第12章 Raspberry Pi I²C 通訊完整教學：I²C Scanner 與 LCD1602 顯示器

發布日期：2026-10-03 ｜更新日期：2026-10-03

上一章我們完成：

DHT22
  │
  ├── Temperature
  └── Humidity
        ↓
    Raspberry Pi
        ↓
      Python

資料目前主要顯示在：

Terminal

但真正的獨立式電子設備，不一定會接：

HDMI Monitor
Keyboard
SSH Terminal

因此這一章，我們要增加：

LCD1602

讓 Raspberry Pi 可以直接顯示：

Temp: 27.5 C
Humi: 63.2 %

而 LCD1602 如果使用傳統 Parallel Interface，可能需要很多 GPIO。

加入：

I²C Backpack

之後，主要通訊只需要：

SDA
+
SCL

兩條 Signal Line。

I²C 的重要優點之一，就是一個 Controller 能透過兩條 Bus 線和多個具有不同位址的 Peripheral 通訊。

1. I²C 是什麼？

I²C：

Inter-Integrated Circuit

是一種同步式序列通訊 Bus。

典型架構：

Raspberry Pi
I²C Controller
     │
     ├──── SDA ───────────────┐
     │                        │
     └──── SCL ───────────────┤
                              │
           ┌──────────────────┼─────────┐
           │                  │         │
        Sensor             LCD       RTC
       0x76               0x27      0x68

多個裝置可以共用同一組 SDA / SCL，只要位址設計沒有衝突。TI 的 I²C 說明文件也以單一 Controller 加多個 Target Device 的兩線架構說明 I²C 的主要優點。

2. Master / Slave 和 Controller / Target

較舊的 I²C 文件常使用：

Master
Slave

現代技術文件也常改稱：

Controller
Target

本章主要使用：

Raspberry Pi
=
Controller

LCD / Sensor
=
Target Device

閱讀舊 Datasheet 時看到 Master / Slave，概念基本上仍對應同一類角色。

3. I²C 只有兩條主要訊號線

兩條核心 Signal：

SDA
SCL

SDA

Serial Data。

負責：

Address
Data
ACK / NACK

等資料。

SCL

Serial Clock。

由通訊時序控制端產生 Clock，協調資料傳輸。

I²C 是雙線式 Bidirectional Bus；TI 的 I²C 官方說明也將 SDA 與 SCL 視為主要的兩條 Bus 線。

4. Raspberry Pi 標準 I²C Pin

Raspberry Pi 40-pin Header 的主要 I²C：

SDA
=
GPIO2
=
Physical Pin 3

以及：

SCL
=
GPIO3
=
Physical Pin 5

Raspberry Pi 官方 GPIO 文件確認 GPIO2 / GPIO3 是標準 I²C Data / Clock Pin，並且這兩支腳位具有固定 Pull-up。

5. 本章 Pin Table

Raspberry Pi I²C Pin 對照表
功能	BCM GPIO	Physical Pin
I²C SDA	GPIO2	Pin 3
I²C SCL	GPIO3	Pin 5
3.3V	—	Pin 1 / 17
5V	—	Pin 2 / 4
GND	—	Pin 6 等

Raspberry Pi GPIO 的一般邏輯電壓為 3.3V；GPIO2 與 GPIO3 的 I²C Pull-up 也屬於 Raspberry Pi 的 3.3V Domain。

6. I²C 和 UART 有什麼不同？

UART：

TX
RX

通常屬於 Point-to-point Serial Communication。

I²C：

SDA
SCL

可以在同一個 Bus 上掛：

Device A
Device B
Device C
Device D

靠：

I²C Address

辨識要和哪一個裝置通訊。

7. I²C 和 SPI 有什麼不同？

SPI 常見：

MOSI
MISO
SCLK
CS

每個 Target 通常還需要 Chip Select。

I²C 則主要共用：

SDA
SCL

並使用：

Address

識別裝置。

因此大量低速 Sensor、RTC、GPIO Expander 很常使用 I²C。Raspberry Pi 官方目前也將 I²C 描述為適合 Sensor、RTC 等低速 Peripheral 的硬體通訊介面。

8. I²C Address 是什麼？

假設：

LCD = 0x27
RTC = 0x68
Sensor = 0x76

Controller 可以送：

Address = 0x27

表示：

接下來我要和 LCD 通訊。

所以同一個 Bus：

SDA + SCL

能掛很多裝置的核心原因就是：

Addressing

9. I²C 常見使用 7-bit Address

Linux 與大部分 Raspberry Pi Python Library，通常使用：

7-bit I²C Address

例如：

0x20
0x27
0x3F
0x68

PCF8574 Datasheet 有時也會列出包含 R/W Bit 的 8-bit Read / Write Address，因此閱讀 Datasheet 時要注意不要把 8-bit Address 直接當 Linux 的 7-bit Address 使用。TI PCF8574 資料表的 Address Reference 就同時呈現了 Write/Read 形式。

10. 0x27 是十六進位

例如：

0x27

其中：

0x

表示：

Hexadecimal

也就是十六進位。

I²C Tool 與 Datasheet 通常用 Hex 顯示 Address。

所以：

和：

0x27

不是在所有情況下都表示同一個數字。

11. 為什麼 I²C 需要 Pull-up？

I²C SDA / SCL 使用 Open-drain 類型的 Bus 概念。

裝置主要會：

主動拉 LOW

或：

Release Bus

Bus 回 HIGH 需要 Pull-up Resistor 完成。TI 的 I²C 原理文件專門將 Open-drain 與 Pull-up 說明為 I²C 雙向通訊的核心電氣特性。

12. I²C 不是一般 Push-pull HIGH

可以想成：

Device
  │
  ├── 拉 LOW
  │
  └── 放開

而：

Pull-up
   │
   ▼
Bus HIGH

這就是為什麼：

I²C Level Shifter 必須適合 Open-drain Bidirectional Bus。

不能隨便拿只適合單方向 Push-pull Signal 的轉換方式套上去。

13. Raspberry Pi GPIO2 / GPIO3 已有 Pull-up

Raspberry Pi 官方文件指出：

GPIO2
GPIO3

具有固定 Pull-up Resistor。

因此在簡單 3.3V I²C Device Lab 中，通常不需要再盲目增加一堆強 Pull-up。

不過完整 I²C Bus 的 Pull-up 設計仍需考慮：

Device 內建 Pull-up
Bus Capacitance
Wire Length
Clock Frequency
Parallel Pull-up

TI 也有專門文件討論 I²C Pull-up Resistor 的計算與速度／功耗取捨。

14. 多塊 Module 都有 Pull-up 會怎樣？

假設：

Module A
4.7kΩ

Module B
4.7kΩ

Module C
4.7kΩ

全部平行接在同一 Bus。

等效 Pull-up Resistance 會下降。

所以：

有 Pull-up

不代表：

越多越好。

大型 I²C Project 應該檢查整條 Bus，而不是只看單一 Module。I²C Pull-up 值本來就需依 Bus 電容與時序條件設計。

15. Raspberry Pi OS 預設要先啟用 I²C

目前 Raspberry Pi OS 可從：

Preferences
→ Control Centre
→ Interfaces
→ I2C

開啟 I²C。

也可以使用：

sudo raspi-config

目前官方 raspi-config 路徑為：

3 Interface Options
    ↓
I5 I2C
    ↓
Yes

啟用後，Raspberry Pi OS 會開啟 ARM I²C Interface 並在開機時載入相關 Kernel Module。

16. 使用 raspi-config 啟用 I²C

執行：

sudo raspi-config

選：

3 Interface Options

再：

I5 I2C

回答：

Yes

完成：

OK
Finish

這是目前 Raspberry Pi 官方提供的標準方法。

17. 也可以檢查 config.txt

Raspberry Pi Device Tree 支援：

dtparam

來啟用 I²C、SPI 等 Interface。官方 config.txt 文件仍將 I²C 列為 dtparam 可控制的硬體功能。

一般初學者建議優先使用：

Control Centre

或：

raspi-config

而不是手動亂改 Boot Configuration。

18. 安裝 i2c-tools

在 Raspberry Pi OS：

sudo apt update

然後：

sudo apt install -y i2c-tools

Debian Trixie 目前提供 i2c-tools Package，其中包含 i2cdetect、i2cget、i2cset、i2ctransfer 等 Linux I²C Utility。

19. 先列出 I²C Bus

推薦先：

i2cdetect -l

而不是立即假設 Bus Number。

i2cdetect 官方 Manpage 明確說明 Bus Number 應該對應 i2cdetect -l 所列出的 Adapter。

20. Raspberry Pi 40-pin 通常使用 Bus 1

現代 Raspberry Pi 的主要 40-pin GPIO2 / GPIO3 I²C 介面通常會以：

i2c-1

出現在 Linux。

RPLCD 的 Raspberry Pi I²C 使用文件也將預設 I²C Port 設為：

port=1

並以 Bus 1 為一般 Raspberry Pi I²C 範例。

但正式程式仍推薦：

先用 i2cdetect -l 確認。

21. 查看 Device Node

可以：

ls -l /dev/i2c-*

若 I²C Interface 正常啟用，通常會看到類似：

/dev/i2c-1

Linux Python 的 SMBus Binding 正是透過 /dev I²C Interface 存取 Kernel I²C Bus。

22. I²C Scanner

確定 Bus 為：

後，可以：

sudo i2cdetect -y 1

i2cdetect 會掃描指定 I²C Bus，並顯示有回應的 Target Address。

23. Scanner 輸出範例

假設 LCD Address：

0x27

可能看到：

0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f
00:
10:
20:                      27
30:
40:
50:
60:
70:

表示：

I²C Device found at 0x27

24. -- 是什麼？

i2cdetect 表格中：

--

表示該 Address 被 Probe，但沒有 Device 回應。

25. UU 是什麼？

如果看到：

UU

表示 Scanner 沒直接 Probe 該 Address，通常是因為該位址已被 Kernel Driver 使用。

Debian i2cdetect Manpage 說明 UU 強烈暗示該地址確實存在 Device，只是目前已由 Driver Claim。

26. i2cdetect 不是完全無風險

這一點很重要。

i2cdetect 並沒有一個所有 I²C Device 都能安全回答的標準「Who are you?」命令。

它會使用不同 SMBus Probe 操作偵測 Device；官方 Manpage 甚至直接警告，對某些裝置掃描可能：

Confuse Device
Cause Data Loss
產生更嚴重結果

因此 Scanner 應該當：

Diagnostic Tool

而不是高頻率一直掃 Bus。

27. 本章簡單 LCD Lab 可以掃嗎？

對只有：

PCF8574 LCD Backpack

的教學 Bus，我們會使用：

sudo i2cdetect -y 1

確認 Address。

但未來如果同一 Bus 掛有：

EEPROM
PMIC
特殊 Controller
已由 Kernel Driver 控制的 Device

不要隨意反覆掃描。

28. LCD1602 是什麼？

LCD1602 表示典型 Character LCD：

16 Characters
×
2 Lines

例如：

Raspberry Pi 5
Temp: 27.5 C

RPLCD 支援常見 HD44780-compatible Character LCD，並可透過 GPIO Parallel 或 I²C Port Expander 控制。

29. 傳統 LCD1602 有很多 Pin

一般 Parallel LCD 需要：

以及：

Power
Contrast
Backlight

如果直接接 GPIO，會占用很多 Pin。

30. I²C Backpack 做什麼？

I²C Backpack 在：

Raspberry Pi

和：

LCD Parallel Interface

之間增加：

I²C I/O Expander

典型使用：

PCF8574

架構：

Raspberry Pi
    │
    │ SDA / SCL
    ▼
 PCF8574
    │
    │ Parallel GPIO
    ▼
 LCD1602

PCF8574 本身就是 8-bit I²C I/O Expander。

31. PCF8574 是什麼？

TI 目前 PCF8574 為：

8-bit
2.5V～5.5/6V class
I²C I/O Expander

它透過 SDA / SCL 提供 8 個 Quasi-bidirectional I/O，可用來把兩條 I²C Bus 轉換成 LCD 所需的 Parallel Control Signal。

32. 為什麼 LCD Backpack 常看到 0x27？

PCF8574 的 7-bit Address 由：

A2
A1
A0

決定。

TI 的 PCF8574 / PCF8574A Address Map 為：

PCF8574
0x20 ～ 0x27

PCF8574A
0x38 ～ 0x3F

所以：

0x27

只是 PCF8574 Address Range 的其中一個位址。

33. 0x3F 又是什麼？

如果 Backpack 使用：

PCF8574A

Address Range 為：

0x38 ～ 0x3F

因此很多教學也會看到：

0x3F

34. LCD Address 不一定是 0x27 或 0x3F

不要直接把程式固定成：

address=0x27

然後 LCD 不動就以為 Raspberry Pi 壞掉。

正確方式：

sudo i2cdetect -y 1

實際掃描。

RPLCD 官方 Getting Started 也要求先找出實際 LCD I²C Address，再建立 CharLCD。

35. Address 焊盤可以修改

很多 PCF8574 Backpack 有：

A0
A1
A2

Solder Jumper。

透過：

Open
Short

改變 Address。

因此同樣外觀的兩塊 LCD：

可能不是同一 Address。

PCF8574 本身就是透過 A2/A1/A0 三個 Hardware Address Input 產生八個可選地址。

36. 同一 Bus 可以接兩個 LCD 嗎？

可以，只要：

LCD1
Address A

與：

LCD2
Address B

不同。

例如：

0x26
0x27

PCF8574 支援八個 Address，PCF8574A 也另有八個 Address。

37. Address Conflict 是什麼？

假設：

LCD1 = 0x27
LCD2 = 0x27

接在：

同一 SDA / SCL

Controller 送：

0x27

兩個 Device 可能同時回應。

這就是：

I²C Address Conflict

通常要：

改 Address
使用 Multiplexer
換 Bus

處理。

38. LCD1602 電壓是一個大陷阱

很多 LCD1602 + Backpack 設計以：

5V

驅動 LCD 與 Backlight。

但 Raspberry Pi GPIO：

3.3V Logic

因此不能只看到：

VCC
GND
SDA
SCL

四個 Pin 就毫不檢查直接接。

39. PCF8574 本身可以 5V 工作

PCF8574 的 Supply Voltage 支援大約：

2.5V ～ 6V

範圍。

問題在於：

I²C Logic Threshold 會跟 VCC 有關。

40. PCF8574 在 5V 時的 HIGH Threshold

TI Datasheet 規定：

VIH(min)
=
0.7 × VCC

如果：

VCC = 5V

則：

VIH(min)
=
3.5V

但 Raspberry Pi HIGH：

約 3.3V

因此：

5V PCF8574 並不能在 Datasheet 規格上保證 3.3V HIGH 一定被判定為 HIGH。

41. 這就是為什麼「我的 LCD 直接接也能用」不等於設計正確

某些 Module：

實際上可能能工作。

但：

能亮

和：

符合 Worst-case Electrical Specification

不是同一件事。

正式教學應避免把：

可能工作

寫成：

保證安全穩定。

PCF8574 的 Datasheet Threshold 就顯示出這個設計餘裕問題。

42. 另一個更危險的問題：Pull-up 到 5V

I²C 是 Open-drain Bus。

如果 Backpack 上 SDA / SCL 的 Pull-up Resistor 被拉到：

5V

那 Bus Release 後 SDA / SCL 就可能往：

5V

上升。

但 Raspberry Pi GPIO 是 3.3V Logic。

因此：

必須確認 Backpack 的 Pull-up 接到哪個電壓。

43. 最安全的 5V LCD I²C 架構

如果 LCD / PCF8574 Backpack 要 5V 運作，本系列推薦：

Raspberry Pi 3.3V Side

GPIO2 SDA ─────┐
GPIO3 SCL ─────┤
               │
        Bidirectional
        I²C Level Shifter
               │
               ├──── SDA → LCD Backpack
               └──── SCL → LCD Backpack

Pi side pull-up
→ 3.3V

LCD side pull-up
→ 5V

這樣：

Raspberry Pi Side
=
3.3V

LCD Side
=
5V

兩邊分開。

44. 為什麼必須是 Bidirectional I²C Level Shifter？

因為：

SDA

本身是雙向資料線。

SCL 在某些情況也可能涉及 Clock Stretch 等雙向 Open-drain 行為。

因此 Level Shifter 必須適合：

I²C Open-drain Bidirectional Bus。

RPLCD 文件也明確提醒 3.3V Raspberry Pi 與 5V I²C Backpack 之間可能需要支援 I²C 的 Level Shifter，以避免可靠度甚至硬體損壞問題。

45. 本章不推薦的接法

不要直接教學成：

Pi 5V
  │
LCD VCC

Pi GPIO2
  │
LCD SDA

Pi GPIO3
  │
LCD SCL

卻完全不檢查：

Backpack Pull-up Voltage
PCF8574 Supply
Logic Threshold

這種「四條線直接插」雖然網路上非常常見，但缺少重要的電氣安全條件。

46. 如果 Backpack 已確認 3.3V Compatible 呢？

如果製造商明確標示：

Raspberry Pi compatible
3.3V logic

並且：

SDA/SCL 不會被 Pull-up 到 5V

就可以依該 Module 的官方 Wiring 使用。

關鍵不是：

所有 LCD 都一定要 Level Shift

而是：

先確認電氣規格，再接。

47. 本章建議硬體架構

為了教材安全，本章採：

Raspberry Pi 5
        │
        │ 3.3V I²C
        ▼
Bidirectional
I²C Level Shifter
        │
        │ 5V I²C
        ▼
PCF8574 Backpack
        │
        ▼
LCD1602

這樣後續程式不會因為硬體電壓設計而模糊。

48. Level Shifter 接線概念

Pi Side：

LV
→ 3.3V

GND
→ Pi GND

LV1
↔ SDA GPIO2

LV2
↔ SCL GPIO3

LCD Side：

HV
→ 5V

GND
→ Common GND

HV1
↔ LCD SDA

HV2
↔ LCD SCL

實際模組 Label 可能不同：

LV1/HV1
TXS...
A/B

請依 Level Shifter Datasheet 接線。

49. 一定要 Common Ground

Raspberry Pi、Level Shifter、LCD：

GND

必須有共同 Reference。

架構：

Pi GND
   │
   ├── Level Shifter GND
   │
   └── LCD GND

否則兩側 Signal Voltage 沒有共同參考基準。

50. LCD Backlight 亮不代表 I²C 成功

這也是初學常見誤判。

如果：

LCD Backlight ON

只代表：

Power

可能有供電。

不代表：

SDA
SCL
Address
Python Library

都正確。

51. 第一個測試永遠先跑 Scanner

在寫 Python 前：

i2cdetect -l

確認 Bus。

然後：

sudo i2cdetect -y 1

確認 LCD Address。

如果 Scanner 都看不到：

0x20～0x27

或：

0x38～0x3F

先不要 Debug Python。

PCF8574 / PCF8574A 的 7-bit Address Range 就位在上述範圍。

52. Scanner 完全沒有 Device

例如全部：

--

先檢查：

I²C enabled?
SDA?
SCL?
GND?
Power?
Level Shifter?
LCD Backpack?

而不是先：

pip install 5 個 LCD Library

53. SDA / SCL 接反會怎樣？

如果：

GPIO2 SDA

接到：

LCD SCL

而：

GPIO3 SCL

接：

LCD SDA

Bus 通常不會正常通訊。

所以記：

SDA → SDA
SCL → SCL

不像 UART：

TX → RX
RX → TX

I²C 不交叉。

54. Python 選用 RPLCD

本章 LCD Python Library 使用：

RPLCD

目前 PyPI 的 RPLCD 1.4.0 支援 Python 3，支援 HD44780-compatible Character LCD，而且 I²C Mode 支援 PCF8574、MCP23008、MCP23017 等 Port Expander。

55. 為什麼 RPLCD 適合 Pi 5 I²C？

I²C Mode 使用：

Linux SMBus / I²C

而不是依賴 Raspberry Pi 5 不相容的舊 Direct GPIO Register Access。

RPLCD I²C Source 會優先使用 smbus，找不到時使用 smbus2，並透過指定 I²C Port 開啟 Bus。

56. smbus2

smbus2 是 Pure Python SMBus / Linux I²C Library，目前 PyPI 最新版為 0.6.1，發布於 2026 年 4 月，支援 Python 3 並提供 SMBus 與完整 I²C transaction API。

本章使用：

RPLCD
+
smbus2

57. 建立 Chapter 12 Project

cd ~

建立：

mkdir -p raspberrypi-course/chapter12

進入：

cd raspberrypi-course/chapter12

58. 建立 Virtual Environment

現代 Raspberry Pi OS 使用 pip Package 時，延續前面章節的 Project venv：

python3 -m venv .venv \
  --system-site-packages

啟動：

source .venv/bin/activate

59. 安裝 Python LCD Library

在：

(.venv)

中：

python -m pip install \
  --upgrade \
  RPLCD \
  smbus2

RPLCD 官方目前支援使用 smbus2 作為 I²C Backend，而 smbus2 官方 PyPI 安裝方式就是 pip。

60. 再確認 Scanner Address

假設：

sudo i2cdetect -y 1

結果是：

則：

LCD_ADDRESS = 0x27

如果是：

3f

則：

LCD_ADDRESS = 0x3F

不要硬套別人的 Address。

61. 第一支 LCD1602 Python 程式

建立：

nano lcd_hello.py

程式：

from RPLCD.i2c import CharLCD


LCD_ADDRESS = 0x27


lcd = CharLCD(
    i2c_expander="PCF8574",
    address=LCD_ADDRESS,
    port=1,
    cols=16,
    rows=2,
    auto_linebreaks=False
)


try:
    lcd.clear()

    lcd.write_string(
        "Raspberry Pi 5"
    )

    lcd.cursor_pos = (
        1,
        0
    )

    lcd.write_string(
        "I2C LCD Ready"
    )

finally:
    lcd.close(
        clear=False
    )

RPLCD 官方 I²C API 使用 CharLCD 建立 PCF8574 LCD，並支援指定 Address、Port、Columns、Rows；文字使用 write_string()，游標則使用 (row, col) 格式的 cursor_pos。

62. 執行程式

python lcd_hello.py

預期：

Raspberry Pi 5
I2C LCD Ready

63. lcd.clear()

lcd.clear()

會清除畫面並讓 Cursor 回到開始位置。這是 RPLCD 官方提供的 Display Method。

64. write_string()

lcd.write_string(
    "Hello"
)

就是向 Character LCD 寫入文字。

RPLCD 官方 API 以 write_string() 寫 Unicode String 到顯示器。

65. cursor_pos

例如：

lcd.cursor_pos = (
    1,
    0
)

表示：

Row 1
Column 0

也就是第二行第一個 Character Position。RPLCD 的 Cursor Position 使用 (row, col) Tuple。

66. 為什麼第二行是 Row 1？

Python / RPLCD Index：

第一行
=
Row 0

第二行
=
Row 1

所以：

(1, 0)

代表：

第二行第一格。

67. LCD1602 每行只有 16 個字元

例如：

1234567890123456

就是：

16 Columns

所以設計 UI 時應該儘量控制字串長度。

不要直接把很長 Terminal Message 全塞進 16×2 LCD。

68. 顯示器通常不能直接顯示任意中文字

HD44780-compatible Character LCD 使用固定 Character ROM / Character Map，不是一般 Unicode Graphic Display。

RPLCD 支援 A00、A02、ST0B 等 Character Map，另外 HD44780 類顯示器也只有少量自訂 Character Slot。

因此本章 LCD 顯示採：

英文
數字
符號

比較可靠。

69. 溫度符號 ° 可能受 Character Map 影響

不同 LCD Clone：

A00
A02
ST0B

Character Map 可能不同。

如果：

°

顯示錯誤，最簡單做法就是：

27.5 C

而不是硬依賴某個特殊 Character。

RPLCD 官方也提醒 Character Map 必須配合實際 LCD Controller。

70. LCD 只有 Backlight、沒有文字

這是非常常見的情況。

先檢查：

Contrast Potentiometer

PCF8574 Backpack 通常有一顆：

Blue Potentiometer

調整 LCD Contrast。

如果 Contrast 太低或太高：

Backlight 亮
但是看不到正常文字

71. 一排黑方塊代表什麼？

如果 LCD：

有電
有 Contrast

但 Controller 尚未正確初始化，常會看到：

████████████████

這通常應優先檢查：

I2C Communication
Address
Backpack Pin Mapping
Library

而不是認為 LCD Glass 已經壞掉。

72. RPLCD 的 PCF8574 Pin Mapping 不一定適合所有 Backpack

RPLCD 預設 PCF8574 Mapping 為：

P7 D7
P6 D6
P5 D5
P4 D4
P3 BL
P2 EN
P1 RW
P0 RS

如果你的 Backpack PCB 使用完全不同 Wiring，可能：

i2cdetect 看得到
但 LCD 還是不顯示。

這時需要查 Backpack Schematic。

73. Scanner 找得到代表哪一層成功？

如果：

i2cdetect -y 1

看到：

代表大致：

Raspberry Pi
→ I²C Bus
→ PCF8574

已能通訊。

但尚未證明：

PCF8574
→ LCD1602

Mapping、Contrast、LCD 初始化一定正確。

74. 分層 Debug 非常重要

LCD 不顯示時應拆成：

Layer 1
Power

Layer 2
SDA / SCL

Layer 3
I²C Address

Layer 4
PCF8574

Layer 5
LCD Pin Mapping

Layer 6
Contrast

Layer 7
Python UI

不要所有問題都歸咎：

Python。

75. 不要使用 i2cset 亂寫未知 Device

i2cset 可以直接寫 I²C Device Register / Data。

Debian 官方 Manpage 明確警告，強制或錯誤寫入可能混亂 Kernel Driver 或對裝置寫錯資料。

所以初學：

i2cdetect

用來找 Address，

LCD 控制交給：

RPLCD

即可。

76. 更新 LCD 不要每次都亂 clear()

例如每 0.1 秒：

lcd.clear()
lcd.write_string(...)

可能造成：

Flicker

更好的方法：

固定 Cursor
+
寫固定 16 字元

避免畫面不斷全清除。

77. 固定寬度文字

例如：

line1 = (
    f"Temp:{temperature:5.1f} C"
)

line2 = (
    f"Humi:{humidity:5.1f} %"
)

再補到 16 字元：

line1 = line1.ljust(16)[:16]
line2 = line2.ljust(16)[:16]

這可以把舊字元覆蓋乾淨。

78. 建立 LCD Helper Function

def write_line(
    lcd,
    row,
    text
):
    text = (
        text.ljust(16)[:16]
    )

    lcd.cursor_pos = (
        row,
        0
    )

    lcd.write_string(
        text
    )

使用：

write_line(
    lcd,
    0,
    "Raspberry Pi 5"
)

write_line(
    lcd,
    1,
    "I2C Ready"
)

79. 顯示 IP Address

前面 Network Chapter 學過：

hostname -I

Python 也可以取得系統網路資訊，再顯示：

IP:
192.168.1.120

這讓 Headless Raspberry Pi 很方便，開機後就能從 LCD 看 IP。

80. 現在整合第 11 章 DHT22

架構：

DHT22
 GPIO4
   │
   ▼
Python
   │
   ├── Terminal
   │
   └── I²C LCD1602
          │
          ▼
   Temperature
   Humidity

I²C LCD 使用：

GPIO2
GPIO3

DHT：

GPIO4

所以 Pin 不衝突。

81. Chapter 12 Pin Assignment

第 12 章 I²C LCD1602 與 DHT22 Pin Assignment
功能	BCM	Physical
LCD SDA	GPIO2	Pin 3
LCD SCL	GPIO3	Pin 5
DHT22 DATA	GPIO4	Pin 7
GND	—	Pin 6 等
3.3V DHT	—	Pin 1
5V LCD side	—	Pin 2 / 4
Level Shifter LV	3.3V	Pi Side
Level Shifter HV	5V	LCD Side

Raspberry Pi I²C Pin 與 3.3V GPIO Domain 皆來自官方 GPIO 定義。

82. Python Package

如果延續第 11 章：

adafruit-blinka
adafruit-circuitpython-dht

再增加：

RPLCD
smbus2

可以在同一 Project venv：

python -m pip install \
  adafruit-blinka \
  adafruit-circuitpython-dht \
  RPLCD \
  smbus2

smbus2 與 RPLCD 目前皆提供 Python 3 支援。

83. DHT22 + LCD1602 完整程式

import time
from datetime import datetime

import adafruit_dht
import board

from RPLCD.i2c import CharLCD


LCD_ADDRESS = 0x27
LCD_PORT = 1

DHT_PIN = board.D4

READ_INTERVAL = 2


lcd = CharLCD(
    i2c_expander="PCF8574",
    address=LCD_ADDRESS,
    port=LCD_PORT,
    cols=16,
    rows=2,
    auto_linebreaks=False
)

dht = adafruit_dht.DHT22(
    DHT_PIN,
    use_pulseio=False
)


def write_line(
    row,
    text
):
    text = (
        text.ljust(16)[:16]
    )

    lcd.cursor_pos = (
        row,
        0
    )

    lcd.write_string(
        text
    )


def show_environment(
    temperature,
    humidity
):
    line1 = (
        f"Temp:{temperature:5.1f} C"
    )

    line2 = (
        f"Humi:{humidity:5.1f} %"
    )

    write_line(
        0,
        line1
    )

    write_line(
        1,
        line2
    )


try:
    lcd.clear()

    write_line(
        0,
        "Raspberry Pi 5"
    )

    write_line(
        1,
        "Sensor starting"
    )

    time.sleep(2)

    while True:
        try:
            temperature = (
                dht.temperature
            )

            humidity = (
                dht.humidity
            )

            now = datetime.now()

            print(
                now.strftime(
                    "%Y-%m-%d %H:%M:%S"
                )
            )

            print(
                f"Temperature: "
                f"{temperature:.1f} C"
            )

            print(
                f"Humidity: "
                f"{humidity:.1f} %"
            )

            print(
                "-" * 30
            )

            show_environment(
                temperature,
                humidity
            )

        except RuntimeError as error:
            print(
                "Temporary DHT error:",
                error
            )

            write_line(
                0,
                "Sensor read err"
            )

            write_line(
                1,
                "Retrying..."
            )

        time.sleep(
            READ_INTERVAL
        )

except KeyboardInterrupt:
    print(
        "\nMonitor stopped."
    )

finally:
    dht.exit()

    lcd.close(
        clear=True
    )

RPLCD 的 CharLCD、write_string()、cursor_pos、clear() 與 close() 都屬官方 Library API。

84. LCD 畫面

正常時：

Temp: 27.5 C
Humi: 63.2 %

如果 DHT 暫時失敗：

Sensor read err
Retrying...

下一次成功讀取後：

Temp: 27.6 C
Humi: 63.1 %

就會恢復。

85. 不要每次 Sensor Error 就關掉整個 LCD

DHT 偶發讀取失敗在前一章已經設計成：

Retry

所以 LCD 也應該：

顯示 Error
↓
等下一次 Sensor Read
↓
自動恢復

這比整支 Python Script Crash 更適合長期 Monitor。

86. 加入 Normal / Warning 狀態

可以把第二行改成：

T:32.5 H:68%
WARNING

但 LCD1602 只有：

16 × 2

所以 UI 必須精簡。

例如：

def get_status(
    temperature
):
    if temperature >= 35:
        return "DANGER"

    if temperature >= 30:
        return "WARNING"

    return "NORMAL"

87. 狀態 LCD

line1 = (
    f"T:{temperature:4.1f} "
    f"H:{humidity:4.1f}"
)

line2 = (
    f"State:{status}"
)

例如：

T:32.4 H:68.2
State:WARNING

這就是一個真正獨立的小型環境監測器。

88. LCD 顯示不要當歷史資料庫

LCD 適合：

Current Value
Current Status

不適合保存：

昨天
上週
一個月

歷史資料。

歷史記錄留給後面：

SQLite

處理。

89. 多個 I²C Sensor 可以一起使用

未來可以在同一 SDA / SCL 增加：

RTC
Pressure Sensor
ADC
OLED
I/O Expander

只要：

Logic Voltage 相容。
Address 不衝突。
Pull-up 合理。
Bus Capacitance 可接受。
Software Driver 正確。

I²C 的兩線多 Peripheral 架構正是該 Bus 的核心優點。

90. I²C Bus 太長會有問題嗎？

會。

I²C 並不是設計成：

幾十公尺 Sensor Network

的長距離 Bus。

線越長：

Capacitance
Noise
Rise Time

越容易影響 Signal Integrity。

Pull-up Resistance、Bus Capacitance 與 Clock Speed 本來就共同決定 I²C Rise Time。

91. 長距離環境監測怎麼辦？

更適合考慮：

RS-485
CAN
Ethernet
Wi-Fi
MQTT
Industrial Fieldbus

而不是把 I²C 線一路拉到另一個房間。

92. Remote I/O Error 是什麼？

Python 若出現類似：

OSError:
[Errno 121]
Remote I/O error

通常表示 Linux I²C Transaction 沒有得到預期 Device 回應。

優先檢查：

Address
Power
SDA
SCL
GND
Logic Level
Device State

而不是先重灌 Python。

93. Address 錯誤

如果 Scanner：

3f

程式：

LCD_ADDRESS = 0x27

當然找不到正確 Device。

所以遵守：

Scanner Result
↓
Program Address

不要：

網路文章 Address
↓
直接 Copy。

94. Scanner 找得到但 Python Permission Denied

確認：

ls -l /dev/i2c-1

以及：

groups

不同 Raspberry Pi OS / 安裝環境可能有不同 Device Permission Policy。

不要第一步就把：

/dev/i2c-1

改成世界可寫：

chmod 777

那不是正確權限管理方式。

95. LCD 出現亂碼

檢查：

Address
PCF8574 Pin Mapping
Character Map
Power Stability
I²C Signal
Level Shifter
LCD Controller Compatibility

RPLCD 支援 A00、A02 與 ST0B Character Map，可依實際 LCD Controller 選擇。

96. LCD 一直閃

可能原因：

程式一直 clear()

例如：

while True:
    lcd.clear()

每次 Update 都 Clear 整個 Display。

更好的方式：

固定 Cursor
+
覆寫 16 Characters

97. I²C Debug 標準流程

建議順序：

1. Power
      ↓
2. Voltage Compatibility
      ↓
3. Common GND
      ↓
4. SDA / SCL
      ↓
5. I²C Enabled
      ↓
6. i2cdetect -l
      ↓
7. i2cdetect -y BUS
      ↓
8. Address
      ↓
9. Python Library
      ↓
10. LCD Mapping / Contrast

這樣效率最高。

98. 本章常用 Linux 指令

第 12 章常用 Linux 指令
指令	功能
sudo raspi-config	啟用 I²C
sudo apt install i2c-tools	安裝 I²C Utility
i2cdetect -l	列出 I²C Bus
sudo i2cdetect -y 1	掃描 Bus 1
ls -l /dev/i2c-*	查看 I²C Device Node
python -m pip install RPLCD smbus2	安裝 LCD Python Library

Raspberry Pi 官方目前的 I²C Enable 項目位於 3 Interface Options > I5 I2C，Debian Trixie 也持續提供 i2c-tools。

99. RPLCD API 速查

RPLCD API 速查表
API	功能
CharLCD()	建立 LCD
address=	I²C Address
port=1	I²C Bus
cols=16	16 Columns
rows=2	2 Rows
clear()	清畫面
write_string()	寫文字
cursor_pos	游標位置
home()	回原點
backlight_enabled	Backlight 控制
close()	關閉 LCD Object

這些功能皆由 RPLCD I²C CharLCD API 提供。

100. 本章重點整理

完成本章後，應掌握：

I²C 是兩線式同步 Serial Bus。
主要訊號為 SDA 與 SCL。
一組 I²C Bus 可以連多個具有不同 Address 的 Device。
Raspberry Pi 標準 SDA 使用 GPIO2 / Physical Pin 3。
Raspberry Pi 標準 SCL 使用 GPIO3 / Physical Pin 5。
GPIO2 / GPIO3 有固定 Pull-up。
Raspberry Pi GPIO 屬於 3.3V Logic。
I²C 使用 Open-drain / Pull-up Bus 架構。
Pull-up 不代表越多越好。
I²C 常使用 7-bit Address。
Linux 通常以十六進位顯示 I²C Address。
Raspberry Pi OS 目前可由 Control Centre 啟用 I²C。
raspi-config 的 I²C 項目為 3 Interface Options > I5 I2C。
i2c-tools 包含 i2cdetect。
i2cdetect -l 可以列出 Bus。
i2cdetect -y 1 可掃描 Bus 1。
-- 表示沒有 Device 回應。
UU 通常代表 Address 已由 Kernel Driver 使用。
i2cdetect 並非對所有 Device 完全無風險。
Scanner 應主要作為 Diagnostic Tool。
LCD1602 是典型 16×2 Character Display。
I²C Backpack 可以大幅減少 LCD 所需 GPIO。
PCF8574 是 8-bit I²C I/O Expander。
PCF8574 7-bit Address Range 是 0x20～0x27。
PCF8574A Range 是 0x38～0x3F。
0x27 不是所有 LCD 的固定 Address。
0x3F 也不是所有 LCD 的固定 Address。
A0/A1/A2 可以改變 PCF8574 Address。
同一 Bus 的 Device Address 不應衝突。
LCD Backlight 亮不等於 I²C 通訊成功。
PCF8574 可在約 2.5～6V VCC 工作。
PCF8574 VIH 最低規格為 0.7×VCC。
PCF8574 若在 5V，VIH(min) 為 3.5V。
Raspberry Pi 約 3.3V HIGH 不滿足 3.5V Worst-case Threshold。
5V LCD Backpack 不能無條件視為 3.3V-safe。
SDA/SCL 如果被 Pull-up 到 5V，對 Pi 3.3V GPIO 不安全。
3.3V / 5V I²C 系統可使用 Bidirectional I²C Level Shifter。
Level Shifter Pi Side Pull-up 應為 3.3V。
5V Device Side 可維持其 5V Domain。
兩側需要 Common Ground。
RPLCD 也提醒 5V Backpack 與 Raspberry Pi 可能需要 I²C Level Shifter。
本章 Python 使用 RPLCD。
RPLCD I²C Mode 支援 PCF8574。
RPLCD 支援 16×2、20×4 等 Character Display Config。
RPLCD 可使用 smbus2。
smbus2 目前持續維護並支援 Python 3。
write_string() 可寫入 LCD。
cursor_pos=(row,col) 可以定位文字。
clear() 可以清除畫面。
本章已完成 DHT22 + Raspberry Pi + I²C LCD1602 環境監測系統。

FAQ：Raspberry Pi I²C 與 LCD1602 常見問題

Q1：Raspberry Pi 5 的 I²C SDA 是哪一支 Pin？

GPIO2
=
Physical Pin 3

Q2：I²C SCL 是哪一支？

GPIO3
=
Physical Pin 5

Q3：如何啟用 Raspberry Pi I²C？

sudo raspi-config

選：

3 Interface Options
→ I5 I2C
→ Yes

這是目前 Raspberry Pi 官方方式。

Q4：如何掃描 I²C Device？

先：

i2cdetect -l

找到正確 Bus。

再例如：

sudo i2cdetect -y 1

i2cdetect 是 Debian i2c-tools 提供的 I²C Bus Scanner。

Q5：LCD1602 一定是 0x27 嗎？

不是。

如果 Backpack 使用 PCF8574：

0x20～0x27

如果使用 PCF8574A：

0x38～0x3F

所以應該用 Scanner 確認。

Q6：為什麼有人是 0x3F？

PCF8574A 的 7-bit Address Range 為：

0x38～0x3F

0x3F 是其中一個可能位址。

Q7：可以直接把 5V LCD I²C 接 Raspberry Pi 嗎？

不能無條件這樣做。

Raspberry Pi I²C 是 3.3V GPIO，而 PCF8574 如果以 5V 供電，其 Datasheet 規定 VIH 最低為 0.7×VCC，也就是 3.5V；另外還必須確認 Backpack 的 SDA/SCL Pull-up 是否會拉到 5V。

若無法確認電氣相容性，使用：

Bidirectional I²C Level Shifter

是較安全的設計。

Q8：為什麼 LCD Backlight 有亮但沒有字？

先檢查：

Contrast
I²C Address
SDA
SCL
PCF8574 Mapping
Python Library

Backlight 有電並不能證明 I²C 已經正常。

Q9：LCD 出現黑方塊怎麼辦？

先調 Contrast，再確認：

sudo i2cdetect -y 1

是否看得到 Backpack Address。

如果 Address 看得到，再檢查 Library 與 PCF8574-to-LCD Pin Mapping。

Q10：RPLCD 如何建立 LCD1602？

例如 Address 為 0x27：

from RPLCD.i2c import CharLCD

lcd = CharLCD(
    i2c_expander="PCF8574",
    address=0x27,
    port=1,
    cols=16,
    rows=2
)

這符合 RPLCD I²C API。

Q11：如何寫第二行？

lcd.cursor_pos = (
    1,
    0
)

lcd.write_string(
    "Second line"
)

RPLCD Cursor Position 使用 (row, col)。

Q12：LCD 可以顯示中文嗎？

一般 HD44780-compatible LCD 不是 Unicode Graphic Display，主要使用內建 Character ROM；RPLCD 支援 A00、A02、ST0B 等有限 Character Map。

所以一般 LCD1602 教學建議使用：

ASCII 英文
數字
少量符號

Q13：為什麼 LCD 一直閃？

很可能是程式：

lcd.clear()

呼叫得太頻繁。

建議固定 cursor_pos 後覆寫整行。

Q14：I²C 可以接多個 Sensor 嗎？

可以。

I²C 本來就是讓多個不同 Address Device 共用 SDA / SCL 的 Bus。

Q15：兩個 Device Address 一樣怎麼辦？

需要：

修改其中一個 Address
使用 Address Jumper
使用 I²C Multiplexer
使用另一組 Bus

否則會產生 Address Conflict。

Q16：i2cdetect 可以一直跑嗎？

不建議。

Debian 官方 Manpage 警告它使用 Probe Command 掃描，對部分 Device 可能造成混亂甚至資料損失。

把它當：

安裝
接線
故障排除

時使用的診斷工具即可。

Q17：I²C 可以拉很長的線嗎？

不建議直接把一般 I²C 當長距離 Field Bus。

Bus Length 增加會提高 Capacitance，進而影響 Rise Time 與可用 Clock Speed；I²C Pull-up 設計本來就必須考慮 Bus Capacitance。

Q18：什麼是 Remote I/O error？

通常表示 Linux I²C Transaction 沒有得到 Target 的正常回應。

優先檢查：

Address
Power
SDA
SCL
GND
Voltage Level

Q19：DHT22 可以和 LCD1602 一起用嗎？

可以。

本章：

DHT22
→ GPIO4

LCD I2C
→ GPIO2 / GPIO3

Pin 不衝突。

因此可以建立完整：

Temperature
Humidity
↓
LCD1602

環境監測器。

Q20：下一步 I²C 還能接什麼？

常見可以加入：

BME280
BMP280
RTC DS3231
OLED
ADC
GPIO Expander
EEPROM

只要確認：

Address
Voltage
Driver
Pull-up
Bus Loading

即可逐步擴充。

結語

完成第 12 章後，我們的 Raspberry Pi 已經從：

Sensor
↓
Terminal

進化到：

DHT22
   │
   ├── Temperature
   └── Humidity
          ↓
      Raspberry Pi
          │
          ├── Terminal
          │
          └── I²C
               ↓
            LCD1602

更重要的是，我們真正學會了：

I²C
│
├── SDA
├── SCL
├── Pull-up
├── Address
├── Scanner
├── Level Shifting
└── Multi-device Bus

其中最重要的工程觀念不是：

記住 LCD 是 0x27

而是：

永遠先掃描實際 Address。

也不是：

四條杜邦線接上就好。

而是：

先確認 3.3V / 5V I²C 電氣相容性。

現在我們已經學會一個非常重要的低速 Peripheral Bus。

下一章則要進入另一個完全不同的 Serial Bus：

SPI

SPI 不再依靠 Device Address，而會使用：

MOSI
MISO
SCLK
Chip Select

並且具有較高的資料傳輸能力。

更重要的是，Raspberry Pi 本身沒有 Arduino UNO 那種一般用途 Analog Input。

所以第 13 章我們會用：

MCP3008 ADC

把：

Potentiometer
Analog Sensor

的類比電壓轉成 Raspberry Pi 可以讀取的 Digital Value。

第 13 章 Raspberry Pi SPI 通訊入門：MCP3008 ADC 讀取類比訊號

下一章將完整學習：

SPI 是什麼
MOSI
MISO
SCLK
CE0
CE1
Controller / Peripheral
Full Duplex
SPI 與 I²C 差異
Raspberry Pi SPI0 Pin
GPIO10 MOSI
GPIO9 MISO
GPIO11 SCLK
GPIO8 CE0
GPIO7 CE1
raspi-config
啟用 SPI
/dev/spidev*
Raspberry Pi 為什麼沒有一般 Analog Input
ADC 是什麼
Resolution
10-bit ADC
0～1023
Reference Voltage
MCP3008
MCP3008 CH0～CH7
8-channel ADC
MCP3008 3.3V 接線
Potentiometer
Python spidev
GPIO Zero MCP3008
讀取 0.0～1.0
取得 Raw ADC Value
Voltage Conversion
Moving Average
類比電位器控制 LED Brightness
Analog Sensor Data Logging
SPI Device Not Found
Wiring Debug
3.3V Analog Input Safety

完成第 13 章後，我們的 Raspberry Pi 就會同時具備：

Digital Input
Digital Output
PWM
Digital Sensor
I²C
Analog Input via ADC

讓整套 Raspberry Pi 硬體介面能力再往前跨一大步。

下一步學習

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