I2C LCDディスプレイ（16x2）の使い方：Arduino、ESP32、Pico

16文字×2行を表示できる16x2 LCDは、Arduinoの世界でもっとも普及しているディスプレイです。温度や距離などの測定値、メニュー、時計、ゲームのスコアの表示に使われます。ディスプレイ本体には16本のピンがあり、単体では少なくとも6本のデジタルピンが必要ですが、裏にはんだ付けされた小さなI2Cモジュールのおかげで、データ線はたった2本で済みます。この記事では、I2C LCDのつなぎ方、アドレスの調べ方、好きな内容を表示する方法をステップごとに紹介します。

LCDディスプレイはどう動く？

これらのディスプレイはHD44780というドライバチップで動いています。1文字は5x8ピクセルの小さな枠に描かれ、チップには英字、数字、いくつかの記号を収めた文字テーブルが内蔵されています。Arduinoは「この位置にこの文字を書く」という命令を送るだけで、文字をピクセルに変えるのはディスプレイの仕事です。LEDバックライトのおかげで暗い場所でも文字が読め、液晶の層がピクセルを暗くすることで文字を形づくります。

I2Cとは？なぜ配線が楽になるのか

I2Cは、複数の機器が2本の線で通信するための方式です。SDAがデータを、SCLがクロック信号を運びます。各機器には固有のアドレスがあり、Arduinoはそのアドレスで目的の機器を呼び出します。LCDモジュールは通常、0x27か0x3Fのアドレスを使います。時計モジュール、OLEDディスプレイ、BME280などのセンサーも同じ2本の線を共有でき、アドレスが重ならなければすべて一緒に動きます。

モジュールに載っているPCF8574チップは、I2Cで届いた命令をディスプレイが必要とする8本のパラレル信号に変換します。I2Cモジュールなしでもディスプレイは使えますが、その場合は6本のピン、ポテンショメーター、たくさんの配線が必要です。モジュールを使えばピンを節約でき、回路もすっきりします。

仕様

I2C LCDの配線：Arduino、ESP32、Pico

配線はどのボードでも同じ4本で、変わるのはSDAとSCLがどのピンにあるかだけです。お使いのボードのI2Cピンはピン配置ツールで確認できます。

I2Cアドレスを調べる：スキャナースケッチ

ディスプレイのアドレスがわからない場合は、下のコードを書き込んでください。1から126までのすべてのアドレスを試し、応答した機器のアドレスをシリアルモニタに表示します。このアドレスはディスプレイの設定で使います。

1#include <Wire.h>
2
3void setup() {
4  Wire.begin();
5  Serial.begin(9600);
6  Serial.println("I2C taranıyor / scanning...");
7  for (byte addr = 1; addr < 127; addr++) {
8    Wire.beginTransmission(addr);
9    if (Wire.endTransmission() == 0) {   // cihaz cevap verdi / device answered
10      Serial.print("Bulundu / found: 0x");
11      Serial.println(addr, HEX);
12    }
13  }
14}
15
16void loop() {
17}

ライブラリのインストールと文字の表示

ライブラリマネージャでLiquidCrystal I2Cを検索し、Frank de Brabander作のライブラリをインストールします。下のコードは1行目にあいさつを、2行目にArduinoが起動してからの秒数を表示します。

1#include <Wire.h>
2#include <LiquidCrystal_I2C.h>
3
4LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 16, 2);  // adres, sütun, satır / address, columns, rows
5
6void setup() {
7  lcd.init();
8  lcd.backlight();               // arka ışığı aç / backlight on
9  lcd.setCursor(0, 0);           // sütun 0, satır 0 / column 0, row 0
10  lcd.print("Merhaba Dunya!");
11}
12
13void loop() {
14  lcd.setCursor(0, 1);           // ikinci satır / second row
15  lcd.print("Sure: ");
16  lcd.print(millis() / 1000);    // saniye / seconds
17  lcd.print(" sn   ");           // eski rakamları sil / clear old digits
18  delay(200);
19}

よく使うLCDの命令

スクロールする文字

16文字より長い文字列を表示するには、画面をスクロールさせます。下のコードは文字を表示したあと300ミリ秒ごとに左へずらすので、長いメッセージが電光掲示板のように流れていきます。

1#include <Wire.h>
2#include <LiquidCrystal_I2C.h>
3
4LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 16, 2);
5
6void setup() {
7  lcd.init();
8  lcd.backlight();
9  lcd.print("BlueGrays ile elektronik ogren");  // 16 karakterden uzun / longer than 16 chars
10}
11
12void loop() {
13  lcd.scrollDisplayLeft();   // bir adım sola / one step left
14  delay(300);
15}

カスタム文字と特殊な文字

HD44780の文字テーブルにはş, ğ, ı, ö, ü, ç（あるいはéやñ）のようなアクセント付きの文字がなく、表示しようとすると意味のない記号が出ます。解決策は、最大8個の5x8ピクセルのカスタム文字を定義することです。各行を1バイトで書き、1にしたビットが点灯するピクセルになります。下の例ではハートを描いていますが、アクセント付きの文字も同じ方法で描けます。

1byte heart[8] = {
2  0b00000,
3  0b01010,
4  0b11111,
5  0b11111,
6  0b01110,
7  0b00100,
8  0b00000,
9  0b00000
10};
11
12// setup() içinde / inside setup()
13lcd.createChar(0, heart);   // 0. yuvaya kaydet / store in slot 0
14lcd.setCursor(15, 0);
15lcd.write(byte(0));         // kalbi göster / show the heart

ESP32とRaspberry Pi PicoでI2C LCDを使う

ESP32では同じArduinoのコードとライブラリがそのまま動きます。Wire.begin()は標準でGPIO 21（SDA）とGPIO 22（SCL）を使います。別のピンを使いたい場合はWire.begin(SDA, SCL)と書きます。MicroPythonを使うRaspberry Pi Picoでは、lcd_api.pyとpico_i2c_lcd.pyという2つの小さなファイルをPicoにコピーし、次のように使います。

1from machine import I2C, Pin
2from pico_i2c_lcd import I2cLcd   # Pico'ya kopyalanan dosya / file copied to the Pico
3
4i2c = I2C(0, sda=Pin(4), scl=Pin(5), freq=400000)
5addr = i2c.scan()[0]              # ilk bulunan adres / first found address
6lcd = I2cLcd(i2c, addr, 2, 16)    # 2 satır, 16 sütun / 2 rows, 16 columns
7
8lcd.putstr("Merhaba Pico!")
9lcd.move_to(0, 1)                 # sütun 0, satır 1 / column 0, row 1
10lcd.putstr("BlueGrays")

I2C LCDのプロジェクトアイデア

• デジタル温度計：温度と湿度をディスプレイに表示します。センサー側はDHT11温湿度センサーを参照してください。
• 距離表示器：HC-SR04で測った距離をセンチメートルで表示します。詳しくはHC-SR04距離センサーで解説しています。
• デジタル電圧計：アナログピンで読み取った電圧を表示します。
• 暗証番号ロック：キーパッドで入力したコードをアスタリスクで表示します。
• メニューシステム：ポテンショメーターや2つのボタンで画面上の選択肢を移動します。
• ミニゲーム：カスタム文字で描いたランナーに障害物をよけさせます。

よくあるミスと直し方

• ディスプレイは光るが文字が出ない：コントラストが合っていません。半固定抵抗（トリマー）を回してください。
• 上の行に黒い四角が並ぶ：電源は来ていますが、ディスプレイが初期化されていません。アドレスが違う、SDAとSCLが逆になっている、またはlcd.init()を呼んでいない可能性があります。
• アドレスが違う：コードは0x27なのにディスプレイは0x3F、というケースです。スキャナースケッチで本当のアドレスを調べてください。
• 古い数字が残る：100から99に減った数値が990と表示されます。数値のあとにスペースをいくつか表示してください。lcd.clear()でも直りますが遅く、ループの中で頻繁に呼ぶと画面がちらつきます。
• アクセント付きの文字が化ける：ディスプレイの文字テーブルにない文字です。カスタム文字を定義するか、使わないようにしてください。
• 文字がランダムに乱れる：長くたるんだ配線や、モーターのようなノイズの多い部品がI2Cバスを乱すことがあります。配線は短くし、モーターは別の電源から給電してください。

ディスプレイとセンサーを組み合わせるのが、初めての本格的なプロジェクトを作るいちばんの近道です。BlueGraysアプリには、回路図とすぐに使えるコードが付いたI2C LCDのプロジェクトが数十個あります。つまみで値を変えたいときはポテンショメーターとは？が役に立ちます。