Arduino: 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:

Эксперимент 1

В этом эксперименте мы просто будем включать и выключать светодиоды, чтобы познакомиться с работой семисегментного индикатора.

Необходимые комплектующие

• 1 x семисегментный индикатор (общий катод);
• 1 x Arduino MEGA 2560
• 1 x макетная плата;
• перемычки.

Схема соединений

В этой схеме выводы семисегментного индикатора подключены к контактам 2-9 платы Arduino, как показано в таблице ниже. Общие выводы (3 и 8) подключены к GND, а dp остается неподключенным, так как точка не используется в этом эксперименте.

Схема подключения семисегментного индикатора к Arduino

Шаг второй. Выводим цифры

Пока индикатор зажигает отдельные сегменты, но чтобы вывести цифры нужно научиться зажигать комбинации. По принципу это напоминает заполнение почтового индекса. Попробуем вывести цифру 1. Для этого нужно определить, какие сегменты зажигать. Посмотрим схему подключения более внимательно.

Чтобы вывести на экран цифру 1, нужно зажечь два правых сегмента. Они подключены белым и синим проводами к контактам 3 и 6. Изменю тестовую программу, чтобы она выводила на экран единицу.

Это уже что-то. Аналогично подберу сегменты, чтобы вывести остальные цифры. Соберу эту информацию в массив. Массив — это переменная, которая содержит сразу несколько значений. Каждое отдельное значение называется элементом массива. Такой элемент можно вывести, если знать его номер.

Мне нужен массив из 11 элементов: десять для цифр от 0 до 9 и один для точки.

Каждый элемент моего массива начинается со служебной комбинации символов 0b, которая означает, что элемент состоит из двоичных данных. А дальше идёт комбинация из восьми нулей или единиц. Они задают сегменты, которые будут гореть: 1 включит сегмент, 0 — выключит.

Запущу простую программу, которая будет последовательно выводить все элементы массива на экран.

Элементы готовы, остаётся добавить кнопку, которая будет управлять моим устройством.

Подключение

Сначала установим индикаторы и драйверы на breadboard. У всех них ноги располагаются с двух сторон, поэтому, чтобы не закоротить противоположные контакты, размещать эти компоненты необходимо над центральной канавкой breadboard’а. Канавка разделяет breadboard на 2 несоединённые между собой половины.

Далее, подключим один из драйверов в соответствии с его распиновкой

Контакты 3 и 8 на индикаторе обозначены как «катод», они общие для всех сегментов, и должны быть напрямую соединены с общей землёй.

Далее следует самая кропотливая работа: соединение выходов микросхемы с соответствующими анодами индикатора. Соединять их необходимо через токоограничивающие резисторы как и обычные светодиоды. В противном случае ток на этом участке цепи будет выше нормы, а это может привести к выходу из строя индикатора или микросхемы. Номинал 220 Ом подойдёт.

Соединять необходимо сопоставляя распиновку микросхемы (выходы a-g) и распиновку индикатора (входы a-g)

Повторяем процедуру для второго разряда

Теперь вспоминаем о контакте «reset»: нам необходимо соединить их вместе и притянуть к земле через стягивающий резистор. В последствии, мы подведём к ним сигнал с Arduino, чтобы он мог обнулять значение целиком в обоих драйверах.

Также подадим сигнал с «÷10» от правого драйвера на вход «clock» левого. Таким образом мы получим схему, способную отображать числа с двумя разрядами.

Стоит отметить, что «clock» левого драйвера не стоит стягивать резистором к земле, как это делалось для правого: его соединение с «÷10» само по себе сделает сигнал устойчивым, а притяжка к земле может только нарушить стабильность передачи сигнала.

Железо подготовленно, осталось реализовать несложную программу.

Схема подключения семисегментного дисплея к плате Arduino представлена на следующем рисунке.

В схеме необходимо сделать следующие соединения семисегментного дисплея с платой Arduino:
PIN1 или E к контакту PIN 6 of ARDUINO UNO
PIN2 или D к контакту PIN 5
PIN4 или C к контакту PIN 4
PIN5 или H или DP к контакту PIN 9 /// в этом соединении нет необходимости если мы не будем использовать десятичную точку (decimal point)
PIN6 или B к контакту PIN 3
PIN7 или A к контакту PIN 2
PIN9 или F к контакту PIN 7
PIN10 или G к контакту PIN 8
PIN3 или PIN8 или CC (общий катод) на землю через резистор 100Ω.

Теперь, чтобы лучше понять принцип работы семисегментного дисплея, представим что он как будто подсоединен к порту микроконтроллера, то есть сегмент A соединен с контактом PIN0 микроконтроллера, сегмент B – с контактом PIN1, сегмент А – с контактом PIN3, сегмент А – с контактом PIN4, сегмент А – с контактом PIN5, сегмент А – с контактом PIN6. Общий вывод соединен с землей как показано на следующем рисунке.

Семисегментный дисплей легко проверить используя мультиметр в режиме диода. На каждом сегменте дисплея не должно быть напряжения большего 5 В, иначе дисплей будет необратимо поврежден. Чтобы исключить подобное общий резистор должен быть подключен к общему выводу дисплея как показано на выше приведенной схеме нашего устройства.

Теперь, чтобы на семисегментном дисплее отобразить 0, необходимо подать питающие напряжения как показано на рисунке ниже.

То есть чтобы зажечь светодиоды в сегментах “A, B, C, D, E F” (то есть отобразить на дисплее цифру 0) нам необходимо подать питающее напряжение на контакты PIN0, PIN1, PIN2, PIN3, PIN4 and PIN5.

Теперь, если мы хотим отобразить цифру 1 на дисплее, мы должны подать питающее напряжение на сегменты “B, C”, то есть запитать контакты PIN1, PIN2. Эта ситуация показана на следующем рисунке.

То есть, чтобы отобразить какую либо цифру на дисплее, необходимо подать питание на соответствующие контакты дисплея.

Динамическая индикация

Как известно, наше зрение обладает свойством инерции, или персистенции. Это способность глаза соединять быстро сменяющиеся изображения в одно. Таким образом, чтобы человек видел на индикаторе трехзначное число, вовсе необязательно зажигать все цифры разом. Достаточно в один момент времени включать только один отдельный индикатор. Переключение между соседними индикаторам должно происходить с большой частотой, чтобы получить эффект персистенции.

Такой подход к выводу данных называется динамической индикацией. В действительности, многие символьные и матричные светодиодные и газоразрядные индикаторы работают именно по такому принципу. Попробуем и мы собрать схему динамической индикации для управления тремя семисегментными индикаторами.

Семисегментный индикатор | Программирование микроконтроллеров

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.

Для того чтобы засветить один из светодиодов семисегментного индикатора с общим анодом следует на общий вывод (анод) подать «+», а на соответствующий отдельный вывод – «-» источника питания.

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.

#define F_CPU 1000000L

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.

Andrei, никто не хочет за это дерьмо с разными портами браться, я сам долго искал, у всех подключение к одному порту (так головняка меньше). То что я смог переварить взято с радиокота https://radiokot.ru/forum/viewtopic.php?f=57&t=131489. Да, через анус, но работает.
код:
/*
* M48_dinamind_radiokot.c
*
* Created: 28.11.2018 10:37:52
* Author: Left
*/

(1<<DP_PC1); //
#define dp_off PORTC |= (1<<DP_PC1); //
#define dp_blink PORTC ^= (1<<DP_PC1)

DDRD = 0xFF;
PORTD = 0x00;
>
void timer0_OVF_init (void)
<
//TCCR0B |= (1<<CS00); // no prescaling
//TCCR0B |= (1<<CS01); // prescaler 8
TCCR0B |= ((1<<CS01)|(1<<CS00)); // prescaler 64
//TCCR0B |= (1<<CS02); // prescaler 256
//TCCR0B |= ((1<<CS02)|(1<<CS00)); // prescaler 1024
TIMSK0 |= (1<<TOIE0); // enable interrupt OVF
>
void clean_display (void)
<
PORTB |= ((1<<A_PB0)|(1<<B_PB1)|(1<<C_PB2)|(1<<D_PB3)|(1<<E_PB4)|(1<<F_PB5)); // all OFF
PORTC |= ((1<<G_PC0)|(1<<DP_PC1)); // all OFF
dig1_OFF; dig2_OFF; dig3_OFF; dig4_OFF;
>
void segment (N)
<
cli();
switch (N)
<
case 0: