Двухцветный семисегментный индикатор. Управление семисегментным индикатором. Статическое управление светодиодным индикатором

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.

Светодиод (или светоизлучающий диод) представляет собой оптический диод, излучающий световую энергию в виде «фотонов», если он смещен в прямом направлении. В электронике мы называем этот процесс электролюминесценцией. Цвет видимого света, излучаемого СИД, лежит в диапазоне от синего до красного и определяется спектральной излучаемого света, которая, в свою очередь, зависит от различных примесей, которые добавляются в полупроводниковые материалы в процессе их производства.

Светодиоды имеют много преимуществ по сравнению с традиционными лампами и светильниками, и, пожалуй, самым главным из них является их небольшой размер, долговечность, различные цвета, дешевизна и легкая доступность, способность легко взаимодействовать с различными другими электронными компонентами в цифровых схемах.

Но главное преимущество светодиодов состоит в том, что благодаря их малому размеру, некоторые из них могут быть сосредоточены в одном компактном корпусе, образуя так называемый семисегментный индикатор.

Семисегментный индикатор состоит из семи светодиодов (отсюда и его название), расположенных прямоугольником, как показано на рисунке. Каждый из семи светодиодов называется сегментом, поскольку при свечении сегмент образует часть цифры (десятичной или 12-ричной Иногда в пределах одного пакета используется 8-й дополнительной светодиод. Он служит для отображения десятичной точки (DP), позволяя, таким образом, отображать если два или более 7-сегментных индикаторов соединены вместе для представления чисел больше десяти.

Каждый из семи светодиодных сегментов дисплея соединен с соответствующей площадкой контактного ряда, расположенного прямо на прямоугольном пластиковом корпусе индикатора. Светодиодные контакты промаркированы метками от a до g, представляющими каждый отдельный сегмент. Другие контакты светодиодных сегментов соединены между собой и образуют общий вывод.

Итак, прямое смещение, поданное на соответствующие контакты светодиодных сегментов в определенном порядке, заставит некоторые сегменты светиться, а остальные останутся затемненными, что позволяет высветить нужный символ шаблона числа, которое будет отображено на дисплее. Это и позволяет нам представлять каждую из десяти десятичных цифр от 0 до 9 на 7-сегментном индикаторе.

Общий вывод, как правило, используется для определения типа 7-сегментного дисплея. Каждый светодиод дисплея имеет два соединительных вывода, один их которых называется "анод", а другой, соответственно, носит название "катод". Поэтому светодиодный семисегментный индикатор может иметь два типа схемотехнического исполнения - с общий катодом (ОК) и с общим анодом (ОА).

Разница между этими двумя типами дисплеев заключается в том, что в конструкции с ОК катоды всех 7 сегментов непосредственно соединены друг с другом, а в схеме с общим (ОА) анодом между собой соединены аноды всех 7 сегментов. Обе схемы работают следующим образом.

• Общий катод (ОК) - соединенные между собой катоды всех светодиодных сегментов имеет уровень логического "0" или подключен к общему проводу. Отдельные сегменты высвечиваются подачей на их анодный вывод сигнала "высокого" логического уровня или логической "1" через ограничительный резистор для создания прямого смещения отдельных светодиодов.
• Общий анод (ОА) - аноды всех светодиодных сегментов объединены и имеют уровень логической "1". Отдельные сегменты индикатора светятся при соединении каждого конкретного катода с землей, логическим "0" или низкопотенциальным сигналом через соответствующий ограничительный резистор.

В целом семисегментные индикаторы с общим анодом более популярны, так как многие логические схемы могут потребовать больше тока, чем способен отдать источник питания. Также отметим, что дисплей с общим катодом не является прямой заменой в цепи для дисплея с общим анодом. И наоборот - это равноценно включению светодиодов в обратном направлении, и, следовательно, излучение света не произойдет.

Хотя 7-сегментный индикатор можно рассматривать как единый дисплей, он все-таки состоит из семи отдельных светодиодов в рамках одного пакета, и как таковые эти светодиоды нуждаются в защите от перегрузки по току. Светодиоды излучают свет только тогда, когда они смещены в прямом направлении, а количество излучаемого ими света пропорционально прямому току. Это означает только то, что интенсивность свечения светодиода возрастает примерно линейно с увеличением тока. Так что, во избежание повреждения светодиода, этот прямой ток должен контролироваться и ограничиваться до безопасного значения внешним ограничительным резистором.

Такие семисегментные индикаторы называются статическими. Существенным их недостатком является большое количество выводов в пакете. Для устранения этого недостатка применяются схемы динамического управления семисегментными индикаторами.

Семисегментный индикатор завоевал большую популярность среди радиолюбителей, поскольку он удобен в использовании и легок для восприятия.

В этой статье мы поговорим о цифровой индикации.
Семисегментные светодиодные индикаторы предназначены для отображения арабских цифр от 0 до 9 (рис.1).

Такие индикаторы бывают одноразрядные, которые отображают только одно число, но семисегментных групп, объединенных в один корпус может быть и больше (многоразрядные). В этом случае цифры разделяются децимальной точкой (рис.2)

Рис.2.

Индикатор называется семисегментным из-за того, что отображаемый символ строится из отдельных семи сегментов. Внутри корпуса такого индикатора находятся светодиоды, каждый из которых засвечивает свой сегмент.
Буквы и другие символы на таких индикаторах отображать проблематично, поэтому для этих целей используются 16-сегментные индикаторы.

Светодиодные индикаторы бывают двух типов.
В первом из них все катоды, т.е. отрицательные выводы всех светодиодов, объединены вместе и для них выделен соответствующий вывод на корпусе.
Остальные выводы индикатора соединены к аноду каждого из светодиодов (рис.3, а). Такая схема называется «схема с общим катодом».
Также существуют индикаторы, у которых светодиоды каждого из сегментов подключены по схеме с общим анодом (рис.3, б).

Рис.3.

Каждый сегмент обозначен соответствующей буквой. На рисунке 4 представлено их расположение.

Рис.4.

В качестве примера рассмотрим двухразрядный семисегментный индикатор GND-5622As-21 красного свечения. Кстати существуют и другие цвета, в зависимости от модели.
С помощью трехвольтовой батарейки можно включать сегменты, а если объединить группу выводов в кучку и подать на них питание, то можно даже отображать цифры. Но такой метод является неудобным, поэтому для управления семисегментными индикаторами используют регистры сдвига и дешифраторы. Также, нередко, выводы индикатора подключаются напрямую к выходам микроконтроллера, но лишь в том случае когда используются индикаторы с низким потреблением тока. На рисунке 5 представлен фрагмент схемы с использованием PIC16F876A.

Рис.5.

Для управления семисегментным индикатором часто используется дешифратор К176ИД2.
Эта микросхема способна преобразовать двоичный код, состоящий из нулей и единиц в десятичные цифры от 0 до 9.

Чтобы понять, как все это работает, нужно собрать простую схему (рис.6). Дешифратор К176ИД2 выполнен в корпусе DIP16. Он имеет 7 выходных вывода (выводы 9 - 15), каждый из которых предназначен для определенного сегмента. Управление точкой здесь не предусмотрено. Также микросхема имеет 4 входа (выводы 2 - 5) для подачи двоичного кода. На 16-й и 8-ой вывод подается плюс и минус питания соответственно. Остальные три вывода являются вспомогательными, о них я расскажу чуть позже.

Рис.6.

DD1 - К176ИД2
R1 - R4 (10 - 100 кОм)
HG1 - GND-5622As-21

В схеме присутствует 4 тумблера (можно любые кнопки), при нажатии на них на входы дешифратора подается логическая единица от плюса питания. Кстати питается сама микросхема напряжением от 3 до 15 Вольт. В данном примере вся схема питается от 9-вольтовой "кроны".

Также в схеме присутствует 4 резистора. Это, так называемые, подтягивающие резисторы. Они нужны, чтобы гарантировать на логическом входе низкий уровень, при отсутствии сигнала. Без них показания на индикаторе могут отображаться некорректно. Рекомендуется использовать одинаковые сопротивления от 10 кОм до 100 кОм.

На схеме выводы 2 и 7 индикатора HG1 не подключены. Если подключить к минусу питания вывод DP, то будет светиться децимальная точка. А если подать минус на вывод Dig.2, то будет светиться и вторая группа сегментов (будет показывать тот же символ).

Входы дешифратора устроены так, что для отображения на индикаторе чисел 1, 2, 4 и 8 требуется нажатие лишь одной кнопки (на макете установлены тумблеры, соответствующие входам D0, D1, D2 и D3). При отсутствии сигнала отображается цифра ноль. При подаче сигнала на вход D0 отображается цифра 1. И так далее. Для отображения других цифр требуется нажатие комбинации тумблеров. А какие именно нужно нажимать нам подскажет таблица 1.

Таблица 1.

Чтобы отобразить цифру "3" необходимо логическую единицу подать на вход D0 и D1. Если подать сигнал на D0 и D2, то отобразится цифра "5" (рис.6).

Рис.6.

Здесь представлена расширенная таблица, в которой мы видим не только ожидаемую цифру, но и те сегменты (a - g), которые составят эту цифру.

Таблица 2.

Вспомогательными являются 1, 6 и 7-ой выводы микросхемы (S, M, К соответственно).

На схеме (рис.6) 6-ой вывод "М" заземлен (на минус питания) и на выходе микросхемы присутствует положительное напряжение для работы с индикатором с общим катодом. Если используется индикатор с общим анодом, то на 6-ой вывод следует подать единицу.

Если на 7-ой вывод "К" подать логическую единицу, то знак индикатора гасится, ноль разрешает индикацию. В схеме данный вывод заземлен (на минус питания).

На первый вывод дешифратора подана логическая единица (плюс питания), что позволяет отображать преобразованный код на индикатор. Но если подать на данный вывод (S) логический ноль, то входы перестанут принимать сигнал, а на индикаторе застынет текущий отображаемый знак.

Стоит заметить одну интересную вещь: мы знаем, что тумблер D0 включает цифру "1", а тублер D1 цифру "2". Если нажать оба тумблера, то высветится цифра 3 (1+2=3). И в других случаях на индикатор выводится сумма цифр, составляющих эту комбинацию. Приходим к выводу, что входы дешифратора расположены продуманно и имеют очень логичные комбинации.

Также вы можете посмотреть видео к этой статье.

Или термометров с большими цифрами, трудно найти подходящие индикаторы (типа АЛС), а иногда нужен такой размер, которого вообще нет в продаже. Для этого часто каждый элемент (сегмент) цифр собирают из нескольких обычных круглых светодиодов. Мы предлагаем более совершенный и удобный вариант такого решения, с использованием микросхемы 74HC595. В проекте получились знаки почти 10 сантиметров высоты, что могут быть видны на большие расстояния. При необходимости, большое количество цифр может быть последовательно связана друг с другом через специализированный разъем.

Принципиальная схема

Эта схема представляет собой контроллер одной цифры 7-сегментного дисплея, используя большой набор из 5 светодиодов на сегмент и регистр сдвига для легкого управления микроконтроллером через вход. Каждый из светодиодов, используемых в этом проекте, диаметром 5 мм.

Микросхема ULN2003 помогает усилить ток, протекающий через светодиоды. Резисторы R1 — R8 токоограничивающие для светодиодов, которые в схеме соединены последовательно.

Доброго времени суток! После моего затяжного и вынужденного перерыва, продолжим освоение курса «Программирование Ардуино». В одном из наших предыдущих уроков, мы уже работали с последовательностью светодиодов, теперь пора переходить к следующему этапу обучения. Темой сегодняшней статьи будет – 7-сегментный индикатор.

Знакомство с 7-сегментным индикатором будет состоять из двух частей. В первой части мы поверхностно «пробежимся» по теоретической составляющей, поработаем с «железом» и напишем простенькие программки.

Прошлый раз мы работали с последовательностью из 8 светодиодов, сегодня их также будет 8 (7 – светодиодных полосок и 1 точка). В отличии от предыдущей последовательности, элементы этого набора не выстроенные в ряд (друг за дружкой), а расположены в определённом порядке. Благодаря чему используя лишь один компонент можно вывести 10 цифр (от 0 до 9).

Еще одно существенное отличие, что выделяет данный индикатор на фоне простых светодиодов. У него общий катод (вернее две равноценные ножки 3 и 8, на который заведен катод). Достаточно всего лишь соединить один из катодов с землей (GND ). Аноды у всех элементов индикатора индивидуальные.

Небольшое отступление. Все выше сказанное относится к 7-сегментным индикаторам с общим катодом. Однако существуют индикаторы с общим анодом. Подключение таких индикаторов имеет существенные отличия, поэтому прошу не путать «грешное с праведным». Необходимо четко понимать, какой именно тип семисегментника у вас в руках!

Кроме отличий между простыми светодиодами и 7-сегментными индикаторами, есть и общие черты. Например: индикаторы, как и светодиоды, можно смонтировать в ряд (последовательность) для отображения двух-, трёх-, четырехзначных чисел (разрядов). Однако не советую сильно заморачиваться по поводу самостоятельной сборки сегментных наборов. В продаже «рядом» с одноразрядными индикаторами, продаются и многоразрядные.

Надеюсь, вы не забыли об необходимости использования токоограничивающих резисторов при подключении светодиодов. Это же относится и к индикаторам: на каждый элемент индикатора должен быть подключен свой резистор. 8 элементов (7 + 1) – 8 резисторов.

У меня под рукой оказался семисегментник с маркировкой 5161AS (общий катод). Распиновка контактов:

Принципиальная схема

Как говорил ранее, для того, чтобы включить сегмент «А» подключим к любому общему контакту (3 или 8) «землю», а на вывод 7 подадим 5В питания. Если индикатор с общим анодом, то на анод подаём 5В, а на вывод сегмента «землю»!

Соберём тестовый стенд. Соединяем провода по порядку, начиная с первой ножки, которая идёт на 2-й вывод платы Ардуино. Землю подключим к 8 выводу индикатора.

После того, как стенд собран можно приступать к написанию прошивки.

Для проверки индикатора запустим написанную программу. Выберем элемент «А» и помигаем им.

Теперь помигаем цифрой 2. Для этого включим еще несколько элементов.

Чтобы вывести одну цифру, нужно написать n-число строчек кода. Затруднительно, не находите.

Есть другой путь. Для того, чтобы вывести любую цифру на индикаторе, сначала её нужно представить в виде определенной последовательности бит.

Таблица соответствия.

Если у дисплея общий анод, то 1 нужно заменить на 0, а 0 – на 1!

Столбец hex – представление цифры в байтовом виде (более детально поговорим об этом во второй части).

Число в двоичной системе счисления записывается следующим образом: 0b00000000. 0b – двоичная система. Нули означают, что все светодиоды выключены.

При подключении мы задействовали выводы с 2 по 9. Чтобы включить 2 вывод записываем в него единицу = 0b00000001. За точку отвечает четвёртый бит справа. За чёрточку посередине индикатора отвечает самый последний бит.

Давайте напишем пример вывода цифры 0.

Для уменьшения количества набранных строк воспользуемся циклом, который позволяет «перебрать» все 8 бит. Переменной Enable_segment присваивается значение считываемого бита. После этого текущий вывод устанавливается в соответствующий режим (наличия или отсутствия сигнала ).

Примечание: функция bitRead() считывает состояние указанного бита и возвращает значение состояния (0 или 1). bitRead(x, n) где, x — число, бит которого необходимо считать; n — номер бита, состояние которого необходимо считать. Нумерация начинается с младшего значащего бита (крайнего правого) с номером 0.

И в завершении первой части напишем небольшой счетчик.