В уроке узнаем о схемах подключения семисегментных светодиодных индикаторов к микроконтроллерам, о способах управления индикаторами.

Светодиодные семисегментные индикаторы остаются одними из самых популярных элементов для отображения цифровой информации.

Этому способствуют следующие их качества.

• Низкая цена. В средствах индикации нет ничего дешевле светодиодных цифровых индикаторов.
• Разнообразие размеров. Самые маленькие и самые большие индикаторы – светодиодные. Мне известны светодиодные индикаторы с высотой цифры от 2,5 мм, до 32 см.
• Светятся в темноте. В некоторых приложениях это свойство чуть ли не решающее.
• Имеют различные цвета свечения. Бывают даже двухцветные.
• Достаточно малые токи управления. Современные светодиодные индикаторы могут подключаться к выводам микроконтроллеров без дополнительных ключей.
• Допускают жесткие условия эксплуатации (температурный диапазон, высокая влажность, вибрации, агрессивные среды и т.п.). По этому качеству светодиодным индикаторам нет равных среди других типов элементов индикации.
• Неограниченный срок службы.

Типы светодиодных индикаторов.

Семисегментный светодиодный индикатор отображает символ с помощью семи светодиодов – сегментов цифры. Восьмой светодиод засвечивает децимальную точку. Так что в семисегментном индикаторе 8 сегментов.

Сегменты обозначаются латинскими буквами от ”A” до ”H”.

Аноды или катоды каждого светодиода объединяются в индикаторе и образуют общий провод. Поэтому существуют индикаторы с общим анодом и общим катодом.

Светодиодный индикатор с общим анодом.

Светодиодный индикатор с общим катодом.

Статическое управление светодиодным индикатором.

Подключать светодиодные индикаторы к микроконтроллеру необходимо через резисторы, ограничивающие ток.

Расчет резисторов такой же, как для отдельных светодиодов.

R = (U питания - U сегмента) / I сегмента

Для этой схемы: I сегмента = (5 – 1,5) / 1000 = 3,5 мА

Современные светодиодные индикаторы достаточно ярко светятся уже при токе 1 мА. Для схемы с общим анодом засветятся сегменты, на управляющих выводах которых микроконтроллер сформирует низкий уровень.

В схеме подключения индикатора с общим катодом меняется полярность питания и сигналов управления.

Засветится сегмент, на управляющем выводе которого будет сформирован высокий уровень (5 В).

Мультиплексированный режим управления светодиодными (LED) индикаторами.

Для подключения каждого семисегментного индикатора к микроконтроллеру требуется восемь выводов. Если индикаторов (разрядов) 3 – 4, то задача становится практически не выполнимой. Просто не хватит выводов микроконтроллера. В этом случае индикаторы можно подключить в мультиплексированном режиме, в режиме динамической индикации.

Выводы одноименных сегментов каждого индикатора объединяются. Получается матрица светодиодов, подключенных между выводами сегментов и общими выводами индикаторов. Вот схема мультиплексированного управления трех разрядным индикатором с общим анодом.

Для подключения трех индикаторов потребовалось 11 выводов, а не 24, как при статическом режиме управления.

При динамической индикации в каждый момент времени горит только одна цифра. На общий вывод одного из разрядов подается сигнал высокого уровня (5 В), а на выводы сегментов поступают сигналы низкого уровня для тех сегментов, какие должны светиться в этом разряде. Через определенное время зажигается следующий разряд. На его общий вывод подается высокий уровень, а на выводы сегментов сигналы состояния для этого разряда. И так для всех разрядов в бесконечном цикле. Время цикла называется временем регенерации индикаторов. Если время регенерации достаточно мало, то человеческий глаз не заметит переключения разрядов. Будет казаться, что все разряды светятся постоянно. Для исключения мерцания индикаторов считается, что частота цикла регенерации должно быть не менее 70 Гц. Я стараюсь использовать не менее 100 Гц.

Схема динамической индикации для светодиодов с общим катодом выглядит так.

Меняется полярность всех сигналов. Теперь на общий провод активного разряда подается низкий уровень, а на сегменты, которые должны светиться – высокий уровень.

Расчет элементов динамической индикации светодиодных (LED) индикаторов.

Расчет несколько сложнее, чем для статического режима. В ходе расчета необходимо определить:

• средний ток сегментов;
• импульсный ток сегментов;
• сопротивление резисторов сегментов;
• импульсный ток общих выводов разрядов.

Т.к. разряды индикаторов светятся по очереди, то яркость свечения определяет средний ток. Мы должны выбрать его исходя из параметров индикатора и требуемой яркости. Средний ток будет определять яркость свечения индикатора на уровне, соответствующем статическому управлению с таким же постоянным током.

Выберем средний ток сегмента 1 мА.

Теперь рассчитаем импульсный ток сегмента. Чтобы обеспечить требуемый средний ток, импульсный ток должен быть в N раз больше. Где N число разрядов индикатора.

I сегм. имп. = I сегм. средн. * N

Для нашей схемы I сегм. имп. = 1 * 3 = 3 мА.

Рассчитываем сопротивление резисторов, ограничивающих ток.

R = (U питания - U сегмента) / I сегм. имп.

R = (5 – 1,5) / 0.003 = 1166 Ом

Определяем импульсные токи общих выводов разрядов. Одновременно светиться могут 8 сегментов, значит надо импульсный ток одного сегмента умножить на 8.

I разряда имп. = I сегм. имп. * 8

Для нашей схемы I разряда имп. = 3 * 8 = 24 мА.

• сопротивление резисторов выбираем 1,1 кОм;
• выводы микроконтроллера управления сегментами должны обеспечивать ток не менее 3 мА;
• выводы микроконтроллера выбора разряда индикатора должны обеспечивать ток не менее 24 мА.

При таких значениях токов индикатор может быть подключен непосредственно к выводам платы Ардуино, без использования дополнительных ключей. Для ярких индикаторов, таких токов вполне достаточно.

Схемы с дополнительными ключами.

Если индикаторы требуют больший ток, то необходимо использовать дополнительные ключи, особенно для сигналов выбора разрядов. Общий ток разряда в 8 раз больше тока одного сегмента.

Схема подключения светодиодного индикатора с общим анодом в мультиплексированном режиме с транзисторными ключами выбора разрядов.

Для выбора разряда в этой схеме необходимо сформировать сигнал низкого уровня. Соответствующий ключ откроется и подаст питание на разряд индикатора.

Схема подключения светодиодного индикатора с общим катодом в мультиплексированном режиме с транзисторными ключами выбора разрядов.

Для выбора разряда в этой схеме необходимо сформировать сигнал высокого уровня. Соответствующий ключ откроется и замкнет общий вывод разряда на землю.

Могут быть схемы, в которых необходимо использовать транзисторные ключи и для сегментов, и для общих выводов разрядов. Такие схемы легко синтезируются из двух предыдущих. Все показанные схемы используются при питании индикатора напряжением равным питанию микроконтроллера.

Ключи для индикаторов с повышенным напряжением питания .

Бывают индикаторы больших размеров, в которых каждый сегмент состоит из нескольких светодиодов, соединенных последовательно. Для питания таких индикаторов требуется источник с напряжением большим, чем 5 В. Ключи должны обеспечивать коммутацию повышенного напряжения с управлением от сигналов уровней микроконтроллера (обычно 5 В).

Схема ключей, замыкающих сигналы индикатора на землю, остается неизмененной. А ключи питания должны строиться по другой схеме, например, такой.

В этой схеме активный разряд выбирается высоким уровнем управляющего сигнала.

Между переключением разрядов индикатора на короткое время (1-5 мкс) должны выключаться все сегменты. Это время необходимо на завершение переходных процессов коммутации ключей.

Конструктивно выводы разрядов могут быть объединены как в одном корпусе многоразрядного индикатора, а может быть собран многоразрядный индикатор из отдельных одноразрядных. Более того, можете собрать индикатор из отдельных светодиодов, объединенных в сегменты. Так обычно поступают, когда необходимо собрать индикатор очень больших размеров. Все приведенные выше схемы будут справедливы и для таких вариантов.

В следующем уроке подключим семисегментный светодиодный индикатор к плате Ардуино, напишем библиотеку для управления им.

Рубрика: . Вы можете добавить в закладки.

Семисегментными индикаторами в наше время называют устройства, которые отображают цифровую информацию. В электрических приборах данные элементы используются довольно часто. Если к ним подключить модулятор, то можно сделать из индикаторов интересные электронные часы. Чтобы более подробно разобраться в этом вопросе, необходимо изучить основные типы устройств. Также важно ознакомиться с моделями, которые представлены на рынке.

Одноразрядные модели

Одноразрядный семисегментный индикатор (схема показана ниже) в наше время отличается своей простотой. Как правило, контакты у моделей установлены в параллельном порядке. При этом светодиоды используются самые обычные. Сделать электронные часы из одноразрядных индикаторов можно довольно просто. В данном случае блок питания потребуется на 30 В.

Также следует учитывать, что модулятор для этого типа индикаторов может использоваться исключительно одноканальный. Непосредственно регулятор для него важно вывести через двойной переходник. При этом резисторы для часов подойдут как импульсного, так и инерционного типа. Непосредственно подключение семисегментного индикатора осуществляется через проводник. Предельное напряжение он обязан выдерживать не менее 35 В. При этом параметр силы тока должен составлять 5 А.

Двухразрядные модификации

Двухразрядные модификации на сегодняшний день являются довольно распространенными. Светодиоды в данном случае чаще всего используются красного типа. Однако на рынке можно найти и другие варианты. Сила свечения у данных индикаторов зависит от производителя. Как правило, контакты у них устанавливаются медного типа.

При этом резисторы используются в основном импульсные. Для того чтобы понять, как сделать часы на практике, необходимо заранее подготовить модулятор, а также преобразователь для устройства. В первую очередь для часов подбирается корпус. При этом семисегментные индикаторы важно устанавливать на модулятор. Непосредственно регулятор должен располагаться в стороне. Соединяется он с блоком питания через тетрод. Также для лучшей проводимости многие специалисты рекомендуют использовать усилитель. В данном случае блок питания подойдет на 15 В. В конце работы останется лишь зафиксировать проводник.

Трехразрядные устройства

Трехразрядные устройства обладают большой мощностью. Светодиоды в данном случае имеются резонансного типа, и на рынке они, как правило, представлены белого цвета. Резисторы для подключения индикаторов применяются инерционного типа. Для того чтобы сделать из трехразрядной модификации часы, потребуется найти качественный модулятор. При этом управление семисегментным индикатором будет происходить через регулятор кнопочного типа.

Тетроды в данном случае пороговое напряжение обязаны выдерживать на уровне 15 В. Проводимость их зависит от частотности конденсаторов. Многие специалисты при сборе часов советуют преобразователи устанавливать с тиристором. В данном случае блок питания можно использовать без усилителя. Для подключения индикаторов понадобятся проводники. Для безопасного использования прибора их необходимо изолировать.

Индикаторы серии E 10561

Семисегментный светодиодный индикатор данной серии отличается повышенным параметром рассеивания. В данном случае цифры видны очень четко. Светодиоды в таких устройствах используются, как правило, асинхронного типа. При этом резонансные модели также встречаются. Чтобы подключить устройство к регулятору, потребуются мощные резисторы. В данном случае преобразователи используются с тиристорами.

Пороговая частота этих устройств не должна превышать 3 Гц. При этом блоки питания, как правило, используются на 30 В. В такой ситуации показатель номинального тока должен располагаться на уровне 12 А. Все это позволит успешно включить индикатор. Непосредственно подсоединение прибора осуществляется через контакты. В некоторых случаях тетрод в цепи может располагаться после преобразователя. В таком случае можно надеяться на пороговое напряжение на уровне 15 В.

Особенности моделей серии E 15461

Семисегментные индикаторы данной серии относятся к классу двухразрядных. В этом случае светодиоды в устройствах установлены резонансного типа. Для подключения модели используются медные контакты. Сделать часы в данном случае довольно просто. Модулятор для этих целей можно использовать одноканального типа. При этом резисторы подбираются средней мощности. Напряжение они обязаны выдерживать минимум на уровне 20 В.

Блоки питания для этих целей можно использовать от персонального компьютера. Также следует отметить, что указанные индикаторы являются довольно компактными. При этом яркость их можно регулировать при помощи модуляторов. Для этого дополнительно потребуется установка преобразователя. Для повышения мощности свечения используются поворотные регуляторы. Усилители в данном случае устанавливаются довольно редко.

Подключение устройства серии E 10578

Индикаторы указанной серии имеются с резонансными светодиодами. В настройке они довольно просты и цифры способны отображать четко. Также следует учитывать, что параметр рассеивания у них очень высокий. Таким образом, устанавливать их в электронные приборы можно довольно просто. Как правило, такие модели используются в микроволновых печах. При этом для секундомеров они также подходят. В данном случае модулятор устанавливается с расширителем. При этом многоканальные модификации являются более распространенными. Усилители для устройств подходят только низкоомного типа. Дополнительно следует учитывать, что частотность модели зависит от блока питания. Если рассматривать прибор на 20 В, то вышеуказанный параметр будет находиться в районе 4 Гц.

Схема индикаторов серии E 10509

Семисегментные индикаторы данного типа способны похвастаться высокой чувствительностью. При этом светодиоды для них подходят резонансные. На рынке они чаще всего представлены красного и синего цвета. Резисторы для подключения модели применяются в основном импульсные. Однако инерционные аналоги также активно используются в бытовой технике. Тетроды в данном случае напряжение должны быть способны выдерживать максимум на уровне 30 В.

При этом система контактов, как правило, подбирается на два проводника. Усилитель для сборки часов потребуется низкоомного типа. Все это необходимо для того, чтобы справляться с большим отрицательным сопротивлением. Однако в данной ситуации многое зависит от модулятора, который устанавливается.

Применение индикаторов серии E 22563

Индикаторы данного типа на сегодняшний день являются довольно востребованными. На электронные приборы указанные модели устанавливать можно. При этом в промышленной сфере устройства данного типа также являются востребованными. В этом случае светодиоды устанавливаются средней мощности. Причем контактные системы на рынке представлены самые разнообразные.

Подключение моделей к модулятору, как правило, осуществляется через тетроды. Преобразователи подходят с частотой не менее 4 Гц. Дополнительно следует учитывать, что параметр рассеивания свечения светодиодов зависит от мощности блока питания. Если рассматривать самые простые часы с модулятором серии РР20, то он подбирается на 20 В.

Модель на хроматических резисторах

Семисегментные индикаторы на хроматических резисторах встречаются довольно редко. Модуляторы в данном случае могут использоваться только одноканального типа. Также следует учитывать, что при подключении устройства обязательно необходимо устанавливать усилители. Все это позволит стабилизировать в цепи параметр порогового напряжения. Блоки питания в данном случае можно использовать от персональных компьютеров. Также важно учитывать, что чувствительность системы зависит от типа тетродов.

Использование оптических модуляторов

Оптические модуляторы, как правило, используются с индикаторами резонансного типа. При этом на электроприборы данные конфигурации устанавливаются часто. В данном случае регуляторы используются в основном поворотного типа. При этом кнопочные варианты встречаются довольно редко. Резисторы для указанных систем подходят асинхронного типа. Непосредственно подсоединение модуляторов в цепи происходит через преобразователи.

В сегодняшней статье поговорим о 7-сегментных индикаторах и о том, как их «подружить» с Ардуино. Есть несколько вариантов. Самый простой, безусловно, это зайти на и купить готовый индикатор с интегрированным шилдом (это платка согласования так называется), но мы не ищем лёгких путей, поэтому пойдем путем чуть более сложным. Новички – не пугайтесь, эта статья, как и предыдущие мои статьи ( и ) именно для вас. Пусть гуру пишут для таких же умудренных опытом гуру, а я новичок – пишу для новичков.

Почему именно 7-сегментный индикатор? Ведь существует столько всяких экранов, с большим количеством символов, строк, разнообразных диагоналей и разрешений, черно-белых и цветных, самые доступные из которых стоят пару долларов… А тут: «старенький», до безобразия простой, но требующий огромного количества пинов 7-сегментный индикатор, но все-таки преимущество есть и у этого «старичка». Дело в том, что пользуясь приведенными здесь скетчами можно оживить не только индикатор с высотой цифр 14 мм, но и более серьезные (правда уже самодельные) проекты, и метровые цифры в данном случае далеко не предел. Жителям столиц это может быть не так интересно, а вот население Новокацапетовки или Нижней Кедровки очень порадуется, если на клубе или сельсовете появятся часы, которые еще могут и дату отображать, и температуру, а о создателе этих часов будут говорить очень долго. Но, подобные часы тема отдельной статьи: будет желание у посетителей – напишу. Всё выше написанное можно считать вступлением. Как и прошлая моя статья эта будет состоять из частей, на этот раз из двух. В первой части мы просто «по управляем» индикатором, а во второй – попробуем приспособить его для чего-то хоть немного полезного. Итак, продолжим:

Часть первая. Экспериментально – познавательная

За основу данного проекта взят нам уже хорошо знакомый по предыдущим статьям ARDUINO UNO. Напомню, что приобрести его легче всего можно здесь: или здесь: , кроме этого понадобится 4-разрядный, 7-сегментный индикатор. У меня, в частности GNQ-5641BG-11. Почему именно этот? Да просто потому, что лет 5 назад купил его по ошибке, идти менять было лень, вот он и валялся все это время, ожидая своего часа. Думаю, что подойдет любой с общим анодом (и с общим катодом можно, но придется данные массива и остальные значения портов инвертировать – т.е. менять на обратные), лишь бы не был слишком мощным, чтобы не сжечь Ардуинку. Кроме этого – 4 токоограничивающих резистора, примерно 100 Ом каждый и кусок шлейфа (мне хватило 10 см) на 12 пин (жил) можно «оторвать» от более широкого, что я и сделал. А можно вообще отдельными проводочками подпаяться, проблем не будет. Еще понадобятся штыри на плату (11 шт.) хотя, если аккуратно можно и без них. Эскиз индикатора можно увидеть на рисунке 1, а его схему на рисунке 2. Также отмечу, что на каждый сегментик этого индикатора лучше подавать не более 2.1В (ограничивается 100-Омными резисторами), и в этом случае он будет потреблять не более 20 мА. В случае, если загорится цифра «8» потребление не превысит 7х20=140 мА, что вполне допустимо для выходов Ардуино. Любознательный читатель задаст вопрос: «Но ведь 4 разряда по 140 мА это уже 4х140=560 мА, а это уже многовато!» Отвечу – останется 140. Каким образом? Читайте дальше! Расположение пинов на индикаторе видно на рисунке 3. А подключение делаем согласно таблице 1.

Рис. 1 - Эскиз индикатора

Рис. 2 - Схема индикатора

Рис. 3 - Расположение пинов

Таблица 1

Пин Ардуино Уно	Пин индикатора	Примечание
		Сегмент G
		Сегмент F
		Сегмент E
		Сегмент D
		Сегмент C
		Сегмент B
		Сегмент A
		Общий анод сегмента № 1, подключать через резистор 100 Ом.
		Общий анод сегмента № 2, подключать через резистор 100 Ом.
		Общий анод сегмента № 3, подключать через резистор 100 Ом.
		Общий анод сегмента № 6, подключать через резистор 100 Ом.

Заливаем простенький скетч, который представляет собой простенькую «считалочку» от 0 до 9:


А теперь немного пояснений. DDRD это регистр порта D (DDRB – соответственно порта В) за «страшным» словом «регистр» всего лишь «спряталась» функция, которая указывает, будет порт своим пином читать что-то (принимать информацию), либо наоборот туда можно будет что-то писать (отдавать информацию). В данном случае строчка DDRD=B11111111; указывает, что все пины порта D выходные, т.е. информация из них будет выходить. Буквочка «В» обозначает, что в регистр записано двоичное (бинарное) число. Нетерпеливый читатель тут же спросит: «А десятичное можно!?!». Спешу успокоить – можно, но об этом чуть позже. Если бы мы хотели половину порта задействовать на вход, а половину на выход можно было бы указать так: DDRD=B11110000; единицы показывают те пины, которые будут отдавать информацию, а нули – те, которые будут эту самую информацию принимать. Основное удобство регистра заключено еще и в том, что не надо прописывать 8 раз все пины, т.е. мы экономим в программе 7 строк. А теперь разберем следующую строку:

PORTB=B001000; // устанавливаем высокий уровень 11 пина порта В

PORTB это регистр данных порта В, т.е. записав в него какое-либо число мы указываем на каком пине порта будет единица, а на каком – ноль. В добавление к комментарию скажу, если взять Ардуино Уно таким образом, чтобы видеть контроллер и цифровые пины были сверху - будет понятна запись в регистр, т.е. какой «ноль» (или «единица»)отвечает за какой пин, т.е. крайний правый ноль порта В отвечает за 8-й пин, а крайний левый – за 13-й (у которого встроенные светодиод). Для порта D соответственно правый за пин 0, левый за пин 7.
Надеюсь после таких развёрнутых пояснений все понятно, а раз понятно предлагаю вернуться к известной нам и горячо любимой с детства десятичной системе счисления. И еще – скетч в 25 строк вроде и небольшой, но для новичка все-таки несколько громоздок. Будем уменьшать.

Заливаем еще более простой скетч, та же самая «считалочка»:


Видео 1 .
Всего 11 строчек! Вот это по-нашему, «по-новичковски»! Прошу обратить внимание вместо двоичных чисел в регистры записаны десятичные. Естественно, для десятичных чисел никаких букв впереди не нужно. Думаю, не лишним будет свести все числа в таблицы.

Таблица 2. Соответствие отображаемого знака данным порта

	Общий анод		Общий катод
	Двоичная система	Десятичная система	Двоичная система	Десятичная система

Таблица 3. Соответствие отображаемого разряда данным порта

	Общий анод		Общий катод
	Двоичная система	Десятичная система	Двоичная система	Десятичная система

Внимание! Данные таблиц 2 и 3 справедливы только при распайке согласно таблице 1.
А теперь зальем скетч со «считалочкой» от 0 до 9999:

Рис. 4 - Считалочка

Работу скетча можно посмотреть на Видео 2 .

В этом скетче комментариев больше, чем самого кода. Вопросов возникнуть не должно…. Кроме одного, что это за «цикл мерцания» такой, что, собственно говоря, там мерцает и для чего? А еще переменная для этого какая-то…
А все дело в том, что одноименные сегменты всех четырех разрядов у нас соединены в одной точке. А1, А2, А3 и А4 имеют общий катод; А1, В1,…..G1 общий анод. Так, что подав одновременно на 4 разрядный индикатор «1234» мы получим «8888» и очень удивимся по этому поводу. Чтобы этого не произошло нужно сначала зажечь «1» в своем разряде, потом отключить её, зажечь «2» в своем и т.д. Если делать это очень быстро, то мерцание цифр сольётся, как кадры на киноплёнке и глаз его практически не будет замечать. А максимальное значение переменной мерцания в данном случае управляет скоростью смены цифр на индикаторе. Кстати, именно благодаря этому «мерцанию» и максимальное потребление тока всего 140 мА, вместо 560. А теперь предлагаю перейти к чему-то более полезному.

Часть вторая. Хоть немного полезная

В этой части мы выведем символы с персонального компьютера на 7-сегментный индикатор при помощи ARDUINO MEGA. Почему вдруг возникла идея «поменять лошадей на переправе»? Причин две: первая – до этого в своих статьях я ни разу не рассматривал ARDUINO MEGA; и вторая – в ARDUINO UNO я так и не разобрался, как мне динамически менять местами СОМ порт и порт D. Но я новичок – мне простительно. Приобрести данный контроллер, естественно можно здесь: . Для реализации задуманного пришлось взять паяльник и перепаять шлейф со стороны Ардуино, а также написать новый скетч. Как перепаян шлейф можно посмотреть на Рисунке 5. Все дело в том, что ARDUINO MEGA и ARDUINO UNO имеют разную распиновку портов, да и в Меге портов гораздо больше. Соответствие использованных пинов видно из Таблицы 4.

Рис. 5 - Новая распайка шлейфа

Таблица 4

			Порт Мега

Внимание! Данная таблица справедлива только для данного проекта!

Также следует обратить внимание, что порт С у Ардуино Мега «начинается» с 37 пина и далее по убывающей, а порт А – с 22 пина и далее по возрастающей.

Рис. 6 - Общий вид

Небольшие особенности реализации: выводить будем 4 символа. Символы должны быть цифрами. Если ввели «1234» и увидим «1234», если ввели «123456» все равно увидим «1234», если ввели «йцук», «фыва1234», «отиог485909оапоьм» - не увидим ничего. Если ввели «рр2345мм» увидим « 23» т.е. небольшая, встроенная «защита от дурака».

Собственно скетч:



А как работает данная программа можно посмотреть на Видео 3 .

Обзор подготовил Павел Сергеев

Наверняка вы уже видели индикаторы - "восьмёрки". Это и есть семисегментный светодиодный индикатор, который служит для отображения цифр от 0 до 9, а также децимальной точки (DP - Decimal point) или запятой.

Конструктивно такое изделие представляет собой сборку светодиодов. Каждый светодиод сборки засвечивает свой знакосегмент.

В зависимости от модели сборка может состоять из 1 - 4 семисегментных групп. Например, индикатор АЛС333Б1 состоит из одной семисегментной группы, которая способна отображать всего лишь одну цифру от 0 до 9.

А вот светодиодный индикатор KEM-5162AS уже имеет две семисегментных группы. Он является двухразрядным. Далее на фото показаны разные светодиодные семисегментные индикаторы.

Также существуют индикаторы с 4-мя семисегментными группами - четырёхразрядные (на фото - FYQ-5641BSR-11). Их можно использовать в самодельных электронных часах.

Как обозначаются семисегментные индикаторы на схемах?

Так как семисегментный индикатор - это комбинированный электронный прибор, то изображение его на схемах мало отличается от его внешнего вида.

Стоит только обратить внимание на то, что каждому выводу соответствует конкретный знакосегмент, к которому он подключен. Также имеется один или несколько выводов общего катода или анода - в зависимости от модели прибора.

Особенности семисегментных индикаторов.

Несмотря на кажущуюся простоту этой детали и у неё есть особенности.

Во-первых, светодиодные семисегментные индикаторы бывают с общим анодом и с общим катодом. Данную особенность следует учитывать при его покупке для самодельной конструкции или прибора.

Вот, например, цоколёвка уже знакомого нам 4-ёх разрядного индикатора FYQ-5641BSR-11 .

Как видим, аноды у светодиодов каждой цифры объединены и выведены на отдельный вывод. Катоды же у светодиодов, которые принадлежат к знакосегменту (например, G ), соединены вместе. От того, какую схему соединений имеет индикатор (с общим анодом или катодом) зависит очень многое. Если взглянуть на принципиальные схемы приборов с применением семисегментных индикаторов, то станет ясно, почему это так важно.

Кроме небольших индикаторов есть большие и даже очень большие. Их можно увидеть в общественных местах, обычно в виде настенных часов, термометров, информеров.

Чтобы увеличить размеры цифр на табло и одновременно сохранить достаточную яркость каждого сегмента, используется несколько светодиодов, включенных последовательно. Вот пример такого индикатора - он умещается на ладони. Это FYS-23011-BUB-21 .

Один его сегмент состоит из 4 светодиодов, включенных последовательно.

Чтобы засветить один из сегментов (A, B, C, D, E, F или G), нужно подать на него напряжение в 11,2 вольта (2,8V на каждый светодиод). Можно и меньше, например, 10V, но яркость тоже уменьшится. Исключение составляет децимальная точка (DP), её сегмент состоит из двух светодиодов. Для неё нужно всего 5 - 5,6 вольт.

Также в природе встречаются двухцветные индикаторы. В них встраиваются, например, красные и зелёные светодиоды. Получается, что в корпус встроено как бы два индикатора, но со светодиодами разного цвета свечения. Если подать напряжение на обе цепи светодиодов, то можно получить жёлтый цвет свечения сегментов. Вот схема соединений одного из таких двухцветных индикаторов (SBA-15-11EGWA).

Если коммутировать выводы 1 (RED ) и 5 (GREEN ) на "+" питания через ключевые транзисторы, то можно менять цвет свечения отображаемых чисел с красного на зелёный. А если же одновременно подключить выводы 1 и 5, то цвет cвечения будет оранжевым. Вот так можно баловаться с индикаторами .

Управление семисегментными индикаторами.

Для управления семисегментными индикаторами в цифровых устройствах используют регистры сдвига и дешифраторы. Например, широко распространённый дешифратор для управления индикаторами серии АЛС333 и АЛС324 - микросхема К514ИД2 или К176ИД2 . Вот пример .

А для управления современными импортными индикаторами обычно используются регистры сдвига 74HC595 . По идее, управлять сегментами табло можно и напрямую с выходов микроконтроллера. Но такую схему используют редко, так как для этого требуется задействовать довольно много выводов самого микроконтроллера. Поэтому для этой цели применяются регистры сдвига. Кроме этого, ток, потребляемый светодиодами знакосегмента, может быть больше, чем ток, который может обеспечить рядовой выход микроконтроллера.

Для управления большими семисегментными индикаторами, такими как, FYS-23011-BUB-21 применяются специализированные драйверы, например, микросхема MBI5026 .

Что внутри семисегментного индикатора?

Ну и немного вкусненького. Любой электронщик не был бы таковым, если бы не интересовался "внутренностями" радиодеталей. Вот что внутри индикатора АЛС324Б1.

Чёрные квадратики на основании - это кристаллы светодиодов. Тут же можно разглядеть золотые перемычки, которые соединяют кристалл с одним из выводов. К сожалению, этот индикатор уже работать не будет, так как были оборваны как раз эти самые перемычки . Но зато мы можем посмотреть, что скрывается за декоративной панелькой табло.

Семисегментный индикатор представляет собой микросхему, на верхней поверхности которой располагаются светодиоды. Эти индикаторы являются очень удобным и простым в использовании устройством отображения числовой информации. Внутри них, как правило, все светодиоды соединены вместе либо катодом (общий катод), либо анодом (общий анод).

На мой взгляд, самые хорошие индикаторы производит KingBright. Они бывают самых разных цветов, размеров, а также есть буквенно-цифровые и матричные индикаторы. Но работа с последними во многом аналогична применению семисегментных и с ними Вы легко разберетесь самостоятельно, научившись пользоваться семисегментными. Все индикаторы одной серии имеют одинаковую распиновку и отличаться могут лишь цветом. Это позволяет, установив индикатор в панельку для микросхем, легко заменить его индикатором другого цвета.

В качестве примера рассмотрим два индикатора: SA39-11xxx (xxx - три-четыре буквы, кодирующие цвет, в моём случае GWA) и BC56-12xxx (у меня xxx = SRWA). Приведу ниже список цветов:

• HWA - ярко-красный на фосфиде галлия GaP, 700 нм
• EWA - высокопроизводительный красный на фосфиде-арсениде и фосфиде галлия GaAsP/GaP, 625 нм (не знаю, как по-другому можно перевести "HIGH EFFICIENCY RED")
• GWA - зеленый на фосфиде галлия GaP, 565 нм
• YWA - желтый на фосфиде-арсениде и фосфиде галлия GaAsP/GaP, 590 нм
• SRWA - супер ярко-красный на арсениде галлия-алюминия GaAlAs, 660 нм

В названии индикаторов вторая буква обознаяет тип соединения светодиодов: С - общий катод, А - общий анод. Ниже приведена электрическая схема и чертеж SA39 и SC39. Обратите внимание на буквы, которыми обозначили каждый сегмент (a-g) и обозначение точки (DP). Эти названия мы будем использовать в коде программы для объявления макросов. Это позволит как можно сильнее абстагировать программу от электрической схемы, от способа соединения индикатора и МК.

Значит, "ножки" 3 и 8 нужно подключить к шине +5 В (или, в крайнем случае, подать на них +5 В от МК, но так делать не рекомендуется), а остальные - к какому-либо порту МК. При этом не очень-то важно, в каком порядке, т. к. в случае ошибки Вы просто увидите на индикаторе не цифру, а какую-нибудь букву "зю". Тогда придется либо подключить по-другому, либо внести небольшие изменения в программу. В общем, символ, отображемый на индикаторе, зависит от того, какое число отправить в порт. Всего существует 255 комбинаций, и все они возможны независимо от способа подключения. Я использовал порт D для подключения индикатора.

Остается только лишь написать простенькую программу:

#include "iom16.h" #define a 1 // Эти макросы содержат числа, соответствующие двойке, #define b 2 // возведенной в степень, равной номеру "ножки" того #define c 4 // порта, к которому подключен сегмент индикатора с #define d 128 // одноименным макросу названием. Для того, чтобы вывести #define e 64 // какую-либо цифру на индикатор, нужно отправить в порт #define f 32 // число 255 минус сумму соответствующих сегментам макросов. #define g 16 // Эти числа позволяют сделать программу независимой от подключения. #define DP 8 // Измените эти числа, если индикатор выводит букву "зю" short unsigned int i = 1; unsigned char DigNumber = 0; unsigned char Dig; // Массив, в котором хранятся числа, которые нужно // вывести через порт на индикатор, чтобы он показал цифру, равную номеру // элемента массива. Числа зависят только от макросов. void io_init() { DDRD = 0xFF; // К порту D подключен индикатор PORTD = 0xFF; } void timer0_init() { OCR0 = 15; // Таймер срабатывает каждые 1024 такта. Прерывание каждые // 1024*16 тактов. TCCR0 |= (1 void Dig_init() { Dig = 255 - (a+b+c+d+e+f); // Если индикатор с общим анодом, Dig = 255 - (b+c); // нужно сумму макросов отнять от Dig = 255 - (a+b+g+e+d); // 255. Если с общим катодом, то Dig = 255 - (a+b+g+c+d); // отнимать не нужно. Dig = 255 - (f+g+b+c); // Имена макросов соответствуют Dig = 255 - (a+f+g+c+d); // именам сегментов индикатора Dig = 255 - (a+f+g+c+d+e); Dig = 255 - (a+b+c); Dig = 255 - (a+b+c+d+e+f+g); Dig = 255 - (a+b+c+d+f+g); } void main() { io_init(); timer0_init(); Dig_init(); SREG |= (1 //Выводим на индикатор цифру "0" while (1) {} } #pragma vector = TIMER0_COMP_vect __interrupt void Indic_change() { if (i // 675*16*1024 = 11,0592 МГц { // Каждую секунду меняется цифра на индикаторе i++; } else { i = 1; if (DigNumber else DigNumber = 0; PORTD = Dig; } }

Как это работает, думаю, ясно из комментариев к коду. Макросы после #define позволяют сделать код почти независящим от способа подключения индикатора. Если, например, Вы подключили 5-й вывод индикатора (d-сегмент) к выводу PD3 МК, то для того, чтобы все правильно работало, нужно сопоставить макросу d число 2 3 =8, написав

#define d 8

Откомпилировав программу и прошив ее в МК, если все правильно подключено и соответствующе описано в #define, получаем цифровые электронные часы, которые умеют считать до 10. Если у Вас установлен резонатор на 11,0592 МГц, то эти часы будут тикать раз в секунду и с, казалось бы, поразительной точностью: за час они не собьются ни на секунду! Но удивительного тут ничего нет: вся точность упирается в качество резонатора и отсутствие ошибок в программе. Кстати, в электронных часах стоят такие же резонаторы, только меньших размеров и частот (обычно 3 КГц). Но собирать часы на МК несколько нерационально, потому что существуют специализированные микросхемы для этого, умеющие отсчитывать время, дату, месяц, день недели, год и т.д. Связав с такой микросхемой МК, можно научить его "чувствовать" время.

Но мы несколько отвлеклись от темы нашей статьи. Теперь пора рассмотреть работу с трехзначным индикатором, коим является BC56-12xxx. По логике у него должно быть 8*3+1=25 выводов. Но у него их только лишь 12. Давайте посмотрим его документацию.

Оказывается, внутри находятся три семисегментных индикатора, соединенные параллельно, и от каждого из них выходит один общий электрод (катод или анод). Чтобы было понятнее, покажу электрическую схему:

Итак, подавая напряжение на выводы 1, 2, 3, 4, 5, 7, 10, 11, формируют цифру (символ), мы их назовем информационными или шиной данных, а управляя выводами 8, 9, 12, определяют позицию этой цифры. Выводы 8, 9, 12 назовем выводами выбора устройства или шиной адреса. Понятно, что нельзя одновременно зажечь две или три разные цифры. Придется использовать стробирование, т. е. зажигать цифры по очереди с высокой скоростью. Они будут мерцать, но глаз этого не успеет заметить.

Значит, с выводами 1, 2, 3, 4, 5, 7, 10, 11 работа совершенно аналогична. А выводы 8, 9, 12 нужно замыкать на землю по очереди. Казалось бы, чего проще - присоединить их к МК и все. Но, как я уже говорил, не следует цеплять к МК общий электрод - это слишком большая нагрузка для него, и его порт ввода-вывода может сгореть. Следует использовать полевые транзисторы, как это было описано в предыдущей статье.

Мне кажется, настало время рассказать о шифраторах и дешифраторах. Дешифраторами называются комбинационные устройства, преобразующие n-разрядный двоичный код на их входе в логический сигнал, появляющийся на том выходе, десятичный номер которого соответствует двоичному коду. Дешифраторы имеют как правило 3 или 4 входа и 8 или 16 выходов соответственно. Как работает дешифратор? Подадим на вход число в двоичном коде, например, 5, установив лог. 1 на первом и третьем выводах на входе. Тогда появится лог. 1 на пятом выходе. Шифраторы выполняют обратную операцию - если подать лог. 1 на один из входов, на выходе появится двоичный код номера этого входа.

Дешифраторы позволяют решить проблему нехватки выходов. Например, у МК есть 3 свободных выхода для выбора устройства, а мы хотим подключить семь устройств. Но ведь у этих трех выходов могут быть 8 различных состояний! Подключив дешифратор, из трех выходов сделаем восемь работающих по очереди и решим т. о. проблему.

В школах и особенно вузах часто на уроках информатики рисуют логическую схему работы памяти, где есть груда логических элементов "И" и/или "ИЛИ" для выборки ячейки памяти, какая-то шина данных, шина адреса, ячейки памяти... Короче, обычно преподаватель сам не может понять, что он нарисовал, как это все работает и не загибается. Оказывается, там стоит дешифратор и все работает очень просто. По шине адреса приходит адрес ячейки памяти в двоичном коде, в которую надо записать информацию (или прочитать) и поступает в дешифратор. Дешифратор подключает требуемую ячейку к цепи питания, ячейка начинает работать и сохраняет тот двоичный код, который установлен на шине данных (или выдает туда свое содержимое). После этого исчезает адрес на шине адреса и дешифратор отключает эту ячейку до следующего использования. При запуске компьютера в программе Setup можно установить напряжение на ЦПУ (там можно выбрать из нескольких значений). А как это происходит? Есть специальная шина, по которой двоичный код поступает в дешифратор. Дешифратор открывает один из нескольких транзисторов и через этот транзистор идет питание требуемого напряжения на ЦПУ.

При программировании МК может возникнуть ситуация, когда потребуется подключить к нему очень много устройств. Вот тогда и придется вспомнить о дешифраторах, организовать одну шину данных для всех устройств и одну шину адреса, идущую к дешифратору. А к дешифратору уже через транзисторы , чтобы не нагружать МК или дешифратор (это важно, но об этом часто забывают) подключать устройства. Я не думаю, что у нас будет такая ситуация в этих учебных статьях, но на будущее хорошо бы это запомнить.

Вернемся к нашей конструкции. Схема очень проста. Я прицепил к порту А половинку панельки для широких микросхем, так чтобы подключенными оказались выводы 1, 2, 3, 4, 5, 7, 10, 11 вставленного в нее семисегментного индикатора BC56-12xxx. Другие три вывода подключены через уже знакомые нам транзисторы IRF7311 к выводам порта С (вывод 12 к РС5, 9 - к РС6, 8 - к РС7). Один из транзисторов (корпуса два, а их четыре) остался про запас.

Код программы приведен ниже. Поскольку в будущем может возникнуть необходимость некоторое трехзначное число, хранящееся в переменной, вывести на индикатор, неплохо было бы написать для этого какую-нибудь специальную функцию. Назовем ее Display(). Казалось бы, реализовать ее очень просто, нужно число поделить на 100, найти целое от деления и остаток и потом также поделить на 10. Но... Но МК не знает функций mod и div. Это во-первых. А во-вторых, у него нет математического сопроцессора для деления, и одна операция деления может занимать сотни и даже тысячи тактов процессора, в отличие от сложения/вычитания (1 такт для char) и умножения на целое (2 такта для char). Поэтому всегда старайтесь заменить деление чем-либо другим, если возможно. Иногда бывает даже рациональнее отправить некоторые данные через COM-порт в компьютер, там произвести вычисления и вернуть обратно результат. Как это реализовать, в следующей статье. А сейчас рассмотрим наглядный пример.

Предположим, Вы решили поставить у себя в ванной электронный регулятор температуры воды на МК, который постоянно измеряет температуру воды в душе специальным датчиком и с помощью мотора крутит кран так, чтобы температура стремилась к заданному значению. И Вы используете некий алгоритм, позволяющий с очень большой точностью управлять этим процессом. Но алгоритм содержит операции деления, извлечения корня, вычисления логарифма, косинуса и, несомненно, интеграла. И когда Вы пойдете мыться, после поворота ручки регулировки температуры, МК "зависнет" и будет на Вас несколько секунд будет лить воду температурой 70-80 °С, а потом, когда он все вычислит, с большой точностью выставит нужные Вам 28,32204°С. :)

Этот пример (не я его придумал) показывает, и хорошо показывает, что часто не столь важна точность, сколько быстродействие. Вот код программы. Не забудьте отключить оптимизацию.

#include "iom16.h" #define a 1 #define b 4 #define c 16 #define d 64 //Меняем эти числа для другого индикатора #define e 128 #define f 2 #define g 8 #define DP 32 short unsigned int i = 1; short unsigned int Number = 0; unsigned char Dig; // В этих переменных хранятся цифры, которые нужно отобразить char Disp5, Disp6, Disp7; // Функция выделяет цифры из трехзначного числа Number void Display (short unsigned int Number) { unsigned char Num1, Num2, Num3; Num1=Num2=0; while (Number >= 100) { Number -= 100; Num1++; } while (Number >= 10) { Number -= 10; Num2++; } Num3 = Number; Disp5 = Dig; Disp6 = Dig; Disp7 = Dig; } void io_init() //Инициализация портов ввода/вывода { DDRA = 0xFF; PORTA = 0; DDRC |= (1 void timer0_init() { OCR0 = 15; TCCR0 |= (1 void Dig_init() { Dig = (a+b+c+d+e+f); // Сейчас у нас схема с общим катодом Dig = (b+c); Dig = (a+b+g+e+d); Dig = (a+b+g+c+d); Dig = (f+g+b+c); Dig = (a+f+g+c+d); Dig = (a+f+g+c+d+e); Dig = (a+b+c); Dig = (a+b+c+d+e+f+g); Dig = (a+b+c+d+f+g); } void main() { unsigned char j, k = 0; Dig_init(); Display(0); io_init(); timer0_init(); SREG |= (1 while(1) { for (j = 0; j // Задержка для отображения цифры (k == 3) ? k = 0: k++; PORTC &= 31; //Очистка PC7, PC6, PC5 for (j = 0; j// Задержка для выключения транзистора switch (k) { case 0: PORTC |= (1 // Единицы PORTA = Disp7; break ; case 1: PORTC |= (1 // Десятки PORTA = Disp6; break ; case 2: PORTC |= (1 // Сотни PORTA = Disp5; } } } #pragma vector = TIMER0_COMP_vect __interrupt void Indic_change() { if (i else { i = 1; if (Number else Number = 0; PORTB++; Display(Number); // Увеличение отображаемого числа. } }

Функция Display(Number) берет число Number и отнимает от него по сотне, пока Number не станет меньше 100. Количество отнятых сотен сохраняется в Num1. Аналогично потом отнимают десятки. Количество десятков - в переменной Num2. Остаток (единицы) сохраняется в Num3. Глобальным переменным Disp5, Disp6, Disp7 присваиваются значения, которые нужно отправить в порт A, чтобы отобразить исходное число Number. Как это выглядит в действии, увидите, когда прошьёте программу в МК.

© Киселев Роман
Июнь 2007