使用LCD屏（16x2 LCD Pi Plate，带I2C接口、键盘、RGB LED、MCP23017-E/SO）显示树莓派5B系统状态（不使用python），详细中文教程

<think>好的，我需要帮助用户实现在树莓派5B上使用16x2 LCD屏（带I2C接口、键盘、RGB LED、MCP23017-E/SO）显示系统状态，并且不使用Python。用户之前询问过在Ubuntu安装C语言I2C库的问题，现在可能是在树莓派上使用类似的C语言方法。我需要考虑以下几点： 1. **硬件连接确认**：确保树莓派5B与LCD模块正确连接，尤其是I2C引脚。树莓派5B的GPIO布局是否有变化？需要确认I2C总线号是否正确，通常是I2C-1或I2C-0。 2. **启用I2C和配置权限**：用户之前的步骤已经包括启用I2C内核模块和用户组权限，但树莓派可能需要通过raspi-config启用I2C接口。需要指导用户检查并启用。 3. **依赖库安装**：用户需要C开发环境和相关库。可能需要安装libi2c-dev和build-essential，类似之前的Ubuntu步骤，但树莓派是基于Debian的，命令可能相同。 4. **MCP23017的使用**：由于LCD模块使用MCP23017扩展芯片，用户需要了解如何通过I2C控制该芯片。需要查找或提供MCP23017的寄存器配置方法，以控制LCD、键盘和RGB LED。 5. **LCD驱动编写**：需要指导用户编写C代码初始化LCD（16x2），通过MCP23017发送命令和数据。可能需要参考HD44780的指令集，因为大多数16x2 LCD基于此控制器。 6. **系统状态获取**：如何通过C程序获取CPU温度、负载、内存使用等信息。例如，读取/sys/class/thermal/thermal_zone0/temp文件获取温度，解析/proc/stat等。 7. **键盘输入处理**：如果LCD模块带有键盘，需要配置MCP23017的输入端口，轮询按键状态，并在C程序中处理输入事件。 8. **RGB LED控制**：通过MCP23017的GPIO或PWM控制LED颜色，可能需要配置相关寄存器。 9. **代码结构**：整合各部分功能，主循环中更新系统状态并刷新显示，同时处理按键输入。 10. **编译和测试**：确保代码正确编译，处理可能的权限问题，调试I2C通信问题。 可能出现的问题包括I2C地址冲突、MCP23017配置错误、LCD初始化不正确，以及系统状态数据的解析错误。需要指导用户使用i2cdetect检查设备地址，测试各部分功能模块，并逐步调试。 需要提供详细的代码示例，并注释关键部分，特别是MCP23017的初始化和LCD的控制命令。同时，提醒用户注意树莓派5B的GPIO变化，必要时参考官方文档。可能还需要调整I2C总线的速度或添加延迟以确保稳定性。</think>以下是在树莓派5B上使用 **16x2 LCD屏（带I2C接口、键盘、RGB LED、MCP23017-E/SO）** 显示系统状态的详细中文教程，全程基于 **C语言** 实现，不依赖 Python。 --- ### **1. 硬件准备与连接** #### **硬件清单** - 树莓派5B - 16x2 LCD Pi Plate（含I2C接口、键盘、RGB LED、MCP23017-E/SO芯片） - 杜邦线（若LCD未直接插在GPIO上） #### **接线说明** - 确保LCD模块通过I2C接口连接到树莓派的 **GPIO引脚**： - **SDA** → GPIO2（物理引脚3） - **SCL** → GPIO3（物理引脚5） - **VCC** → 5V - **GND** → GND --- ### **2. 系统配置** #### **启用I2C接口** 1. 打开终端，运行树莓派配置工具： ```bash sudo raspi-config ``` 2. 选择 **Interface Options → I2C → Yes** 启用I2C驱动。 #### **安装依赖库** 安装编译工具和I2C开发库： ```bash sudo apt update sudo apt install -y build-essential libi2c-dev i2c-tools ``` #### **验证I2C设备** 1. 列出I2C总线（树莓派5B通常为 `i2c-1` 或 `i2c-0`）： ```bash i2cdetect -l ``` 2. 扫描设备地址（假设总线为 `i2c-1`）： ```bash i2cdetect -y 1 ``` - 若看到 **0x20**（MCP23017默认地址），说明连接成功。 --- ### **3. 编写C程序** #### **代码框架** ```c #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <fcntl.h> #include <unistd.h> #include <sys/ioctl.h> #include <linux/i2c-dev.h> #include <time.h> #include <string.h> // MCP23017寄存器地址（根据芯片手册定义） #define IODIRA 0x00 // I/O方向寄存器A #define IODIRB 0x01 // I/O方向寄存器B #define GPIOA 0x12 // GPIO端口A #define GPIOB 0x13 // GPIO端口B #define OLATA 0x14 // 输出锁存器A #define OLATB 0x15 // 输出锁存器B // LCD控制命令（基于HD44780） #define LCD_CLEAR 0x01 #define LCD_HOME 0x02 #define LCD_ENTRY_MODE 0x04 #define LCD_DISPLAY_CONTROL 0x08 #define LCD_FUNCTION_SET 0x20 // 自定义函数声明 void mcp23017_write(int file, uint8_t reg, uint8_t data); void lcd_init(int file); void lcd_write(int file, uint8_t data, uint8_t mode); void lcd_print(int file, const char *str); void get_system_status(char *cpu_temp, char *mem_usage, char *cpu_load); int main() { int i2c_file; const char *i2c_bus = "/dev/i2c-1"; // 根据实际总线调整 const uint8_t mcp23017_addr = 0x20; // MCP23017默认地址 // 打开I2C总线 if ((i2c_file = open(i2c_bus, O_RDWR)) < 0) { perror("Failed to open I2C bus"); return 1; } // 设置MCP23017地址 if (ioctl(i2c_file, I2C_SLAVE, mcp23017_addr) < 0) { perror("Failed to set I2C address"); close(i2c_file); return 1; } // 初始化MCP23017和LCD mcp23017_write(i2c_file, IODIRA, 0x00); // 端口A为输出（控制LCD） mcp23017_write(i2c_file, IODIRB, 0xFF); // 端口B为输入（读取键盘） lcd_init(i2c_file); // 主循环：显示系统状态 while (1) { char cpu_temp[16], mem_usage[16], cpu_load[16]; get_system_status(cpu_temp, mem_usage, cpu_load); lcd_write(i2c_file, LCD_CLEAR, 0); // 清屏 lcd_print(i2c_file, "CPU:"); lcd_print(i2c_file, cpu_temp); lcd_write(i2c_file, 0xC0, 0); // 跳转到第二行 lcd_print(i2c_file, "MEM:"); lcd_print(i2c_file, mem_usage); sleep(2); // 更新间隔2秒 } close(i2c_file); return 0; } // 写入MCP23017寄存器 void mcp23017_write(int file, uint8_t reg, uint8_t data) { uint8_t buffer[2] = {reg, data}; if (write(file, buffer, 2) != 2) { perror("MCP23017 write failed"); } } // 初始化LCD void lcd_init(int file) { // 设置4位模式、2行显示、5x8字体 lcd_write(file, LCD_FUNCTION_SET | 0x08 | 0x04, 0); usleep(4500); lcd_write(file, LCD_DISPLAY_CONTROL | 0x04, 0); // 打开显示，关闭光标 lcd_write(file, LCD_CLEAR, 0); usleep(2000); } // 向LCD写入数据或命令 void lcd_write(int file, uint8_t data, uint8_t mode) { uint8_t high_nibble = data & 0xF0; uint8_t low_nibble = (data << 4) & 0xF0; uint8_t rs = (mode == 1) ? 0x01 : 0x00; // RS引脚：0=命令，1=数据 // 发送高4位 mcp23017_write(file, GPIOA, high_nibble | rs | 0x04); // 使能EN usleep(1); mcp23017_write(file, GPIOA, high_nibble | rs); // 关闭EN usleep(100); // 发送低4位 mcp23017_write(file, GPIOA, low_nibble | rs | 0x04); usleep(1); mcp23017_write(file, GPIOA, low_nibble | rs); usleep(100); } // 打印字符串到LCD void lcd_print(int file, const char *str) { while (*str) { lcd_write(file, *str++, 1); // 模式1=数据 } } // 获取系统状态（CPU温度、内存使用率、CPU负载） void get_system_status(char *cpu_temp, char *mem_usage, char *cpu_load) { // 读取CPU温度 FILE *fp = fopen("/sys/class/thermal/thermal_zone0/temp", "r"); float temp; fscanf(fp, "%f", &temp); fclose(fp); snprintf(cpu_temp, 16, "%.1fC", temp / 1000); // 读取内存使用率 FILE *meminfo = fopen("/proc/meminfo", "r"); unsigned long total, free; fscanf(meminfo, "MemTotal: %lu kB\nMemFree: %lu kB", &total, &free); fclose(meminfo); snprintf(mem_usage, 16, "%.1f%%", 100 - (free * 100.0 / total)); // 读取CPU负载（1分钟平均） FILE *loadavg = fopen("/proc/loadavg", "r"); float load; fscanf(loadavg, "%f", &load); fclose(loadavg); snprintf(cpu_load, 16, "%.2f", load); } ``` --- ### **4. 编译与运行** 1. 将代码保存为 `lcd_system_monitor.c`。 2. 编译代码： ```bash gcc -o lcd_monitor lcd_system_monitor.c ``` 3. 运行程序（需确保用户已加入 `i2c` 组）： ```bash ./lcd_monitor ``` --- ### **5. 功能扩展** #### **控制RGB LED** 通过MCP23017的GPIO引脚控制LED颜色： ```c // 设置RGB LED颜色（假设连接在MCP23017的GPIOA引脚2、3、4） void set_rgb_led(int file, uint8_t red, uint8_t green, uint8_t blue) { uint8_t led_state = (red << 2) | (green << 3) | (blue << 4); mcp23017_write(file, OLATA, led_state); } ``` #### **读取键盘输入** 通过MCP23017的GPIOB端口读取键盘矩阵： ```c uint8_t read_keyboard(int file) { uint8_t key; mcp23017_write(file, GPIOB, 0xFF); // 设置端口B为输入 read(file, &key, 1); // 读取按键状态 return key; } ``` --- ### **6. 常见问题** 1. **LCD无显示** - 检查I2C地址是否为 `0x20`，调整接线或代码中的总线号（`/dev/i2c-1` 或 `/dev/i2c-0`）。 - 添加延时确保初始化时序正确。 2. **权限不足** - 运行 `sudo usermod -aG i2c $USER` 并重启。 3. **键盘或LED不响应** - 检查MCP23017寄存器配置（如 `IODIRB` 方向设置）。 --- 通过以上步骤，你可以通过C语言直接在树莓派5B上驱动16x2 LCD，实时显示系统状态，并扩展控制键盘和RGB LED。具体硬件操作需参考模块手册调整寄存器地址和引脚定义。