Как подключить циферблат к ардуино

Как подключить семисегментный индикатор к Arduino

В этой статье описывается схема подключения пары светодиодных семисегментных индикаторов к Arduino Uno с помощью микросхем-драйверов CD4026. При таком подходе для вывода произвольного числа используется всего 2 цифровых выхода контроллера.

Для примера будем выводить на индикаторы количество секунд, прошедших с момента начала работы.

Исходные компоненты

Для эксперимента нам понадобятся:

Принцип работы

Семисегментный индикатор — это просто набор обычных светодиодов в одном корпусе. Просто они выложены восьмёркой и имеют форму палочки-сегмента. Можно подключить его напрямую к Arduino, но тогда будет занято 7 контактов, а в программе будет необходимо реализовать алгоритм преобразования числа из двоичного представления в соответствующие «калькуляторному шрифту» сигналы.

Для упрощения этой задачи существует 7-сегментный драйвер. Это простая микросхема с внутренним счётчиком. У неё есть 7 выходов для подключения всех сегментов (a, b, c, d, e, f, g pins), контакт для сбрасывания счётчика в 0 (reset pin) и контакт для увеличения значения на единицу (clock pin). Значение внутреннего счётчика преобразуется в сигналы (включен / выключен) на контакты a-g так, что мы видим соответствующую арабскую цифру.

На микросхеме есть ещё один выход, обозначенный как «÷10». Его значение всё время LOW за исключением момента переполнения, когда значение счётчика равно 9, а его увеличивают на единицу. В этом случае значением счётчика снова становится 0, но выход «÷10» становится HIGH до момента следующего инкремента. Его можно соединить с clock pin другого драйвера и таким образом получить счётчик для двузначных чисел. Продолжая эту цепочку, можно выводить сколь угодно длинные числа.

Микросхема может работать на частоте до 16 МГц, т.е. она будет фиксировать изменения на clock pin даже если они будут происходить 16 миллионов раз в секунду. На той же частоте работает Arduino, и это удобно: для вывода определённого числа достаточно сбросить счётчик в 0 и быстро инкрементировать значение по единице до заданного. Глазу это не заметно.

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.

Программирование

Результат

Подключаем контакт 2 с Arduino к контакту clock младшего (правого) драйвера, контакт 3 — к общему reset’у драйверов; разводим питание; включаем — работает!

Источник

Как подключить 7-сегментный индикатор к Arduino

Для проекта понадобятся:

1 Описание сегментного светодиодного индикатора

Индикатор называется 7-сегментным из-за того, что он состоит из семи светодиодов, которые расположены в форме цифры «8». Зажигая определённые сегменты, можно изображать разные цифры. Это похоже на цифры индекса на почтовом конверте: закрашивая определённые участки, мы пишем разные индексы. Зачастую дополнительно к 7-ми сегментам, индикатор содержит десятичную точку. Также индикатор может иметь несколько цифр – разрядов. Обычно от одного до 4-х. Сегменты индикатора обозначаются латинскими буквами от A до G, а DP – это десятичная точка (decimal point).

Обозначение сегментов 7-, 9-, 14- и 16-сегментных индикаторов

К слову, существуют сегментные индикаторы, число сегментов которых отличается от 7-ми. Так, например, существуют 14- и 16-сегментные индикаторы. Кроме цифр от 0 до 9 они также позволяют выводить буквы. Принцип их работы и управления обычно идентичны таковым для 7-сегментных индикаторов.

Мы в качестве индикатора будем использовать семисегментный индикатор 3361AS-1. Он построен по принципу индикатора с общим катодом. Это значит, что индикатор состоит из нескольких светодиодов в одном корпусе, у которых общая земля, а питание на каждый светодиод подаётся отдельно.

Как не трудно догадаться, существуют индикаторы с общим анодом. У них всё наоборот: общее питание, а для зажигания отдельного светодиода необходимо подать на него нулевой уровень.

2 Подключение 7-сегментного индикатора непосредственно к Arduino

Мы можем подключить индикатор прямо к выводам Arduino. Для этого придётся задействовать сразу 7 ножек (или 8, если нужна десятичная точка). Обратим внимание, что индикатор 3361AS не имеет токоограничивающих резисторов. Необходимо обеспечить наличие сопротивления номиналом около 180…220 Ом на каждый вывод индикатора (т.к. питание подаём +5 В от Arduino).

Электрическая схема 7-сегментного индикатора 3361AS

Расположение выводов индикатора показано на иллюстрации:

Размеры корпуса и расположение выводов 7-сегментного индикатора 3361AS

Подключать индикатор будем в соответствии с таблицей. Будет выбран первый разряд, остальные два пока не будем трогать.

Напишем скетч, который последовательно выводит числа от 0 до 9 на первом разряде индикатора.

Скетч управления индикатором 3361AS (разворачивается)

Небольшое пояснение по поводу массива numbers[] в функции printNumber(). Этот массив состоит из 10-ти подмассивов, каждый из которых определяет одну цифру от 0 до 9. В свою очередь подмассивы состоят из 8-ми элементов, которые задают состояния сегментов от A до G и DP. Например, первый подмассив описан как <1,1,1,1,1,1,0,0>и он отвечает за вывод на индикатор нуля. Это означает, что сегменты A,B,C,D,E,F должны гореть, а сегменты G и DP – нет.

В результате получаем примерно следующее:

Управление 7-сегментным индикатором с помощью Arduino Nano

И вот так в динамике:

Это самый простой способ управления сегментным индикатором, но, как мы видим, он задействует почти все цифровые ножки Arduino. Особенно если мы решим использовать все разряды индикатора. Тогда кроме ножек для управления сегментами придётся дополнительно использовать столько выводов, сколько разрядов у индикатора. Получится, что для управления 7-сегментным индикатором с 3-мя разрядами необходимо 11 ножек (7 сегментов + 1 десятичная точка + 3 ножки для выбора разряда). Это расточительно, и не всегда можно такое себе позволить.

3 Драйвер для управления 7-сегментным индикатором

Чтобы сократить число задействованных выводов микроконтроллера обычно на практике используются различные решения. Например, популярным способом управления 7-сегментным индикатором является применение микросхемы CD4511 – двоично-десятичного преобразователя. Он переводит двоичный код числа в напряжение на соответствующих цифре сегментах индикатора. Такой преобразователь будет использовать всего 4 ножки Arduino. То есть, например, если необходимо отобразить на индикаторе десятичное число 7, необходимо выставить на входе преобразователя двоичное 0111 («LOW HIGH HIGH HIGH»). Микросхема CD4511 выполняется в разных типах корпусов. Назначение выводов в исполнении с 16-тью ножками, такое:

Выводы двоично-десятичного преобразователя CD4511

Отечественными аналогами данного преобразователя являются микросхемы серий ИД1…ИД7. Кстати, отечественные преобразователи изображают цифры «6» и «9», используя 6 сегментов, а зарубежные CD4511 – только 5 сегментов.

Разница в выводе цифр CD4511 и ИД7

4 Управление 7-сегментным индикатором с помощью драйвера CD4511 и Arduino

При подключении двоичного декодера будем руководствоваться следующей таблицей:

Желательно также подключить керамический конденсатор ёмкостью примерно 1 мкФ между землёй и питанием микросхемы CD4511.

Подключение 7-сегментного индикатора к Arduino с двоичным декодером CD4511B

Теперь напишем простой скетч, чтобы проверить работоспособность 7-сегментного индикатора 3361AS-1 в связке с двоично-десятичным декодером, а также получить опыт работы с ними. Данный скетч будет поочерёдно перебирать числа от 0 до 9, перемещаясь по циклу от одного разряда индикатора к следующему.

Скетч для управления 7-сегментным индикатором (светится 1 разряд) (разворачивается)

Загрузим скетч в Arduino и посмотрим результат.

В один момент времени светится только один разряд индикатора. Как же задействовать одновременно сразу три разряда индикатора? Это будет немного сложнее. Сложность заключается в том, что нам одновременно нужно управлять тремя разрядами десятичного число, используя только один преобразователь CD4511. Но чисто физически это невозможно. Однако можно добиться иллюзии постоянного свечения всех разрядов светодиодного индикатора. Для этого придётся быстро переключаться между разрядами, постоянно обновляя показание каждого разряда. Мы будем поочерёдно активировать каждый из разрядов индикатора 3361AS, выставлять на нём с помощью двоичного преобразователя CD4511 нужную цифру, а затем переключаться на следующий разряд.

Для человеческого глаза такое переключение между разрядами будет незаметно, но если результат снять на видео, то его можно увидеть.

Также перепишем функцию setNumber() отправки двоичного кода на вход микросхемы преобразователя CD4511. Вместо использования оператора switch, используем массив массивов.

Скетч для управления трёхразрядным 7-сегментным индикатором (разворачивается)

Получится вот такая картина.

Управление трёхразрядным семисегментным индикатором с помощью преобразователя CD4511 и Arduino

В динамике это выглядит так. Тут как раз временами видны мерцания сегментов светодиодного индикатора.

Можно попробовать поиграть значением задержек в функции setDigit(). Если сделать задержки меньше, то мерцание станет меньше заметно. Но начнут сильнее засвечиваться соседние сегменты на выбранном разряде индикатора. Тут необходимо выбрать какое-то компромиссное решение.

5 Управление 7-сегментным индикатором с помощью драйвера TM1637 и Arduino

Существуют и другие драйверы для подключения 7-сегментных дисплеев. Один из них – TM1637. Есть готовые модули, в которых уже присутствует и индикатор, и драйвер, и вся необходимая «обвязка» (резисторы, конденсаторы). Пример – модуль HW-069. В качестве семисегментного индикатора здесь 4-разрядный индикатор 3642BS-1.

Модуль HW-069 с драйвером TM1637 и четырёхразрядным семисегментным индикатором

Подключение модуля к Arduino предельно простое, т.к. для обмена с драйвером используется интерфейс, очень похожий на I2C. Т.е. необходимо подключить питание от 5 В Arduino, а данные передаются по DIO и тактируются по CLK. Но тем не менее, интерфейс не эквивалентен полностью I2C, т.к. у дисплея нет своего адреса.

Модуль HW-069 с драйвером TM1637 и четырёхразрядным семисегментным индикатором

Как всегда, есть множество готовых библиотек для управления индикатором через драйвер TM1637. Например, библиотека Gyver TM1637 или библиотека Avishay TM1637.

Модуль с драйвером TM1637 работает с Arduino UNO

Эти библиотеки работают прекрасно, и рассказывать, как загружать и устанавливать библиотеку для Arduino не буду: мы это делали уже миллион раз. Мы же не ищем лёгких путей, поэтому попробуем разобраться в работе драйвера TM1637 самостоятельно, верно?

Источник

Часы на Arduino и 4-х разрядном семисегментном индикаторе

В настоящее время во встраиваемой электронике (и не только) достаточно широкое применение находят часы на семисегментных дисплеях (индикаторах). Ранее на нашем сайте мы уже рассматривали подключение семисегментного дисплея к плате Arduino Uno, также у нас представлены проекты различных часов на основе Arduino:

В этой же статье мы рассмотрим создание часов на основе платы Arduino и четырех семисегментных дисплеях. Управление семисегментными дисплеями мы будем осуществлять с помощью технологии мультиплексирования.

Необходимые компоненты

4-х разрядный семисегментный дисплей (4-Digit 7 Segment Display)

4-х разрядный семисегментный дисплей состоит из четырех семисегментных дисплеев, объединенных в единое устройство. Иногда говорят, что эти дисплеи “мультиплексированы вместе”, поэтому для управления ими можно использовать технологию мультиплексирования. Этот дисплей можно использовать для отображения цифр, а также некоторых букв. Дисплей можно использовать в обоих направлениях. 4 символа удобно использовать для изготовления электронных часов или счетчика от 0 до 9999.

На следующем рисунке показана внутренняя схема соединений 4-х разрядного семисегментного дисплея.

Каждый сегмент дисплея имеет собственный светодиод и им можно индивидуально управлять. Светодиоды таким образом скомпонованы в составе дисплея, что каждый из них освещает только свой сегмент (к которому он относится). Семисегментные дисплеи могут быть с общим катодом и общим анодом, как показано на следующем рисунке.

В семисегментном дисплее с общим катодом (ОК) отрицательные выводы всех светодиодов соединены вместе и образую общую землю. В схеме с общим анодом (ОА) положительные выводы всех светодиодов соединены вместе и они образуют общий вывод напряжения постоянного тока (VCC).

На нашем сайте есть достаточно подробные статьи про устройство семисегментных дисплеев и их программированию – они написаны для микроконтроллеров семейства AVR, но я думаю провести аналогию с Arduino вам будет не трудно:

Использование технологии мультиплексирования

Так каким образом мы можем на подобном 4-х символьном семисегментном дисплее отобразить, к примеру, число 1234? Это возможно сделать с использованием технологии мультиплексирования. Смысл этой технологии достаточно прост – в каждый момент времени мы отображаем только один символ (из 4-х возможных) на данном дисплее. Переключение между отображением всех 4-х символов происходит достаточно быстро – поэтому человеческий глаз воспринимает их непрерывно горящими.

Регистр сдвига 74HC595

Микросхема 74HC595 представляет собой 8-битовый регистр сдвига, работающий по принципу Serial IN – Parallel OUT (последовательный вход – параллельный выход). То есть данный регистр сдвига принимает входные данные последовательно и обеспечивает параллельный вывод этих данных на своих 8 контактах. С его помощью можно значительно уменьшить количество используемых контактов микроконтроллера (в нашем случае платы Arduino). Более подробно о подключении регистра сдвига 74HC595 к платы Arduino можно прочитать в этой статье.

Микросхема 74HC595 использует 3 контакта (Clock, Data & Latch) для подключения к микроконтроллеру и позволяет контролировать 8 своих выходных контактов. Контакт Clock используется для непрерывной подачи синхронизирующих импульсов, а контакт Data предназначен для подачи на него необходимых данных. Регистр сдвига 74HC595 работает по интерфейсу SPI, подробную информацию по использованию данного интерфейса в платах Arduino вы можете почерпнуть в этой статье. Назначение контактов микросхемы 74HC595 приведено на следующих двух рисунках.

Расшифровка обозначений контактов регистра сдвига74HC595 на русском языке выглядит следующим образом.

Q0-Q7 – восемь параллельных выходов общего назначения. Данные выходы нужны для того, чтобы мы могли как-то воспользоваться пришедшими данными по SPI – подключить линейку светодиодов, либо сегменты какого-то индикатора, либо дешифратор и т.д.

VCC – напряжение питания.

GND – общий провод.

DS – последовательный вход данных или MOSI.

MR – это master reset. Сбрасывает все выходы в 0. Для нормального функционирования регистра сдвига на нем должна быть логическая 1.

SH_CP – в нашем случае это будет chip select.

ST_CP – это контакт управления регистром хранения, в нашем случае это будет контакт синхронизации, на который необходимо подавать тактовые импульсы. Но Arduino будет делать для нас это автоматически при использовании соответствующей команды.

OE – задействования выхода. При отрицательном значении последовательный выход включен, при положительном – выключен.

Модуль часов реального времени DS3231

Внешний вид данного модуля представлен на следующем рисунке.

Модуль предназначен для хранения времени и даты даже когда общее питание схемы выключено – для этой цели в его состав входит элемент питания CR2032. В состав модуля DS3231 входит также датчик температуры, поэтому его можно использовать в различных встраиваемых устройствах, например, в цифровых часах с индикатором температуры и т.д. Модуль работает по интерфейсу I2C. На нашем сайте вы можете посмотреть следующие проекты с использованием данного модуля:

Назначение контактов (распиновка) модуля DS3231 приведена в следующей таблице.

Теперь перейдем непосредственно к схеме нашего проекта.

Схема проекта

Схема часов на Arduino и 4-х разрядном семисегментном индикаторе представлена на следующем рисунке.

В следующей таблице представлены необходимые соединения между модулем часов реального времени и платой Arduino Uno.

В следующей таблице представлены необходимые соединения между регистром сдвига 74HC595 и платой Arduino Uno.

В следующей таблице представлены необходимые соединения между регистром сдвига 74HC595, 4-х разрядным семисегментным дисплей и платой Arduino Uno.

Внешний вид собранной конструкции проекта показан на следующем рисунке.

Объяснение программы для Arduino

Полный код программы и видео, демонстрирующее работу проекта, приведены в конце статьи. Здесь же мы рассмотрим основные фрагменты кода программы.

В программе мы должны считывать время (часы и минуты в 24-часовом формате) с модуля часов реального времени и конвертировать их в формат для отображения на 4-х символьном семисегментном дисплее.

В нашем проекте часы и минуты считываются с модуля часов реального времени и они потом объединяются вместе, например, 0930 – это будет 09:30 pm. Затем мы выделяем индивидуальные цифры из этого считанного числа. Далее эти индивидуальные цифры преобразуются в двоичный формат и передаются на регистр сдвига, а с него на семисегментный дисплей. Для отображения всех четырех символов мы используем технологию мультиплексирования – то есть в каждый момент времени мы отображаем только один символ, но переключение между символами происходит с высокой частотой, поэтому человеческий глаз этого не замечает.

Итак, первым делом в программе подключим необходимые библиотеки.

Источник