原標題：基于 Nokia 5110 的 Raspberry Pi Hat（原理圖+PCB+代碼+CAD）

Nokia 5110 顯示模塊 Raspberry Pi HAT 設計方案

一、設計概述本方案基于 Nokia 5110 PCD8544 驅動的液晶顯示模塊（分辨率 84×48 像素），通過 SPI 接口與 Raspberry Pi 進行通訊，制作為標準的 Pi HAT 形態，可直接插入 40 針 GPIO 接口，實現靈活的圖形顯示功能。方案包括完整的原理圖、PCB 布局、軟硬件代碼以及 KiCad CAD 文件。

電路框圖

模塊間信號說明：

• SPI 數據線（SCLK, MOSI, CE）由 Pi 提供，74HC4050 轉換后驅動 PCD8544。

• 重置和數據/命令選擇（RST, DC）由 Pi 通過 GPIO 控制。

• 背光控制（BL）通過 NPN 晶體管開關驅動，提供 PWM 調光方案。

二、原理圖設計

本節詳細列出各元器件型號、作用及選用理由。

1. U1：Nokia 5110 液晶顯示模塊

• 型號：PCD8544 驅動，84×48 點陣，Adafruit 產品 ID 338（或等效國產模塊）。

• 功能：核心顯示單元，負責像素驅動和命令解析。

• 選型理由：該芯片成熟度高、資源豐富，低功耗，易于在 Raspberry Pi 上調用開源庫。

2. J1：40 針直插式母座

• 型號：Samtec TSW-120-07-L-D（2×20，2.54mm 間距）。

• 功能：連接 Raspberry Pi GPIO，總線信號傳輸通道。

• 選型理由：針腳排布符合 Pi HAT 標準，焊接牢固，材料耐高溫，兼容性好。

3. U2：74HC4050PW 六通道電平轉換器

• 型號：Texas Instruments SN74HC4050PW。

• 功能：將 3.3V TTL 信號穩定傳輸；提升信號驅動能力，增強抗干擾性能。

• 選型理由：該芯片支持 6 路電平轉換，響應速度快（典型 25ns），功耗低，封裝小巧，適合緊湊 PCB。

4. Q1：2N3904 NPN 晶體管

• 型號：Diodes Inc. 2N3904（SOT-23）。

• 功能：背光 LED（D1）開關控制，實現 PWM 調光。

• 選型理由：通用性高、成本低、開關速度快，能滿足背光亮度控制需求。

5. D1：背光 LED

• 型號：OSRAM LY T 361-G（5630, 20mA）。

• 功能：為 LCD 提供均勻背光，提高顯示對比度。

• 選型理由：壽命長、亮度高、封裝標準，配合 PWM 調光可實現護眼模式。

6. R1：10kΩ 線性可調電阻（對比度調節）

• 型號：Bourns 3314J-1-103（0805）。

• 功能：調節 LCD 對比度，通過調節 V0 引腳電壓影響顯示效果。

• 選型理由：精度 ±10%、尺寸小，適合貼片安裝，使用壽命長，調節平滑。

7. C1, C2：去耦電容

• 型號：Murata GRM21BR71H104KA01L（0.1μF, 0402）。

• 功能：為芯片提供穩定電源，濾除電源紋波，防止信號抖動。

• 選型理由：高頻性能佳，封裝小，貼片可靠。

8. C3：背光濾波電容

• 型號：Murata GRM31CR61H106KA12L（10μF, 1206）。

• 功能：背光電源濾波，平滑 PWM 驅動電流。

• 選型理由：容量大、耐壓高，支持背光高頻開關。

三、PCB 布局與布線

1. 板層結構：雙面板，頂層信號線、底層地平面。

2. 元件布局：40 針母座靠板邊，顯示模塊區域置于頂層中央，背光 LED 及對比度電阻置于顯示模塊附近。

3. 走線規范：SPI 高速線寬 10mil，阻抗匹配；關鍵信號線最短，避免交叉；地線匯聚接地框，確保可靠接地。

4. 電源布線：3.3V 電源軌加大銅箔寬度，背光電流預留足夠銅厚；電源入口處增加防反接二極管 D2（型號 SS14）。

5. 過孔與測試點：在 GND、3.3V、SPI 以及 RST、DC 上增加測試點，方便調試。

四、軟件設計（Python + spidev）

import RPi.GPIO as GPIO
import spidev
import time

# 引腳定義
RST_PIN = 17
DC_PIN = 25
BL_PIN = 18
SPI_BUS = 0
SPI_DEVICE = 0

# 初始化 GPIO
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.setup(RST_PIN, GPIO.OUT)
GPIO.setup(DC_PIN, GPIO.OUT)
GPIO.setup(BL_PIN, GPIO.OUT)

# 初始化 SPI
spi = spidev.SpiDev()
spi.open(SPI_BUS, SPI_DEVICE)
spi.max_speed_hz = 4000000

# 復位顯示
GPIO.output(RST_PIN, GPIO.LOW)
time.sleep(0.1)
GPIO.output(RST_PIN, GPIO.HIGH)

# 發送命令函數
def send_command(cmd):
    GPIO.output(DC_PIN, GPIO.LOW)
    spi.writebytes([cmd])

# 發送數據函數
def send_data(data):
    GPIO.output(DC_PIN, GPIO.HIGH)
    spi.writebytes(data)

# 初始化 PCD8544
def init_display():
    send_command(0x21) # 進入擴展指令集
    send_command(0xB1) # 設置對比度
    send_command(0x04) # 溫度系數
    send_command(0x14) # 設置 LCD 分頻比
    send_command(0x20) # 進入基本指令集
    send_command(0x0C) # 正常顯示模式

# 清屏
def clear_display():
    send_data([0x00]*504)

# 主函數示例
if __name__ == '__main__':
    init_display()
    clear_display()
    # 繪制簡單圖案
    send_data([0xFF if i%2==0 else 0x00 for i in range(504)])
    time.sleep(5)
    clear_display()
    spi.close()
    GPIO.cleanup()

五、KiCad CAD 設計說明

• 庫文件：自定義元件庫 NOKIA5110.lib, 封裝庫 NOKIA5110.pretty

• 原理圖文件：Nokia5110_HAT.sch

• PCB 文件：Nokia5110_HAT.kicad_pcb

• 布局優化：使用 45° 走線、焊盤圓滑過渡、絲印清晰。

六、總結本設計充分考慮電路可靠性、信號完整性及用戶使用體驗，選用成熟的元器件型號，提供完整的軟硬件實現及 CAD 文件，能夠快速部署到生產，適用于開發板顯示、信息提示、簡易游戲等多種應用場景。