Подключение ЖК-дисплея (LCD1602) к ESP32

Мы подключим символьный дисплей LCD1602 с адаптером I2C к ESP32. С точки зрения проводки схема выглядит простой, потому что нужны всего четыре соединения: питание, земля, SDA и SCL. Однако, несмотря на небольшое количество проводов, есть важная деталь по напряжению, которую нужно правильно учесть до подключения.

Проблема совместимости напряжений

Допустимое напряжение на выводах GPIO ESP32 составляет 3,6 В. Если напряжение на выводе GPIO превышает 3,6 В, оно выходит за безопасный рабочий диапазон и может повредить микросхему.

Большинство модулей LCD1602 с адаптером I2C рассчитаны на работу от 5 В. Адаптер I2C обычно имеет подтягивающие резисторы, подключённые к напряжению питания. При питании от 5 В это означает, что в состоянии покоя линии SDA и SCL находятся на уровне 5 В.

Если SDA и SCL такого модуля подключить напрямую к ESP32, выводы GPIO ESP32 окажутся под напряжением 5 В. Именно эту проблему нам и нужно решить.

Распространённый обходной путь, который вы увидите в интернете

Многие онлайн-руководства предлагают питать LCD1602 и его адаптер I2C от 5 В и подключать SDA и SCL напрямую к ESP32. Я сам проверял такую схему, и она работает. Однако с электрической точки зрения это небезопасно, а длительная эксплуатация может повредить выводы GPIO ESP32.

Поэтому, хотя такой способ и работает, его нельзя считать безопасным или рекомендовать.

Note

Эта тема часто обсуждается в сообществе ESP32. Одни пользователи сообщают, что входы 5 В в любительских проектах, похоже, работают, а другие указывают, что такое поведение не описано в документации Espressif и на него не стоит полагаться, особенно в коммерческих или долговременных разработках. Одно из связанных обсуждений можно найти здесь: https://www.reddit.com/r/esp32/comments/1j5p0lb/can_the_espwroom32_read_5v_io_inputs/

Простой, но достаточно безопасный подход: питание всего 3,3 В

Для демонстраций, экспериментов и учебных проектов самый простой и безопасный способ — питать ЖК-модуль LCD1602 с I2C от источника 3,3 В на ESP32, а не от 5 В.

Когда адаптер питается от 3,3 В, его подтягивающие резисторы I2C подтягивают SDA и SCL к 3,3 В, а не к 5 В. Это сразу устраняет проблему совместимости напряжений, и SDA и SCL можно подключить напрямую к ESP32.

Платой за это будут более тусклый контраст и подсветка дисплея. При питании от 3,3 В дисплей обычно всё ещё читаем при обычном комнатном освещении, чего достаточно для экспериментов и базовой проверки.

Такой подход не требует дополнительных компонентов и не нагружает выводы GPIO ESP32.

Лучший подход: использование преобразователя уровней

Если нужна полная яркость подсветки или если ваш ЖК-модуль не работает надёжно при 3,3 В, его необходимо питать от 5 В. Но тогда нужно защитить ESP32 от сигналов 5 В.

Решение — двунаправленный преобразователь логических уровней (также называемый level shifter). Этот небольшой модуль преобразует сигналы между 3,3 В и 5 В в обоих направлениях.

ESP32 подключается к стороне 3,3 В преобразователя, а ЖК-дисплей — к стороне 5 В. Преобразователь гарантирует, что ESP32 всегда видит только сигналы 3,3 В, а ЖК-дисплей получает сигналы 5 В, которые ему нужны.

Это электрически правильный и безопасный способ, но он добавляет несколько проводов и требует дополнительного модуля.

Схема может показаться немного запутанной на первый взгляд, но идея проста, если разобрать её по частям.

Подключение питания (сначала подключите эти провода)

Сначала подключите выход 3,3 В ESP32 к выводу, помеченному LV (Low Voltage, низкое напряжение), на преобразователе. Это задаёт логический уровень для стороны ESP32. Затем подключите питание 5 В ESP32 (то есть VIN на плате ESP32 DevKit V1) к выводу, помеченному HV (High Voltage, высокое напряжение), на преобразователе. Вывод VCC ЖК-дисплея тоже питается от того же источника 5 В.

Земля должна быть общей, поэтому соедините вместе землю ESP32, землю преобразователя и землю ЖК-дисплея.

Подключение данных (связь I2C)

Теперь подключим линии сигналов I2C. Выводы GPIO ESP32 всегда должны подключаться к выводам преобразователя, помеченным LVx, а выводы I2C ЖК-дисплея — к соответствующим выводам, помеченным HVx.

В этом примере вывод SDA ESP32 подключается к LV1, а вывод SDA ЖК-дисплея — к HV1. Вывод SCL ESP32 подключается к LV2, а вывод SCL ЖК-дисплея — к HV2. Конкретные номера GPIO для SDA и SCL зависят от вашей платы ESP32 и конфигурации программы.

Как это работает

Проще говоря, когда ESP32 обменивается данными по линии I2C, сторона LVx работает на 3,3 В, а преобразователь выдаёт сигнал 5 В на соответствующей стороне HVx для ЖК-дисплея. Когда ЖК-дисплей обменивается данными на 5 В, преобразователь переводит этот сигнал обратно, так что ESP32 всегда видит на стороне LVx только 3,3 В. Таким образом, оба устройства работают на требуемом им напряжении, не перегружая выводы GPIO ESP32.