驱动库，支持1602的基本显示控制。后面可以自定义显示自己的信息，例如做一个小闹钟。

PyCharm远程调试UP Board上的Python程序

由于在UP Board上使用终端界面调试Python确实不很方便（其实是PyCharm用起来太爽了），所以使用Windows 上的PyCharm调试UP Board上的程序，可以直接使用UP的GPIO硬件资源，并且可以非常方便地安装各种库，简直停不下来，当然前文提到的cloud9也不错。远程调试功能只有专业版（Professional）可用，免费的社区版（Community）无此功能。通过edu邮箱验证可以免费使用专业版。

参考这篇文章pycharm 远程调试进行设置即可，注意点如下：

因为我们使用ubilinux移植的RPi.GPIO库，所以解释器只能选择python2
需要启用root账户并更改ssh设置允许root登录
可以通过PyCharm更新UP板上的Python库

sudo passwd root #启用root账户
sudo nano /etc/ssh/sshd_config # 添加 PermitRootLogin yes，Ctrl+O保存，Ctrl+X退出
sudo systemctl restart sshd # 重启SSH服务，使更改生效