原标题：基于 Nokia 5110 的 Raspberry Pi Hat（原理图+PCB+代码+CAD）

Nokia 5110 显示模块 Raspberry Pi HAT 设计方案

一、设计概述本方案基于 Nokia 5110 PCD8544 驱动的液晶显示模块（分辨率 84×48 像素），通过 SPI 接口与 Raspberry Pi 进行通讯，制作为标准的 Pi HAT 形态，可直接插入 40 针 GPIO 接口，实现灵活的图形显示功能。方案包括完整的原理图、PCB 布局、软硬件代码以及 KiCad CAD 文件。

电路框图

模块间信号说明：

• SPI 数据线（SCLK, MOSI, CE）由 Pi 提供，74HC4050 转换后驱动 PCD8544。

• 重置和数据/命令选择（RST, DC）由 Pi 通过 GPIO 控制。

• 背光控制（BL）通过 NPN 晶体管开关驱动，提供 PWM 调光方案。

二、原理图设计

本节详细列出各元器件型号、作用及选用理由。

1. U1：Nokia 5110 液晶显示模块

• 型号：PCD8544 驱动，84×48 点阵，Adafruit 产品 ID 338（或等效国产模块）。

• 功能：核心显示单元，负责像素驱动和命令解析。

• 选型理由：该芯片成熟度高、资源丰富，低功耗，易于在 Raspberry Pi 上调用开源库。

2. J1：40 针直插式母座

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

• 功能：连接 Raspberry Pi GPIO，总线信号传输通道。

• 选型理由：针脚排布符合 Pi HAT 标准，焊接牢固，材料耐高温，兼容性好。

3. U2：74HC4050PW 六通道电平转换器

• 型号：Texas Instruments SN74HC4050PW。

• 功能：将 3.3V TTL 信号稳定传输；提升信号驱动能力，增强抗干扰性能。

• 选型理由：该芯片支持 6 路电平转换，响应速度快（典型 25ns），功耗低，封装小巧，适合紧凑 PCB。

4. Q1：2N3904 NPN 晶体管

• 型号：Diodes Inc. 2N3904（SOT-23）。

• 功能：背光 LED（D1）开关控制，实现 PWM 调光。

• 选型理由：通用性高、成本低、开关速度快，能满足背光亮度控制需求。

5. D1：背光 LED

• 型号：OSRAM LY T 361-G（5630, 20mA）。

• 功能：为 LCD 提供均匀背光，提高显示对比度。

• 选型理由：寿命长、亮度高、封装标准，配合 PWM 调光可实现护眼模式。

6. R1：10kΩ 线性可调电阻（对比度调节）

• 型号：Bourns 3314J-1-103（0805）。

• 功能：调节 LCD 对比度，通过调节 V0 引脚电压影响显示效果。

• 选型理由：精度 ±10%、尺寸小，适合贴片安装，使用寿命长，调节平滑。

7. C1, C2：去耦电容

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

• 功能：为芯片提供稳定电源，滤除电源纹波，防止信号抖动。

• 选型理由：高频性能佳，封装小，贴片可靠。

8. C3：背光滤波电容

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

• 功能：背光电源滤波，平滑 PWM 驱动电流。

• 选型理由：容量大、耐压高，支持背光高频开关。

三、PCB 布局与布线

1. 板层结构：双面板，顶层信号线、底层地平面。

2. 元件布局：40 针母座靠板边，显示模块区域置于顶层中央，背光 LED 及对比度电阻置于显示模块附近。

3. 走线规范：SPI 高速线宽 10mil，阻抗匹配；关键信号线最短，避免交叉；地线汇聚接地框，确保可靠接地。

4. 电源布线：3.3V 电源轨加大铜箔宽度，背光电流预留足够铜厚；电源入口处增加防反接二极管 D2（型号 SS14）。

5. 过孔与测试点：在 GND、3.3V、SPI 以及 RST、DC 上增加测试点，方便调试。

四、软件设计（Python + spidev）

import RPi.GPIO as GPIO
import spidev
import time

# 引脚定义
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

# 复位显示
GPIO.output(RST_PIN, GPIO.LOW)
time.sleep(0.1)
GPIO.output(RST_PIN, GPIO.HIGH)

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

# 发送数据函数
def send_data(data):
    GPIO.output(DC_PIN, GPIO.HIGH)
    spi.writebytes(data)

# 初始化 PCD8544
def init_display():
    send_command(0x21) # 进入扩展指令集
    send_command(0xB1) # 设置对比度
    send_command(0x04) # 温度系数
    send_command(0x14) # 设置 LCD 分频比
    send_command(0x20) # 进入基本指令集
    send_command(0x0C) # 正常显示模式

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

# 主函数示例
if __name__ == '__main__':
    init_display()
    clear_display()
    # 绘制简单图案
    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 设计说明

• 库文件：自定义元件库 NOKIA5110.lib, 封装库 NOKIA5110.pretty

• 原理图文件：Nokia5110_HAT.sch

• PCB 文件：Nokia5110_HAT.kicad_pcb

• 布局优化：使用 45° 走线、焊盘圆滑过渡、丝印清晰。

六、总结本设计充分考虑电路可靠性、信号完整性及用户使用体验，选用成熟的元器件型号，提供完整的软硬件实现及 CAD 文件，能够快速部署到生产，适用于开发板显示、信息提示、简易游戏等多种应用场景。