用两个IO点亮屏幕：STM32 + I²C LCD驱动实战全解析
你有没有遇到过这样的窘境？项目快完成了，结果发现MCU的GPIO几乎被占光——定时器、串口、ADC、按键……最后只剩两根“边角料”引脚，可你还想给设备加个显示屏。
别急。今天我们就来解决这个嵌入式开发中经典的“资源焦虑”问题：如何只用两个IO，让STM32驱动一块LCD屏？
答案就是：I²C接口 + PCF8574T转接板。这不是什么黑科技，而是经过无数项目验证的成熟方案。它不仅节省引脚，还能让你在后续轻松扩展温湿度传感器、EEPROM甚至RTC模块——全都挂在同一根总线上。
下面，我会带你从零开始，手把手实现这一整套流程。不堆术语，不说空话，重点讲清楚每一个环节背后的“为什么”，以及你在实际调试中最可能踩的坑。
为什么是I²C？不是SPI，也不是并行？
先说结论：如果你只关心显示文字（比如状态信息、温度值、菜单项），并且希望最大限度节约MCU资源，那I²C是最优解。
| 接口类型 | 所需引脚数 | 典型速率 | 布线复杂度 | 多设备支持 |
|---|---|---|---|---|
| 并行8位 | ≥10 | 快 | 高 | 差 |
| SPI | 3~4 | 快 | 中 | 好（需CS） |
| I²C | 2 | 慢但够用 | 极低 | 极好 |
虽然I²C速度不如SPI，但对于刷新频率不高的字符型LCD（如常见的1602、2004），完全够用。而且它的最大优势在于：SCL和SDA两条线可以挂载多个设备，地址区分即可。
举个例子：
-0x48→ 温度传感器（TMP102）
-0x50→ EEPROM（AT24C02）
-0x27→ 我们的LCD模块
一根总线，三个外设，共用两个IO。这才是嵌入式系统该有的样子。
硬件是怎么“偷懒”的？揭秘PCF8574T的作用
你以为STM32真的通过I²C直接控制LCD？其实中间藏着一个“翻译官”——PCF8574T，一个I²C转并行IO的扩展芯片。
传统LCD需要哪些信号？
原生的HD44780控制器LCD需要至少6根控制线：
| 引脚 | 功能说明 |
|---|---|
| RS | 寄存器选择（0=命令，1=数据） |
| R/W | 读/写控制（通常接地，只写） |
| E | 使能信号（上升沿锁存） |
| D4~D7 | 数据线（4位模式） |
加起来一共7个数字输出口。如果用GPIO直驱，太奢侈了。
PCF8574T怎么破局？
PCF8574T是一个8位I/O扩展器，接到I²C总线上后，每次收到一个字节数据，就会把这8位分别输出到P0~P7引脚上。
常见映射关系如下：
| PCF Pin | 连接到LCD的 |
|---|---|
| P0 | D4 |
| P1 | D5 |
| P2 | D6 |
| P3 | D7 |
| P4 | RS |
| P5 | R/W |
| P6 | E |
| P7 | 背光BL |
所以，我们发送一个字节0x2C（二进制0010 1100），就相当于同时设置了：
- D4=0, D5=1, D6=1, D7=0
- RS=0, R/W=1, E=0, BL=1（背光开）
是不是瞬间省下了7个IO？
💡 小知识：市面上常见的I²C-LCD模块默认地址通常是
0x27或0x3F，区别就在于PCF8574T的A0~A2引脚接法不同。可以通过跳线或焊接改变地址，避免冲突。
STM32这边怎么配？HAL库配置要点
我们以STM32F1系列为例，使用CubeMX生成基础代码，再手动完善LCD驱动逻辑。
第一步：启用I²C外设
推荐使用硬件I²C，而不是模拟时序（bit-banging）。原因很简单：稳定、省CPU、支持DMA和中断。
假设你选的是I2C1，对应PB6(SCL)、PB7(SDA)，记得开启AFIO重映射（如果需要）。
// 初始化I²C1为标准模式（100kbps） hi2c1.Instance = I2C1; hi2c1.Init.ClockSpeed = 100000; // 标准速度 hi2c1.Init.DutyCycle = I2C_DUTYCYCLE_2; hi2c1.Init.AddressingMode = I2C_ADDRESSINGMODE_7BIT; HAL_I2C_Init(&hi2c1);⚠️ 注意事项：
- 上拉电阻必须加上！一般用4.7kΩ接VCC。
- 如果通信失败，优先检查电源、地线是否牢靠，再查上拉电阻是否存在。
- 总线电容不要超过400pF，否则信号上升沿会变缓，导致误码。
第二步：探测设备是否存在
在调用任何功能前，先确认你的LCD模块在线。这个动作就像“敲门”：“有人吗？”
uint8_t lcd_probe(void) { uint8_t addr = 0x27 << 1; // HAL库要求左移一位 return HAL_I2C_IsDeviceReady(&hi2c1, addr, 2, 100) == HAL_OK; }返回1表示通信正常；若失败，请逐一排查：
- 地址对不对？试试0x3F<<1
- 接线反了吗？SCL/SDA不能接错
- 供电足不足？有些模块5V才亮，STM32 GPIO 3.3V驱动不了
核心难点突破：如何正确发送一个字节？
这是整个驱动中最关键的部分。因为HD44780工作在4位模式，所以我们不能一次性发8位，而要分两次：先高4位，再低4位。
更麻烦的是，每发一次4位，还得打个“脉冲”——拉高E脚再拉低，才能让LCD锁存数据。
来看底层函数：
#define LCD_ADDR 0x27 #define BACKLIGHT 0x08 #define ENABLE 0x04 #define RS 0x01 void lcd_send_nibble(uint8_t nibble, uint8_t is_data) { uint8_t data = (nibble & 0xF0) | (is_data ? RS : 0) | BACKLIGHT; // 发送数据 HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, LCD_ADDR << 1, &data, 1, 100); // 打Enable脉冲：高→低触发锁存 HAL_Delay(1); data |= ENABLE; HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, LCD_ADDR << 1, &data, 1, 100); HAL_Delay(1); data &= ~ENABLE; HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, LCD_ADDR << 1, &data, 1, 100); HAL_Delay(1); }注意这里的延时不能省。虽然看起来很低效，但在初始化阶段尤其重要。太快了LCD芯片反应不过来。
接着封装完整字节写入：
void lcd_write_byte(uint8_t byte, uint8_t is_data) { lcd_send_nibble(byte & 0xF0, is_data); // 高4位 lcd_send_nibble((byte << 4), is_data); // 低4位 }这样就实现了“模拟并行接口”的全过程。
初始化序列：别跳步！否则屏幕没反应
很多人第一次烧录程序，发现LCD背光亮了，但啥也不显示。最常见的原因就是：初始化流程不对。
HD44780上电后默认处于8位模式，我们必须通过特定时序强制切换到4位模式。
正确的初始化步骤如下：
void lcd_init(void) { HAL_Delay(50); // 上电延迟 >40ms lcd_send_nibble(0x30, 0); // 第一次发送0x3（8位尝试） HAL_Delay(5); lcd_send_nibble(0x30, 0); // 第二次 HAL_Delay(1); lcd_send_nibble(0x30, 0); // 第三次 HAL_Delay(1); lcd_send_nibble(0x20, 0); // 切换至4位模式 HAL_Delay(1); // 正式进入4-bit指令设置 lcd_command(0x28); // 4位模式，双行显示，5x7点阵 lcd_command(0x0C); // 开显示，关光标，关闪烁 lcd_command(0x06); // 自动递增地址，无整体移屏 lcd_command(0x01); // 清屏 HAL_Delay(2); // 清屏指令耗时较长 }📌 关键点提醒：
- 前三步都是发0x3，是为了兼容各种上电状态；
- 第四步发0x2，正式进入4位模式；
-0x28是最关键的配置指令，决定了行数和字体；
- 清屏后务必延时至少1.52ms，否则下一条指令会被忽略！
实战演示：动态显示温度数据
现在我们来做一个实用的小功能：每隔1秒更新一次温度值。
假设有传感器通过另一条I²C总线获取温度：
float temp = read_temperature(); // 获取当前温度 lcd_command(0x80); // 移动光标到第一行第一个位置 lcd_puts("Temp:"); char str[16]; sprintf(str, "%.1f C", temp); lcd_command(0xC0); // 第二行开始 lcd_puts(str);其中lcd_puts()可以这样实现：
void lcd_puts(const char *s) { while (*s) { lcd_data(*s++); } }运行效果：
┌──────────────────┐ │ Temp: │ │ 25.6 C │ └──────────────────┘简单清晰，适合做环境监测终端。
常见坑点与调试秘籍
我在多个项目中踩过的坑，现在都告诉你：
❌ 问题1：屏幕全黑或全白
- 原因：对比度未调节，或VLCD引脚悬空
- 解决：找到模块上的电位器旋钮，慢慢调整；或者外接可调电压
❌ 问题2：背光亮但无字符
- 原因：初始化失败，或RS/E信号错乱
- 排查：用示波器看SCL/SDA是否有数据包；打印
lcd_probe()结果
❌ 问题3：偶尔乱码
- 原因：I²C通信不稳定，可能是上拉电阻太大/太小
- 建议：高速场合用2.2kΩ，普通用4.7kΩ；远距离可用I²C缓冲器
✅ 最佳实践建议
- 把LCD驱动封装成独立模块（
.c/.h），方便复用； - 使用宏定义管理设备地址，便于更换模块；
- 在主循环中加入超时机制，防止
HAL_I2C阻塞整个系统； - 长时间不用时关闭背光，节能又护眼。
还能怎么玩？扩展思路给你
这套方案看似简单，实则潜力巨大：
- 加一个DS3231实时时钟，做个带时间的日历屏；
- 结合按键输入，实现多级菜单导航；
- 用FreeRTOS创建单独任务负责刷新UI，主程序专注业务逻辑；
- 升级到OLED + I²C SSD1306驱动，显示图形和图标；
- 使用DMA+I²C自动刷新缓冲区，进一步解放CPU。
甚至你可以反过来思考：既然PCF8574T能当输出，能不能也读输入？当然可以！它可以双向通信，用来扫描矩阵键盘也没问题。
写在最后：少即是多
在这个追求高性能、大屏幕的时代，我们反而更容易忽略最本质的东西：有效的信息传递，不需要复杂的硬件支撑。
一块十几块钱的1602 LCD，配合STM32和I²C，就能完成90%的基础交互需求。它体积小、功耗低、成本低、稳定性高，特别适合教学、原型验证、工业仪表等场景。
掌握这项技能的意义，不只是“会驱动一个屏幕”，而是学会一种思维方式：在资源受限的环境下，如何用最经济的方式达成目标。
下次当你面对紧张的IO资源时，不妨想想这个问题：
“我能不能用I²C把这个外设‘串’上去？”
也许，答案就在那两根不起眼的SCL和SDA线上。
如果你正在做类似的项目，欢迎在评论区分享你的接线方式和遇到的问题，我们一起讨论优化方案。
