Wyświetlacz 7-segmentowy to prosty element elektroniczny składający się z siedmiu pasków LED, które pokazują cyfry, kilka liter, a nawet wartości szesnastkowe. Jest używany w zegarach, kalkulatorach, licznikach i urządzeniach, ponieważ jest o niskim poborze mocy, niezawodny i łatwy w użyciu. W tym artykule szczegółowo wyjaśniono rozkład pinów, specyfikacje, metody jazdy i wskazówki dotyczące projektowania.
Klasa C1. Przegląd wyświetlacza 7-segmentowego
Klasa C2. 7-segmentowa konfiguracja wyprowadzeń wyświetlacza
Klasa C3. Różne zastosowania wyświetlacza 7-segmentowego
Klasa C4. Wspólna katoda a wspólna anoda w wyświetlaczach 7-segmentowych
Klasa C5. Specyfikacja elektryczna wyświetlaczy 7-segmentowych
Klasa C6. Obliczanie rezystorów dla wyświetlaczy 7-segmentowych
Klasa C7. Sterowanie wyświetlaczami 7-segmentowymi z układami scalonymi dekodera
Klasa C8. Metody sterowania dla wyświetlaczy 7-segmentowych
Klasa C9. Multipleksowanie wielocyfrowych wyświetlaczy 7-segmentowych
Klasa C10. Sterowanie wyświetlaczami 7-segmentowymi ze sterownikami tranzystorów i MOSFET
Klasa C11. Znaki, które można wyświetlać na wyświetlaczach 7-segmentowych
Klasa C12. Końcówki PCB i okablowania do wyświetlaczy 7-segmentowych
Klasa C13. Konkluzja
Klasa C14. Często zadawane pytania [FAQ]
Przegląd wyświetlacza 7-segmentowego
Wyświetlacz 7-segmentowy jest jednym z najprostszych, ale najczęściej używanych elektronicznych urządzeń wyświetlających dane numeryczne i ograniczone znaki. Składa się z siedmiu pasków LED ułożonych w stylu ósemki, które mogą być podświetlane w różnych kombinacjach, tworząc cyfry od 0 do 9, a także kilka znaków alfabetu. Wiele wersji zawiera również dodatkowy segment dziesiętny (dp) do wyświetlania liczb zmiennoprzecinkowych, dzięki czemu nadają się do kalkulatorów, zegarów, mierników i elektroniki. Ich prostota, niskie zużycie energii i łatwe połączenie z mikrokontrolerami sprawiły, że są one aktualne nawet w obliczu wzrostu popularności wyświetlaczy LCD i OLED. Dzięki wytrzymałej konstrukcji można je również znaleźć w urządzeniach przemysłowych, przyrządach testowych i systemach wbudowanych, w których wymagana jest niezawodność.
7-segmentowa konfiguracja wyprowadzeń wyświetlacza
| Nr sworznia | Nazwa pinu | Przypnij rolę |
|---|---|---|
| 1 | Sworzeń E | Zarządza segmentem LED w lewym dolnym rogu. |
| 2 | Sworzeń D | Odpowiedzialny za segment LED w najniższej części. |
| 3 | Wspólny PIN | Łączy się z VCC lub uziemieniem, w zależności od typu wyświetlacza. |
| 4 | Sworzeń C | Steruje segmentem LED w prawym dolnym położeniu. |
| 5 | Przypinka DP | Steruje segmentem diody LED z przecinkiem dziesiętnym. |
| 6 | Szpilka B | Zarządza segmentem LED w prawym górnym rogu. |
| 7 | Kołek A | Kieruje działaniem najwyższego segmentu diody LED. |
| 8 | Wspólny PIN | Podobny do pinu 3; łączy się z VCC lub masą. |
| 9 | Sworzeń F | Uruchamia segment LED w lewym górnym rogu. |
| 10 | Sworzeń G | Steruje przełączaniem środkowego segmentu diody LED. |
Każda cyfra składa się z siedmiu segmentów LED oznaczonych od A do G i opcjonalnego separatora dziesiętnego (DP). Podświetlając różne kombinacje tych segmentów, można wyświetlić cyfry i niektóre litery. Piny na dole łączą się z każdym segmentem, kropką dziesiętną i wspólnymi zaciskami (COM), które mogą być powiązane z uziemieniem lub napięciem zasilania, w zależności od tego, czy wyświetlacz jest wspólną katodą, czy wspólną anodą.
Różne zastosowania wyświetlacza 7-segmentowego
Zegary cyfrowe
Wyświetlacze 7-segmentowe są używane w zegarach cyfrowych do pokazywania godzin, minut i sekund w łatwym do odczytania formacie numerycznym. Ich wyraźna widoczność sprawia, że nadają się zarówno do konsumenckich, jak i przemysłowych urządzeń do pomiaru czasu.
Kalkulatory
Kalkulatory kieszonkowe i biurkowe opierają się na 7-segmentowych wyświetlaczach do prezentacji wyników numerycznych. Ich niskie zapotrzebowanie na moc zapewnia długą żywotność baterii, nawet w kompaktowych urządzeniach.
Przyrządy pomiarowe
Multimetry, woltomierze, amperomierze i liczniki częstotliwości często wykorzystują 7-segmentowe wyświetlacze, aby zapewnić dokładne odczyty numeryczne, zapewniając przejrzystość inżynierom i technikom.
Sprzęt AGD
Urządzenia takie jak kuchenki mikrofalowe, pralki i klimatyzatory wykorzystują 7-segmentowe wyświetlacze do wskazywania czasu, temperatury i ustawień programu.
Pompy paliwowe
Dystrybutory paliw wykorzystują 7-segmentowe wyświetlacze, które pokazują ilość i koszt paliwa, zapewniając klientom przejrzyste dane w czasie rzeczywistym.
Tablice wyników
Tablice wyników sportowych wykorzystują duże 7-segmentowe wyświetlacze, które pokazują wyniki, timery i odliczanie, które są widoczne z daleka.
Wspólna katoda a wspólna anoda w wyświetlaczach 7-segmentowych
Wspólna katoda (CC)
Wszystkie zaciski katodowe (ujemne) diod LED są ze sobą połączone i podłączone do masy (GND). Segment zapala się, gdy WYSOKIE napięcie zostanie przyłożone do odpowiadającego mu pinu.
Ten typ jest łatwy w użyciu z mikrokontrolerami lub układami scalonymi sterowników, które bezpośrednio dostarczają prąd.
Wspólna anoda (CA)
Wszystkie zaciski anodowe (dodatnie) są ze sobą połączone i podłączone do VCC. Segment włącza się, gdy jego pin jest ściągnięty NISKO (do masy). Najlepiej działa ze sterownikami pochłaniającymi prąd.
Identyfikacja typu
Użyj multimetru w trybie diodowym. W przypadku wspólnej anody podłącz czerwoną sondę do wspólnego pinu, a czarną sondę do pinu segmentowego, jeśli segment się świeci, jest to CA. Odwróć sondy, aby sprawdzić, czy nie ma wspólnej katody.
Specyfikacje elektryczne wyświetlaczy 7-segmentowych
| Parametr | Zasięg |
|---|---|
| Napięcie przewodzenia (Vf) | 1,8–2,4 V (czerwony/żółty: \~1,8–2,0 V, zielony/niebieski: \~2,0–2,4 V) |
| Prąd przewodzenia (If) | 10–30 mA (standardowo 20 mA na segment) |
| Prąd szczytowy | Do 100 mA (tylko praca impulsowa/multipleksowa) |
| Natężenie światła | 1–10 mcd (wyższe wartości = jaśniej) |
| Długość fali (kolor) | Czerwony: 620–630 nm, Zielony: 565 nm |
| Kąt widzenia | 50–120° |
Obliczanie rezystorów dla wyświetlaczy 7-segmentowych
Wyświetlacz 7-segmentowy wymaga rezystora ograniczającego prąd dla każdego segmentu diody LED, aby zapobiec nadmiernemu przepływowi prądu i nierównomiernej jasności. Wartość rezystora określa się za pomocą prawa Ohma, wyrażoną jako R = (Vcc – Vf) / Jeśli, gdzie Vcc jest napięciem zasilania, Vf jest napięciem przewodzenia diody LED, a If jest pożądanym prądem przewodzenia. Na przykład przy zasilaniu 5 V, napięciu przewodzenia 2,0 V na segment i prądzie docelowym 10 mA obliczenia wynoszą (5 – 2) ÷ 0,01 = 300 Ω. Ponieważ rezystory mają standardowe wartości, najlepiej wybrać następną wyższą opcję, taką jak 330 Ω, aby zapewnić bezpieczeństwo. Każdy segment musi mieć swój własny rezystor, ponieważ współdzielenie go przez wspólny pin powoduje nierównomierne poziomy jasności. W przypadku wyświetlaczy multipleksowych podczas regulacji wartości rezystorów należy również wziąć pod uwagę pracę impulsową.
Sterowanie wyświetlaczami 7-segmentowymi z układami scalonymi dekodera
Sterowanie 7-segmentowym wyświetlaczem bezpośrednio z mikrokontrolera może szybko zużywać piny I/O, ponieważ jedna cyfra wymaga do ośmiu pinów (siedem segmentów plus przecinek dziesiętny). Aby zaoszczędzić GPIO i uprościć okablowanie, stosuje się układy scalone dekoderów. Układy te konwertują 4-bitowe dane wejściowe dziesiętne z kodowaniem binarnym (BCD) na niezbędne siedem wyjść, które sterują segmentami wyświetlacza, zmniejszając zapotrzebowanie do zaledwie czterech linii danych.
Model 74HC4511 jest przeznaczony do wyświetlaczy ze wspólną katodą (CC) i zapewnia wyjścia active-HIGH. Zawiera przydatne funkcje, takie jak włączanie zatrzasku, test lampy i kontrola wygaszania, które umożliwiają stabilną kontrolę i testowanie wyświetlacza. Z drugiej strony, SN7447/LS47 współpracuje ze wspólnymi wyświetlaczami anodowymi (CA) i wyprowadza sygnały aktywne-niskie. Obsługuje również funkcje testowania lampy i wygaszania tętnień, dzięki czemu nadaje się do sterowania wieloma cyframi w wyświetlaczach kaskadowych.
Metody sterowania wyświetlaczami 7-segmentowymi
Napęd bezpośredni
W tym podejściu każdy segment diody LED łączy się bezpośrednio z pinu MCU przez rezystor. Chociaż jest prosty, wymaga do 8 pinów na cyfrę. Jest to praktyczne w przypadku wyświetlaczy jednocyfrowych, ale nieefektywne w przypadku konfiguracji wielocyfrowych.
Układy scalone dekodera
Dekoder zmniejsza zużycie pinów, konwertując 4-bitowe wejście binarne na siedem wyjść potrzebnych do wyświetlenia. Takie podejście jest doskonałe w przypadku pojedynczych cyfr lub małych wyświetlaczy, zmniejszając wymagane piny MCU do zaledwie czterech. Staje się mniej wydajny podczas obsługi większych tablic wielocyfrowych.
Rejestry przesuwne
Rejestry przesuwne pobierają dane szeregowe z MCU i przekształcają je na wyjścia równoległe. Można je łatwo łączyć kaskadowo, dzięki czemu idealnie nadają się do wielocyfrowych modułów 7-segmentowych przy użyciu bardzo niewielu pinów MCU. Ta metoda jest najbardziej skalowalna i stosowana w zegarach cyfrowych, licznikach i wyświetlaczach multipleksowych.
Multipleksowanie wielocyfrowych wyświetlaczy 7-segmentowych
W przypadku korzystania z wielocyfrowych wyświetlaczy 7-segmentowych, multipleksowanie jest powszechną metodą sterowania nimi bez użycia zbyt wielu pinów. W tym podejściu włączana jest tylko jedna cyfra na raz, ale przełączanie odbywa się tak szybko, że wygląda na to, że wszystkie cyfry są włączone razem. Ułatwia to zarządzanie wyświetlaczem, a jednocześnie wyświetla prawidłowe liczby.
Aby wyświetlacz wyglądał stabilnie, każda cyfra musi być odświeżana wystarczająco szybko, około 200 razy na sekundę, aby oko nie zauważyło żadnego migotania. Czas, przez jaki każda cyfra jest aktywna, nazywany jest cyklem pracy, który zależy od liczby cyfr kontrolowanych. Krótszy cykl pracy oznacza, że cyfry nie są tak jasne, więc może być konieczne dostosowanie prądu w bezpiecznych granicach, aby zachować widoczność.
Jednym z problemów, który może wystąpić podczas multipleksowania, jest zjawy, w której niechciane segmenty wydają się słabo oświetlone. Można tego uniknąć, wyłączając wszystkie cyfry przed aktualizacją sygnałów segmentowych i stosując sterowniki, które mogą szybko zmieniać stany w celu zapewnienia czystszej pracy.
Sterowanie wyświetlaczami 7-segmentowymi ze sterownikami tranzystorów i MOSFET
Układy tranzystorów Darlingtona
Te układy scalone są używane do tłumienia prądu w wyświetlaczach ze wspólną katodą (CC). Każdy kanał może sterować segmentem lub cyfrą, dzięki czemu nadają się do średnich i dużych wyświetlaczy.
Tranzystory PNP i tranzystory MOSFET z kanałem P
W przypadku wyświetlaczy ze wspólną anodą (CA) konieczne jest zasilanie prądem. Tranzystory PNP lub P-MOSFET dostarczają wymagany prąd do anod, jednocześnie umożliwiając MCU efektywne sterowanie przełączaniem.
Dedykowane układy scalone sterowników LED
Wyspecjalizowane układy scalone, takie jak MAX7219, integrują multipleksowanie, regulację prądu i kontrolę jasności w jednym chipie. Te sterowniki znacznie zmniejszają złożoność okablowania i zwalniają zasoby MCU.
Znaki, które możesz pokazać na wyświetlaczach 7-segmentowych
11,1 cyfry (0–9)
Podstawowym celem wyświetlaczy 7-segmentowych jest wyświetlanie liczb dziesiętnych. Wszystkie cyfry od 0 do 9 mogą być wyświetlane wyraźnie i dokładnie, dlatego są używane w kalkulatorach, zegarach i miernikach.
Znaki szesnastkowe (A–F)
Wyświetlacze 7-segmentowe mogą również reprezentować wartości szesnastkowe. Obsługiwane znaki to A, b, C, d, E i F. To sprawia, że są one przydatne w elektronice cyfrowej i systemach wbudowanych, w których potrzebna jest reprezentacja szesnastkowa.
Ograniczone litery alfabetu
Niektóre litery, takie jak P, U, L i H, można przybliżyć za pomocą siedmiu segmentów. Czytelność nie zawsze musi być najlepsza, ponieważ wiele liter wymaga więcej segmentów, niż zapewnia wyświetlacz.
Nie nadaje się do pełnego tekstu
Ze względu na ograniczoną budowę, wyświetlacze 7-segmentowe nie są praktyczne do pokazywania słów lub złożonych liter. W przypadku zastosowań z dużą ilością tekstu projektanci często używają wyświetlaczy z matrycą punktową lub alfanumerycznych modułów LCD/LED.
Końcówki PCB i okablowania do wyświetlaczy 7-segmentowych
• Umieść rezystory ograniczające prąd w pobliżu pinów diody LED, aby utrzymać stabilną jasność i zmniejszyć spadki napięcia na ścieżkach.
• Użyj szerokich ścieżek PCB dla zwykłych linii anodowych lub katodowych, ponieważ przenoszą one wyższe prądy dla wielu segmentów jednocześnie.
• Dodaj solidną płaszczyznę uziemienia, aby zapewnić stabilne ścieżki powrotne, zminimalizować hałas i poprawić ogólną wydajność obwodu.
• Utrzymuj krótkie linie cyfrowe i dobrze poprowadzone, aby uniknąć problemów z szumami i zapewnić szybkie przejścia dla płynnego multipleksowania.
Wnioski
Wyświetlacze 7-segmentowe są praktyczne, trwałe i szeroko stosowane do pokazywania liczb w urządzeniach takich jak zegary, kalkulatory, liczniki i pompy paliwa. Mogą pracować jako wspólna katoda lub wspólna anoda i być sterowane przez mikrokontrolery, układy scalone dekoderów lub rejestry przesuwne. Chociaż nie nadają się do pełnego tekstu, ich wydajność i niezawodność sprawiają, że są wymagane w wielu zastosowaniach.
Często zadawane pytania [FAQ]
Jakie materiały są używane w wyświetlaczach 7-segmentowych?
Wykonane są z półprzewodnikowych diod LED (GaAsP dla czerwonego/pomarańczowego, GaP dla zielonego) umieszczonych w żywicy epoksydowej w celu ochrony i kształtowania światła.
Czy wyświetlacze 7-segmentowe mogą być używane na zewnątrz?
Tak, ale odpowiednie są tylko wersje o wysokiej jasności lub duże segmenty. Standardowe wyświetlacze są zbyt ciemne, aby zapewnić bezpośrednie działanie promieni słonecznych.
Jak długo wytrzymuje wyświetlacz 7-segmentowy?
Dobrze sterowany wyświetlacz wytrzymuje od 50 000 do 100 000 godzin. Przetężenie lub przegrzanie skraca żywotność.
Jaka jest najlepsza częstotliwość odświeżania dla wyświetlaczy multipleksowych?
Większość z nich działa najlepiej w zakresie od 100 Hz do 1 kHz. Częstotliwości poniżej 100 Hz powodują migotanie, podczas gdy częstotliwości powyżej 1 kHz marnują zasoby.
Czy istnieją wielokolorowe wyświetlacze 7-segmentowe?
Tak. Niektóre modele wykorzystują dwukolorowe diody LED lub RGB, co pozwala na wiele opcji kolorów na jednym wyświetlaczu.
Co zużywa więcej energii, wyświetlacze 7-segmentowe czy LCD?
7-segmentowe diody LED zużywają więcej energii niż wyświetlacze LCD. Wyświetlacze LCD są preferowane w urządzeniach o niskim poborze mocy, podczas gdy diody LED są jaśniejsze i bardziej wytrzymałe.