Как подключить 7-сегментный индикатор к Arduino
Содержание
- 1 Описание сегментного светодиодного индикатора
- 2 Подключение 7-сегментного индикатора непосредственно к Arduino
- 3 Драйвер для управления 7-сегментным индикатором
- 4 Управление 7-сегментным индикатором с помощью драйвера CD4511 и Arduino
- 5 Управление 7-сегментным индикатором с помощью драйвера TM1637 и Arduino
1 Описание сегментного светодиодного индикатора
Индикатор называется 7-сегментным из-за того, что он состоит из семи светодиодов, которые расположены в форме цифры "8". Зажигая определённые сегменты, можно изображать разные цифры. Это похоже на цифры индекса на почтовом конверте: закрашивая определённые участки, мы пишем разные индексы. Зачастую дополнительно к 7-ми сегментам, индикатор содержит десятичную точку. Также индикатор может иметь несколько цифр разрядов. Обычно от одного до 4-х. Сегменты индикатора обозначаются латинскими буквами от A до G, а DP это десятичная точка (decimal point).
Обозначение сегментов 7-, 9-, 14- и 16-сегментных индикаторов
К слову, существуют сегментные индикаторы, число сегментов которых отличается от 7-ми. Так, например, существуют 14- и 16-сегментные индикаторы. Кроме цифр от 0 до 9 они также позволяют выводить буквы. Принцип их работы и управления обычно идентичны таковым для 7-сегментных индикаторов.
Мы в качестве индикатора будем использовать семисегментный индикатор 3361AS-1. Он построен по принципу индикатора с общим катодом. Это значит, что индикатор состоит из нескольких светодиодов в одном корпусе, у которых общая земля, а питание на каждый светодиод подаётся отдельно.
Как не трудно догадаться, существуют индикаторы с общим анодом. У них всё наоборот: общее питание, а для зажигания отдельного светодиода необходимо подать на него нулевой уровень.
2 Подключение 7-сегментного индикатора непосредственно к Arduino
Мы можем подключить индикатор прямо к выводам Arduino. Для этого придётся задействовать сразу 7 ножек (или 8, если нужна десятичная точка). Обратим внимание, что индикатор 3361AS не имеет токоограничивающих резисторов. Необходимо обеспечить наличие сопротивления номиналом около 180220 Ом на каждый вывод индикатора (т.к. питание подаём +5 В от Arduino).
Электрическая схема 7-сегментного индикатора 3361AS
Расположение выводов индикатора показано на иллюстрации:
Размеры корпуса и расположение выводов 7-сегментного индикатора 3361AS
Подключать индикатор будем в соответствии с таблицей. Будет выбран первый разряд, остальные два пока не будем трогать.
| Вывод индикатора 3361AS | Назначение | Вывод Arduino |
|---|---|---|
| 1 | Сегмент E | D6 |
| 2 | Сегмент D | D5 |
| 3 | DP | D9 |
| 4 | Сегмент C | D4 |
| 5 | Сегмент G | D8 |
| 7 | Сегмент B | D3 |
| 8 | Выбор 3-го разряда | 5V |
| 9 | Выбор 2-го разряда | 5V |
| 10 | Сегмент F | D7 |
| 11 | Сегмент A | D2 |
| 12 | Выбор 1-го разряда | GND |
Напишем скетч, который последовательно выводит числа от 0 до 9 на первом разряде индикатора.
Скетч управления индикатором 3361AS (разворачивается)
Небольшое пояснение по поводу массива numbers[] в функции printNumber(). 
Этот массив состоит из 10-ти подмассивов, каждый из которых определяет одну цифру от 0 до 9. В свою очередь подмассивы состоят из 8-ми элементов, которые задают состояния сегментов от A до G и DP. Например, первый подмассив описан как <1,1,1,1,1,1,0,0>и он отвечает за вывод на индикатор нуля. Это означает, что сегменты A,B,C,D,E,F должны гореть, а сегменты G и DP нет.
В результате получаем примерно следующее:
Управление 7-сегментным индикатором с помощью Arduino Nano
И вот так в динамике:
Это самый простой способ управления сегментным индикатором, но, как мы видим, он задействует почти все цифровые ножки Arduino. Особенно если мы решим использовать все разряды индикатора. Тогда кроме ножек для управления сегментами придётся дополнительно использовать столько выводов, сколько разрядов у индикатора. Получится, что для управления 7-сегментным индикатором с 3-мя разрядами необходимо 11 ножек (7 сегментов + 1 десятичная точка + 3 ножки для выбора разряда). Это расточительно, и не всегда можно такое себе позволить.
3 Драйвер для управления 7-сегментным индикатором
Чтобы сократить число задействованных выводов микроконтроллера обычно на практике используются различные решения. Например, популярным способом управления 7-сегментным индикатором является применение микросхемы CD4511 двоично-десятичного преобразователя. Он переводит двоичный код числа в напряжение на соответствующих цифре сегментах индикатора. Такой преобразователь будет использовать всего 4 ножки Arduino. То есть, например, если необходимо отобразить на индикаторе десятичное число 7, необходимо выставить на входе преобразователя двоичное 0111 ("LOW HIGH HIGH HIGH"). Микросхема CD4511 выполняется в разных типах корпусов. Назначение выводов в исполнении с 16-тью ножками, такое:
Выводы двоично-десятичного преобразователя CD4511
Отечественными аналогами данного преобразователя являются микросхемы серий ИД1ИД7. Кстати, отечественные преобразователи изображают цифры "6" и "9", используя 6 сегментов, а зарубежные CD4511 только 5 сегментов.
Разница в выводе цифр CD4511 и ИД7
4 Управление 7-сегментным индикатором с помощью драйвера CD4511 и Arduino
При подключении двоичного декодера будем руководствоваться следующей таблицей:
| Вывод CD4511 | Назначение | Примечание |
|---|---|---|
| A0. A3 | Входы двоичного преобразователя | Соответствуют разрядам двоичного числа. |
| a. g | Выходы на сегменты индикатора | Подключаются через токоограничивающие резисторы к соответствующим сегментам светодиодного индикатора. |
| Lamp Test# | Тест индикатора (включает все сегменты) | Подключим к питанию, не использовать его. |
| Blanking# | Очистка индикатора (отключает все сегменты) | Подключим к питанию, чтобы не использовать его. |
| Latch Enabled# | Выход активен | Будет подключен к земле, чтобы выход был всегда активен. |
| VDD | Питание микросхемы и индикатора | От 3 до 15 В. |
| GND | Земля | Общая у CD4511, Arduino, 7-сегментного индикатора. |
Желательно также подключить керамический конденсатор ёмкостью примерно 1 мкФ между землёй и питанием микросхемы CD4511.
Подключение 7-сегментного индикатора к Arduino с двоичным декодером CD4511B
Теперь напишем простой скетч, чтобы проверить работоспособность 7-сегментного индикатора 3361AS-1 в связке с двоично-десятичным декодером, а также получить опыт работы с ними. Данный скетч будет поочерёдно перебирать числа от 0 до 9, перемещаясь по циклу от одного разряда индикатора к следующему.
Скетч для управления 7-сегментным индикатором (светится 1 разряд) (разворачивается)
Загрузим скетч в Arduino и посмотрим результат.
В один момент времени светится только один разряд индикатора. Как же задействовать одновременно сразу три разряда индикатора? Это будет немного сложнее. Сложность заключается в том, что нам одновременно нужно управлять тремя разрядами десятичного число, используя только один преобразователь CD4511. Но чисто физически это невозможно. Однако можно добиться иллюзии постоянного свечения всех разрядов светодиодного индикатора. Для этого придётся быстро переключаться между разрядами, постоянно обновляя показание каждого разряда. Мы будем поочерёдно активировать каждый из разрядов индикатора 3361AS, выставлять на нём с помощью двоичного преобразователя CD4511 нужную цифру, а затем переключаться на следующий разряд.
Для человеческого глаза такое переключение между разрядами будет незаметно, но если результат снять на видео, то его можно увидеть.
Также перепишем функцию setNumber() отправки двоичного кода на вход микросхемы преобразователя CD4511. Вместо использования оператора switch, используем массив массивов.
Скетч для управления трёхразрядным 7-сегментным индикатором (разворачивается)
Получится вот такая картина.
Управление трёхразрядным семисегментным индикатором с помощью преобразователя CD4511 и Arduino
В динамике это выглядит так. Тут как раз временами видны мерцания сегментов светодиодного индикатора.
Можно попробовать поиграть значением задержек в функции setDigit(). Если сделать задержки меньше, то мерцание станет меньше заметно. Но начнут сильнее засвечиваться соседние сегменты на выбранном разряде индикатора. Тут необходимо выбрать какое-то компромиссное решение.
5 Управление 7-сегментным индикатором с помощью драйвера TM1637 и Arduino
Существуют и другие драйверы для подключения 7-сегментных дисплеев. Один из них TM1637. Есть готовые модули, в которых уже присутствует и индикатор, и драйвер, и вся необходимая обвязка (резисторы, конденсаторы). Пример модуль HW-069. В качестве семисегментного индикатора здесь 4-разрядный индикатор 3642BS-1.
Модуль HW-069 с драйвером TM1637 и четырёхразрядным семисегментным индикатором
Подключение модуля к Arduino предельно простое, т.к. для обмена с драйвером используется интерфейс, очень похожий на I2C. Т.е. необходимо подключить питание от 5 В Arduino, а данные передаются по DIO и тактируются по CLK. Но тем не менее, интерфейс не эквивалентен полностью I2C, т.к. у дисплея нет своего адреса.
Модуль HW-069 с драйвером TM1637 и четырёхразрядным семисегментным индикатором
Как всегда, есть множество готовых библиотек для управления индикатором через драйвер TM1637. Например, библиотека Gyver TM1637 или библиотека Avishay TM1637.
Модуль с драйвером TM1637 работает с Arduino UNO
Эти библиотеки работают прекрасно, и рассказывать, как загружать и устанавливать библиотеку для Arduino не буду: мы это делали уже миллион раз. Мы же не ищем лёгких путей, поэтому попробуем разобраться в работе драйвера TM1637 самостоятельно, верно?
Источник: