Сегментный дисплей своими руками
Обновлено: 07.07.2024
Если вы научились пользоваться "световой шкалой", то следующий шаг в освоении нового компонента "7-сегментный индикатор" дастся вам легко. Он попадается практически во всех стартовых наборах.
Одноразрядный 7-сегментный индикатор
Мы имеем дело опять с набором светодиодов, только на этот раз их 8 (семь полосок и один кружочек) и они расположены не друг за другом, а в определённом порядке, которые позволяют вам выводить цифры от 0 до 9.
Важная отличительная черта - у индикатора имеются общие ножки для катода (ножки 3 и 8). Всего их две и они равноценны. Это удобно, вам не нужно будет от каждого катода вести отдельный провод на землю. Достаточно выбрать один из общих катодов и от неё соединиться с GND. Аноды у всех отдельные.
Также при желании вы можете установить несколько таких индикаторов подряд для вывода больших двухзначных, трёхзначных и т.д. чисел. Но существуют готовые компактные наборы для этих целей.
На 7-сегментный индикатор распространяются те же правила, что и на стандартные светодиоды - у каждого должен быть свой резистор. Поэтому для опытов приготовьте 8 резисторов.
Схематично можно изобразить следующим образом.
Собираем на макетной плате. Соединяем провода по порядку, начиная с первой ножки, которая идёт на второй порт. На землю идёт восьмая ножка индикатора.
Для проверки можно запустить стандартный пример Blink, только установите в качестве проверочного светодиода любой из ваших используемых портов. Я выбрал пятый порт, чтобы помигать точкой.
Если мы хотим помигать цифрой 1, то нам надо использовать светодиоды 4 и 6, которые идут на порты 4 и 6 платы микроконтроллера.
Если мы захотим вывести цифру 5, то понадобится работать с пятью светодиодами, цифру 8 - уже семь светодиодов. При сложных проектах работать с таким количеством становится затруднительно. Придётся каждый раз смотреть на схему, что вспомнить, какие светодиоды нужно включить для отображения каждой цифры.
Но можно пойти другим путём. А поможет нам единица информации - байт. Байт в своём двоичном представлении состоит из 8 бит. Каждый бит может принимать значения 0 или 1. А наш светодиодный индикатор как раз и состоит из восьми светодиодов. Таким образом мы можем представить цифру на индикаторе в виде набора байт, где единица будет отвечать за включённый диод, а ноль - за выключенный диод.
Число в двоичном виде записывается следующим образом:
Первые два символа 0b дают понять, что речь идёт о двоичном счёте. Все нули означают, что все светодиоды будут выключены.
У нас задействованы порты от 2 по 9. Второй порт записывается в самую правую позицию. Чтобы его включить, поставим единицу.
Можно самостоятельно включать по отдельности каждый диод, перемещая единицу в представленном байте. Поняв принцип, можно, например, заметить, что за точку отвечает четвёртый бит справа. Если мы его не будем использовать, то он всегда будет равен 0. За чёрточку посередине индикатора отвечает самый последний байт (или первый слева).
Комбинируя набор нулей и единиц, можно создать нужные нам цифры. Например, цифра 0 будет представлена как 0b01110111.
Давайте напишем пример вывода цифры 0.
Код немного избыточен, переменная mask здесь лишняя, но она нам пригодится в следующем примере. Здесь важно, что мы пробегаемся в цикле по числу светодиодов и устанавливаем у всех режим OUTPUT. Затем также в цикле проходим через все светодиоды и узнаём, комбинацию бит с помощью метода bitRead(). Полученная информация помогает нам подсветить нужные светодиоды и получить цифру 0 на выходе.
Для остальных цифр можно также подготовить нужные наборы бит.
Но мы пойдём другим путём. Все эти значения мы поместим в массив. И будем вытаскивать по индексу. А индексом для примера нам послужит метод millis. С его помощью мы можем получить число секунд, прошедших с запуска скетча, но выводить будем только последнюю цифру прошедших секунд.
Запустив пример, мы получим реальный секундомер. За точность не ручаюсь, но для простых задач подойдёт.
На видео некоторые цифры отображаются коряво, видимо из-за особенностей записи. В реальности все цифры работают как положено.
Позже я добавил на плату ещё один светодиод, который загорался при значении 0. При других значениях он был выключен.
На Амперке есть упоминания о двух компонентах, которые можно использовать для светодиодного индикатора. Я пока ими не пользовался:
Четырёхразрядный 7-сегментный индикатор
У четырёхразрядного 7-сегментного индикатора двенадцать выводов: 8 для каждого разряда с точкой и 4 для выбора нужного разряда. Чтобы разобраться в подключении, желательно иметь картинку перед глазами.
Если индикатор держать точкой вниз, то отсчёт идёт против часовой стрелки от нижнего левого угла.
Выводы 6, 8, 9 и 12 отвечают за конкретные разряды. Это могут быть общие катоды или общие аноды.
Выводы 1, 2, 3, 4, 5, 7, 10, 11 отвечают за конкретные сегменты. Например, самая верхняя полоска обозначена буквой A и имеет номер вывода 11. Таким образом, если подключить выводы 11 и 12 индикатора к выводу 11 и 12 на плате Arduino, то можем управлять этой полоской стандартным способом, например, помигать светодиодом.
Соедините все двенадцать выводов индикатора с выводами на плате. В своих примерах я использовал следующую схему.
При необходимости используйте резисторы, хотя во многих примерах в интернете встречал схемы без них.
Включаем букву H на всех разрядах.
Работа с индикатором показалась мне слишком муторной и сложной. Дополнительные материалы можно посмотреть на сайте, с которого я взял часть примеров.
Библиотека fDigitsSegtPin
К счастью есть библиотека fDigitsSegtPin, которую можно установить через менеджер библиотек. Подключаем библиотеку, указываем все двенадцать выводов по порядку и выводим нужное число.
Модули 7-сегментных дисплеев
Большое количество выводов у 7-сегментных дисплеев не слишком удобно использовать. Поэтому появились дисплеи в виде готовых модулей. Например, популярна модель TM1637.
Семисегментный индикатор ввиду своей красочности часто применяется для отображения информации, например значения температуры, величины напряжения либо тока. В этой статье мы продолжаем изучать программирование микроконтроллеров и уже научимся подключать к микроконтроллеру ATmega8 простейший одноразрядный семисегментный индикатор, и будем отображать на нем цифры.
Давайте начнем все по порядку. Для начала рассмотрим, что собою представляет семисегментный индикатор. Внешне он имеет различные размеры. Главным идентификатором служит высота цифры, которая в справочниках приводится в дюймах. Высота цифры имеет стандартный ряд значений, который приводится в дюймах.
По количеству разрядов различают одно-, двух-, трех-, и четырехразрядные индикаторы. Бывает и более разрядов, но они встречаются довольно редко.
Семисегментный индикатор. Принцип работы семисегментного индикатора
Любой семисегментный индикатор обязательно состоит из семи сегментов. Отсюда и происходит его название. Каждый сегмент – это обычный отдельный светодиод. Мощные семисегментники могут содержать в одном сегменте несколько, как правило, последовательно соединенных светодиодов.
Кроме того в корпусе помимо сегментов находится еще и точка или запятая или другой символ.
С помощью семи сегментов можно изобразить десять цифр: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 и некоторые буквы, как латиницы, так и кириллицы.
Светодиоды всех элементов соединяются одноименными выводпми между собой или анодами, или катодами. Поэтому разделяют семисегментные индикаторы с общим анодом и общим катодом.
Вне зависимости от количества разрядов и размеров цифр каждый сегмент имеет название в виде одной из первых букв английского алфавита: a, b, c, d, e, f, g. Точка обозначается dp.
Если применяется общий катод, – то наоборот – минус подается на общий, а плюс на отдельный вывод.
Чтобы отобразить на индикаторе цифру или букву следует засветить несколько сегментов. Например, для отображения единицы 1 задействуются сегменты b и c. При отображении восьмерки 8 задействуются все символы от a до g. Пятерка получается из таких символов: a, c, d, f, g.
Как подключить семисегментный индикатор к микроконтроллеру
Теперь рассмотрим, как подключить семисегментный индикатор к микроконтроллеру ATmega8. Подключим его к порту D. Данные порт имеет все восемь бит, что очень удобно сочетается с количеством выводов одноразрядного семисегментного индикатора, у которого их также восемь с учетом вывода для точки.
Схемы подключения с общим анодом ОА и общим катодом ОК аналогичны, только общий вывод подключается соответственно к плюсу или минусу источника питания.
Все светодиоды подключаются к выводам микроконтроллера через отдельные резисторы сопротивлением 220…330 Ом.
Не стоит экономить на резисторах и подключать все элементы через один общий резистор. Поскольку в таком случае с изменением числа задействованных сегментов будет изменяться величина тока, протекающего через них. Поэтому цифра 1 будет светиться ярче, чем 8.
Чтобы знать какой из выводов отвечает тому или иному сегменту нам понадобится распиновка семисегментного индикатора. Отсчет выводов, как и у микросхем, начинается с левого нижнего и продолжается против часовой стрелки. При этом лицевая сторона индикатора должна быть направлена вверх, а выводы вниз.
Теперь создадим модель в Протеусе и соберем схему на макетной плате. Далее по мере написания кода будем проверять работу микроконтроллера на модели и на реальном устройстве.
Семисегментный индикатор в Proteus находится в категории (Category) Optoelectronics (Оптоэлектроника). Ниже в подкатегории (Sub-category) следует кликнуть по строке 7-Segment Displays. После этого в окне результатов (Results) выбираем одноразрядный семисегментный индикатор 7SEG-MPX1-CC.
Код для микроконтроллера ATmega8
Теперь пишем код. Сначала настраиваем порт D полностью на выход. Для отображения единицы 1 задействуются сегменты b и c, выводы которых подключены к PD1 и PD2. Поэтому соответствующие биты регистр PORTD нужно установить в единицу.
PORTD = 0b00000110; //1
После компиляции кода и прошивки кода результаты мы видим в Proteus и на макетной плате.
Аналогичным образом формируются все цифры.
Давайте сделаем программу более интересной, так, чтобы цифры изменялись в порядке нарастания от нуля до девяти с паузой 0,3 секунды.
PORTD = 0b00111111; //0
PORTD = 0b00000110; //1
PORTD = 0b01011011; //2
PORTD = 0b01001111; //3
PORTD = 0b01100110; //4
PORTD = 0b01101101; //5
PORTD = 0b01111101; //6
PORTD = 0b00000111; //7
PORTD = 0b01111111; //8
PORTD = 0b01101111; //9
Данный код можно значительно упорядочить и этим мы займемся в последующих статьях по программированию микроконтроллера ATmega8. На этом заканчиваем наше первое знакомство с семисегментными индикаторами.
Еще статьи по данной теме
Тут такая засада.
На Atiny2323 все работает нормально, на Atmega8 семисегментный индикатор постоянно мерцает. Правда схема такая же как и на Atiny2323 т.е. без кварца. Не подскажите в чем дело?
Дело в том, что по-умолчанию частота работы встроенного генератора (RC-цепочки) Atiny2323 4 МГц, а ATmega8 – 1 МГц, поэтому на меге заметна частота мерцания.
Дмитрий,
Поизучал даташит, правильно понимаю что для установки 4Мгц нужно установить CKSEL3..0 в 0011?
Дмитрий, и еще вопрос в догонку.
Какие кварцы (частоты, типы, кол-во) стоит прикупить для изучения микроконтроллеров?
Сначало зажги светодиод,потом помигай им,потом подключи кнупку,чтоб программа заработал когда нажал кнопку и т.д.кварц для этого не нужен.От простого к сложному.
Автору большое спасибо. После видео уроков на ютубе появился интерес к МК.
Большая просьба автору. Вы собирались сделать материал по динамической индикации –
семи-сегментного индикатора. Возможно, вы бы, могли бы сделать материал, сегменты индикатора к разным портам. Например к двум портам МК.
Относительно просто динамическую индикацию подключать, применяя оператор switch case.
Да, просто, но как быть с сегментами на разных портах? да еще и так чтоб начинающий смог понять. То что что я видел, с кучей подключаемых библиотек, где хрен разберешь последовательность и что откуда берется, выглядит (как для начинающего) уж очень муторно. Если у Вас будет свободное время, сделайте урок по динамической индикации с сегментами на разных портах, это будет единственное видео на ютубе и единственный урок с комментариями (если будет конечно;) )
Это нужно быть совсем нубом в прерывании тратить время на перебор 13ти кейсов в свитче.
Все делается одним сдвигом N влево в зависимости от размера кейса и джамп на кейс по получившимся смещению после сдвига N. 2 инструкции чтобы попасть в кейс. Но для этого нужно уметь на ассемблере написать.
Еще гасится весь дисплей, потом куча кода проходит до момента отображения сегмента. Все это время дисплей не горит. Лажа полная, а не пример.
У меня даже на убогом нувотоне, где одна инструкция по 3 такта,а не один как у avr обновление дисплея занимает 4.7микросекунды. То есть я могу его обновлять с частотой аж 200 кГц. И каждая нога тоже отдельно дергается, а не просто в порт кинуть. И между моментом когда все гасится и отображается новый сегмент вообще нет пробела, следующей же ассемблерной инструкцией начинает зажигаться.
Так что хочешь сделать быстро и качественно динамическую индикацию без ассемблера не обойтись.
Четырёхразрядный цифровой индикатор — простое решение для проектов, где требуется отображать числа или ограниченный набор букв. Например, время или показания с сенсоров.
Более подробную информацию о светодиодных индикаторах можете найти в соответствующей заметке.
Расположение и электросхема четырехразрядного индикатора представлены ниже:
Описание:
В данном примере с помощью четырехразрядного 7-сегментного индикатора сделаем простой счетчик, нам понадобится библиотека TimerOne, скачать которую Вы можете по ссылке, либо с помощью Arduino IDE.
2020-04-06 в 6:54, admin , рубрики: diy или сделай сам, esp8266, Производство и разработка электроники, семисегментный индикатор, схемотехника, Электроника для начинающих
Что из этого получилось — под катом.
Disclaimer
Описанные ниже устройства являются довольно нишевыми, сделаны мною just for fun, но примененный подход может быть использован для решения аналогичной задачи универсализации там, где это потребуется. Текст разбавлю пояснениями для начинающих. Основная цель — спроектировать единую плату под все имеющиеся индикаторы и различные идеи их использования.
Статья получилась объемная, так что я разделил hardware и software части. К вашему вниманию часть первая — hardware.
Постановка задачи
Что я понимаю под максимальной универсальностью? Спроектировать модуль, с помощью которого или его комбинаций можно создать любой (или практически любой, в разумных пределах) дисплей для отображение информации с использованием этих самых семисегментных индикаторов. В голову приходит сразу с десяток применений — часы, конечно же, куда без них; туда же таймеры, счетчики чего угодно; термометры; табло для разных игр; дисплеи для отображения цифровой информации — курсов валют, индексов бирж и т.п. В общих чертах задача абсолютно тривиальная, но усложняется зоопарком типов индикаторов. В наличии одноразрядные китайские индикаторы с размером цифры 2.3 дюйма (тип FJ23101, четыре светодиода на сегмент) и 3 дюйма (тип CL-30011, пять светодиодов на сегмент), разных цветов и с различным типом подключения — с общим катодом и с общим анодом. Чтобы покрыть использование всех этих типов пришлось посидеть над схемой и разводкой, которая давала бы возможность без изменения топологии печатной платы управлять разными индикаторами. Поискав вечерок в интернете мне не удалось найти универсальных решений или схем, что и стало поводом для написания данной статьи.
По приведенным примерам использования становится понятно, что модуль должен поддерживать различную разрядность, от одной цифры для простых счетчиков событий, до шести для индексов некоторых финансовых бирж. Я решил ограничиться двумя цифрами для большего трехдюймового размера и тремя для меньшего, с возможностью подключения еще одного модуля в виде slave-а.
При выборе управляющей части долго думать не пришлось, выбор сразу пал на готовые модули ESP-07 на контроллере ESP8266 от Espressif. Дешевизна и простота использования этих модулей, возможность легкого подключения к Интернету, обширная комьюнити разработчиков и элементарность программирования этого контроллера отмели все другие варианты.
Приступим к деталям
Общее питание было решено брать от порта USB, как наиболее универсального стандарта на данный момент. После непродолжительного гугления я выбрал готовый модуль повышающего DC-DC преобразователя на МТ3608. Он компактный, дешевый (
Для индикаторов с общим анодом — наоборот, общий контакт подключается к плюсу питания, а сегменты коммутируются на землю. В плане управления индикаторы с общим анодом более простые, так как не требуют коммутации высокого напряжения, по этой причине они более распространены. Для управления сегментами удобно использовать микросхему-массив составных транзисторов Дарлингтона (Darlington Transistor Arrays), например всеми любимую ULN2803.
Значительным преимуществом перед UDN2981 является стоимость, которая в разы меньше. На картинке ниже подключение индикатора к драйверу и упрощенная схема одной ячейки.
Можно заметить, что верхние части схем очень схожи. Пара драйверов UDN2981 и ULN2803 подобрана неспроста. Относительно ножек вход/выход они pin-to-pin совместимы. Это дает возможность сделать универсальное посадочное место на плате добавив всего несколько перемычек под запайку для ножек питания. Бинго!
Чтобы упростить задачу динамической индикации я решил не изобретать велосипед, не городить 595-е сдвиговые регистры, а взять надежное и проверенное решение — специализированный драйвер семисегментного дисплея MAX7219. Эта микросхема умеет хранить во внутренней памяти до восьми цифр и самостоятельно коммутировать разряды с заранее установленной яркостью. По этой причине и не нужны резисторы последовательно с каждым сегментом. Управляется драйвер по шине SPI. Как по мне, микросхема имеет всего один недостаток — высокую стоимость. Имела. Пришли китайцы и наклепали полный функциональный аналог со стоимостью в несколько центов. Название такое же, правда маркировка отличается, отсутствует оригинальный логотип Maxim. В работе отличий не замечено, временные диаграммы такие же, не греется, отказов пока не было. Но для ответственных применений все-таки рекомендую ставить дорогой оригинал.
Вот такой набор MAX7219-MATRIX-KIT можно купить на Ali и в локальных магазинах для ардуинщиков по цене в четыре раза ниже оригинального драйвера MAX7219. Да-да, вы меня правильно поняли, набор с матрицей, платой и рассыпухой. Дешевле. В четыре раза. Выбор очевиден же?
В итоге имеем финальные схемы подключения индикаторов. Для общего катода все просто — драйвер плюс ключи способные подавать на сегменты повышенное напряжение. В даташите на MAX7219 приводится схема подключения индикаторов размера 2.3 дюйма и все это запитано от 5 Вольт, но мои экземпляры наотрез отказались работать при таком низком напряжении, сегмент начинал слабо светиться при подаче 7.2В (1.8В на светодиод). Катоды подключены напрямую к MAX7219, контроллер может прокачивать через себя от 320мА на каждый канал (>45мА на сегмент), чего с головой достаточно для данных типоразмеров индикаторов.
Для общего анода все немного сложнее. Тут уже нужно использовать разнотипные ключи для верхнего и для нижнего плечей плюс инвертирующий буфер для управления разрядами. Инвертирование сигналов для сегментов получаем автоматически при использовании ULN2803.
Как видим, со стороны драйвера MAX7219 и управляющего всем этим ESP8266 нет никакой разницы какой именно тип индикатора установлен в модуле, модифицировать прошивку не требуется.
Замечу, что при использовании внешних драйверов встроенное в контроллер ограничение тока сегментов (которое задается резистором на входе Iset) корректно работать не будет, поэтому интенсивность будем регулировать напряжением питания при максимальной скважности от MAX7219. Драйвер позволяет устанавливать интенсивность скважностью встроенного ШИМ генератора от 1/32 до 31/32 с шагом 1/16.
Для управляющей части на ESP8266 ничего выдумывать не нужно, берем типовое включение модуля, заводим линии SPI на MAX7219, UART для прошивки на внешний разъем. Дополнительно решил добавить преобразователь протокола UART в virtual COM port через USB, его устанавливать необязательно, но места на плате предостаточно, пускай будет такая возможность. Как преобразователь я выбрал СН340, как максимально простое и бюджетное решение. В версии чипа СН340G преобразователь даже не требует частотозадающего кварца, он уже встроен в конвертер, а из обвеса всего пара конденсаторов, проще не бывает.
Полная схема в хорошем качестве тут.
Со схемой определились, теперь можно приступать к топологии печатной платы. Как я уже упоминал, все эти заморочки именно через плату. Хотелось заказать партию плат на нормальном производстве под все вышеперечисленные устройства и не дорабатывать их по месту напильником и скальпелем. После непродолжительных размышлений на плате вырисовались аж целых восемь посадочных мест под семисегментные индикаторы:
- По одному для 2.3" и 3" по центру платы — для дисплея с одной цифрой
- По два для 2.3" и 3" — для дисплея с двумя цифрами
- Три для 2.3" — соответственно, для дисплея с тремя цифрами
По краям платы расположены контакты расширения — для подключения справа от ведущего еще одного аналогичного ведомого модуля, но без схемы управления и питания, только индикаторы.
Такая комбинация позволяет расширить разрядность до шести цифр, а так же комбинируя расположение и размер индикаторов изготовить табло для различных, предположим, настольных игр и, конечно же, часы! На контакты продублированы сигналы управления всеми сегментами и выведены линии подключения 3 и 4 разряда для трехдюймовок, и 4, 5 и 6 разряд для двухдюймовок.
Дополнительно, два оставшихся свободных канала MAX7219 подключены к двум цепочкам дискретных светодиодов, расположенных над и под индикаторами. Их, например, можно будет использовать для фоновой подсветки, так сказать эффект ambilight.
Размер платы выбран таким образом, чтобы она не выходила за края индикаторов. В таком случае можно скомбинировать дисплей с одинаковыми расстояниями между цифрами для бо́льших и 6ти-разрядный для меньших индикаторов.
По углам платы расположены четыре отверстия под болт М3 для крепления модуля к несущей конструкции.
Микросхемы, если это было возможно, выбраны в выводных корпусах DIP, так как вопрос миниатюризации для данного устройства не актуален, а на плате они выглядят уже почти стимпанково, на фоне привычных BGA монстров. Это придает особого шарма, как у ламповых усилителей.
Посадочное место под модуль ESP-07 также pin-to-pin совместимо с модулями ESP-12S/E/F.
Плата проектировалась за два вечера, по этой причине использовался простой принцип разводки как у автороутеров — разделение горизонтальных и вертикальных линий на разные слои. В итоге плата получилась двухсторонняя, несложная и визуально красивая.
Плата была отправлена в производство как раз в канун китайского Весеннего Фестиваля и карантинных мер в КНДР. Рассматривал три популярные площадки для изготовления мелкосерийных прототипов — PCBway, Seeed и JLCpcb. На последней стоимость получилась на 20 долларов дешевле (при партии в 20 шт) и значимым плюсом для меня было то, что фабрика не закрывалась на праздничную неделю. Суммарная стоимость составила 44 доллара, с учетом доставки 21$ и купона на скидку -5$. В пересчете на плату — чуть больше 2 долларов за штуку. Несмотря на разгар эпидемии коронавируса, от отправки gerber-ов на фабрику к моменту получения прошел 21 день. Качество плат на высоте.
За время пока в Китае изготавливались платы, в местном рекламном агентстве были заказаны основы из прозрачного акрила, куда можно закрепить платы и светорассеиватель. Теперь можно посмотреть, что получилось из задуманного.
Вот так выглядит вариант платы, запаянной под индикаторы с общим катодом. На фото указаны названия микросхем и обведены перемычки под запайку.
А вот так — под индикаторы с общим анодом.
На фото ниже различные комбинации индикаторов разных размеров. Как вы можете понять, их также можно удвоить, добавив slave-модуль.
Далее осталось только написать скрипт под конкретную реализацию, чем и займемся в следующей части.
Читайте также: