第9课 数据的可视化之旅，LCD屏的使用

课程导入

生活中，我们处处可见显示屏，电视、电脑、手机、车载显示屏、商场里的液晶广告牌……各种各样的可视化设备，为人机交互提供了各种可能。在我们之前的项目中，要想将各种数据可视化，我们一般都依赖于 Thonny 自带的交互区，但在更多的项目中，并不能总是将 Pico 连接到电脑，这时我们就需要使用一些其他的电子硬件来完成这部分工作，这时各种各样的显示屏设备就派上了用场。在各种开源硬件项目中，常见的显示屏有 LCD 显示屏、 LED 显示屏、 3D 显示屏、 OLED 显示屏等，他们作为显示设备各有优劣，根据各自的特征可以被应用于不同的领域和场景。在本节课中，我们就需要使用其中一种显示屏—— LCD 显示屏来实现数据的可视化。

知识锦囊

LCD显示屏

LCD 显示屏，就是我们常说的液晶显示屏，1888年，奥地利植物学家莱尼茨尔发现了液晶，它是一种拥有两个熔点的奇怪有机化合物。

莱尼茨尔 莱曼
当科学家将固态的液晶晶体加热到145℃时，液晶会第一次融化为浑浊的液体，如果继续将液晶加热到175℃时，它会再次熔化，变成清澈透明的液体。后来，德国物理学家莱曼通过仔细的观察发现，当液晶荣华围浑浊液体时，外观上虽然属于液体，但却显示出晶体特有的双折射性。于是莱曼将其命名为“液态晶体”，这就是“液晶”名称的由来。莱尼茨尔和雷曼后来被誉为液晶之父。液晶自被发现后，人们并不知道它有何用途，直到1968年人们才把它作为电子工业上的的材料。

1968年美国 RCA 公司发现，当液晶受不同电场影响时液晶分子会转向不同的方向，从而改变液晶对光线的折射系数，进而影响光线的行进方向，之后通过偏光片过滤掉行进方向不正确的光线，以此来决定 LCD 显示屏的最终成像效果。

值得注意的是，液晶本身并不发光，它只能改变穿过它的光的行进方向，所以在液晶显示器中，除了液晶层，我们往往还需要一个背光面板来作为光源。通过这一特性，该公司研制了动态散射形液晶显示器，并于1972年利用该技术制造出了第一款液晶手表，从这时起 LCD 技术才逐渐走向实用化。
在本节课中我们所使用的 Grove - 16 x 2 LCD 模块即为一块 LCD 显示屏，16x2表示该 LCD 显示屏可以分两行显示数据，且每行可以显示16个字符，两行共32个字符。

I2C总线

我们所使用的 Grove - 16 x 2 LCD 模块是一种使用 I2C 通信协议与主板通信的电子模块。I2C是由 Philips 公司开发的一种简单、双向二线制同步串行总线。它只需要两根数据线即可在连接于总线上的器件之间传送信息。I2C 上的通信发生在两条线路上:一条时钟线(通常被称为 SCL )和一条数据线(通常被称为 SDA )。
所以在对 I2C 接入的模块配置引脚时，我们需要同时为两条线路都配置好引脚。

引入外部函数库

在前面的课程中我们在程序中定义函数并进行了使用，但如果你想要重新编写一个新的程序，那么你定义的所有的函数和变量就都消失了。
为此 Python 提供了一个解决办法，把这些定义函数或变量的程序都存放在特定的文件中，当我们想要使用这些定义时，只需要在程序的开头使用 “import” 引用这个文件即可，这个文件就被我们称为库文件。
简单来讲，库文件是一个包含所有你定义的函数和变量的文件，其后缀名是 .py。库文件可以被别的程序引入，以使用该库文件中的函数等功能。
对于 Python 来说，库一般分为两大类，其一是 Python 自带的标准库， Python 的标准库中包含许多在项目开发时常用的函数库，在之前的课程中我们所使用的 machine 库，utime 库都是 Python 的标准库之一。
另一种库是由其他 Python 使用者自主开发的第三方库，得益于 Python 社区的壮大，在使用 Python 完成项目时，你可以找到许多非常有帮助的函数库。
对于标准库而言，在使用标准库时我们不需要进行额外的操作，直接在程序中引用它们即可，而对于第三方库来说，我们在使用它们时，需要先将库文件保存到 Pico 中，再进行使用。
例如在本节课中，我们需要使用第三方库来控制Grove - 16 x 2 LCD 显示屏，就需要先将其保存到 Pico 中。
1.首先点击下载我们所要使用的lcd1602.py第三方库文件，将它保存到电脑中。
2.将 Pico 连接到电脑，使用 Thonny 打开该文件，打开左上方的文件选项选择另存为。

3.选择 “Raspbarry Pi Pico” ，将其保存到 Pico 中

在进行存储时，Thonny 会让你为该文件命名，我们在此填写 lcd1602.py 作为该文件的名字。值得注意的是在命名时我们需要同时填写该文件的后缀名，不然无法进行使用。

实践操作

项目一：使用 LCD 屏显示 Hello，world!

添加好库文件后，我们先来编写一个简单的程序，让屏幕显示Hello，World。

硬件连接

在该项目中，我们所需要使用的硬件有：

• 树莓派 Pico
• 树莓派 Pico 拓展板
• Grove - 16 x 2 LCD 显示屏

插接好 Pico 和拓展板，使用 Grove 数据线将 LCD 显示屏连接到 I2C1 接口。

编写程序

首先引入需要使用的函数库，包括刚才已经保存到 Pico 中的第三方函数库 lcd1602 。

from lcd1602 import LCD1602
from machine import I2C,Pin
from utime import sleep

lcd 库中可用的函数如下：

• display() 开启显示屏
• no_display() 关闭显示屏
• clear() 清除当前显示，并使光标归位
• setCursor(col, row) 设置显示位置，col 为行数，row 为列数。
• print(text) 显示字符

接着进行引脚的定义，与其他引脚定义不同，I2C 引脚需要分别定义 SCL 和 SDA 两条数据线。

i2c = I2C(1,scl=Pin(7), sda=Pin(6), freq=400000)

它的写法为 machine.I2C（id，*，scl，sda，freq=400000），其中

• id 标识特定的 I2C 外设。允许的值取决于特定的端口/板
• scl 会使用 Pin 函数指定用于 SCL 的引脚
• sda 会使用 Pin 函数指定用于 SDA 的引脚
• freq 是设置 SCL 的最大频率的整数，一般根据所使用设备不同来进行调整，在这里我们将其设置为40000

最后使用库中函数完成显示 “Hello，World” 的操作。程序就完成了，完整的程序如下：

from lcd1602 import LCD1602
from machine import I2C,Pin
from utime import sleep
i2c = I2C(1,scl=Pin(7), sda=Pin(6), freq=400000)
d = LCD1602(i2c, 2, 16) #标注数据类型，行数和每一行的字符数
d.display() #启动显示屏
sleep(1)
d.clear() #清理显示
d.print('Hello ') #显示字符
sleep(1)
d.setCursor(0, 1) #规定显示位置，行和列都从0开始
d.print('world ')

使用 USB 数据线将 Pico 连接到电脑，点击运行按钮将程序保存到任意位置，你就能看到程序的实际运行效果。

项目二：LCD 屏显示旋转电位计读数

除了显示我们编写好的字符，LCD 显示屏还可以显示其他传感器返回的数值。

硬件连接

在该项目中，我们所需要使用的硬件有：

• 树莓派 Pico
• 树莓派 Pico 拓展板
• Grove - 16 x 2 LCD 显示屏
• Grove - 旋转电位计

插接好 Pico 和拓展板，使用 Grove 数据线将 LCD 显示屏连接到 I2C1 接口，将旋转电位计连接到A0接口。

编写程序

在第6课中我们学习了如何使用 ADC 读取旋转电位计的数值，那么，是否直接使用 d.print() 显示其读数就行了呢？我们先来试试下面的程序：

from lcd1602 import LCD1602
from machine import I2C,Pin,ADC
from utime import sleep
ROTARY_ANGLE_SENSOR = ADC(0)
i2c = I2C(1,scl=Pin(7), sda=Pin(6), freq=400000)
d = LCD1602(i2c, 2, 16)
d.display()
while True:
    sleep(1)
    d.clear()
    d.setCursor(0, 0)
    d.print(ROTARY_ANGLE_SENSOR.read_u16())
    sleep(1)

运行该程序，Thonny 会直接告诉我们程序有错误，且错误就在第14行，错误信息是：
TypeError: ‘int’ object isn’t iterable

这代表我们传入 print() 函数的参数并非它可以执行的类型。

在 print() 函数中，我们在 lcd1602 函数库中规定了该函数只能输入数据类型为字符串的参数，而ROTARY_ANGLE_SENSOR.read_u16() 返回的是一个数字类型的整数int，所以如果我们想要使用 print() 函数输出滑动电位计的数值，就需要将数字类型的数据转化为字符串类型数据，而在 Python 内置函数中，就有这样一个函数：str() ，使用 str() 函数可以将其他类型的数据转化为字符串类型函数。这样我们就可以使用 print() 输出旋转电位计的数值了。
修改后的程序如下：

from lcd1602 import LCD1602
from machine import I2C,Pin,ADC,PWM
from utime import sleep
ROTARY_ANGLE_SENSOR = ADC(0)
i2c = I2C(1,scl=Pin(7), sda=Pin(6), freq=400000)
d = LCD1602(i2c, 2, 16)
d.display()
while True:
    sleep(1)
    d.clear()
    d.setCursor(0, 0)
    d.print(str(ROTARY_ANGLE_SENSOR.read_u16()))
    sleep(1)

使用USB数据线将 Pico 连接到电脑，点击运行按钮将程序保存到任意位置，旋转旋转电位计，你就能看到程序的实际运行效果。
LCD屏显示旋转电位计读数.mp4

思维拓展

请尝试在本节课的程序中加入 LED 灯效，并让 LCD 显示屏显示其亮度。

from lcd1602 import LCD1602
from machine import I2C,Pin,ADC,PWM
from utime import sleep
ROTARY_ANGLE_SENSOR = ADC(0)
LED_PWM = PWM(Pin(18))
i2c = I2C(1,scl=Pin(7),sda=Pin(6),freq=400000)
LED_PWM.freq(500)
d = LCD1602(i2c,2,16)
d.display()
while True:
    val=ROTARY_ANGLE_SENSOR.read_u16()
    LED_PWM.duty_u16(val)
    sleep(1)
    d.clear()
    d.setCursor(0,0)
    d.print(str(val))
    sleep(1)