| Szerzők: Makan Gergely, Somogyi Anikó, Dr. Mingesz Róbert és Mellár János A tananyag elsősorban az Elektronikai alapok programozóknak és a Digitális architektúrák című kurzusokhoz készült, az elsajátításához szükséges idő: 45 perc. |
Összefoglalás
A lecke bemutatja a 7-szegmenses kijelzők felépítését, valamint azt, hogy hogyan kell bekötni a szegmenseket a digitális kimenetekre és hogyan lehet egyszerűen használni. A megértésben képek és szimulációk segítenek. A lecke végén önellenőrző kérdések találhatók.
Tartalom
- A 7-szegmenses kijelző felépítése
- 7-szegmenses kijelző bekötése
- 7-szegmenses kijelző típusai
- Számjegyek megjelenítése
- Számjegyek egyszerűbb megjelenítése
- Önellenőrző kérdések
A 7-szegmenses kijelző felépítése
A 7-szegmenses kijelző egy elektronikai alkatrész, ami 0-tól 9-ig tud számokat megjeleníteni. Általában 7+1 szegmens található egy kijelzőn: 7 szegmens tartozik a számhoz plusz 1 szegmens a tizedesponthoz. A vezérlés feladatát elláthatja például egy Arduino is.
Az egyes szegmenseket LED-ek alkotják, amik egy alkatrészbe vannak tokozva.
7-szegmenses kijelző bekötése
Korábbi tananyagrészekben már szerepelt, hogy a LED-eket úgy kell használni, hogy egy áramkorlátozó ellenállással sorba kapcsoljuk. Erre azért van szükség, mert a LED ellenállása nem elég nagy, ezért túl nagy áram folyna rajta, ami a LED-et és az őt meghajtó elektronikát is tönkreteheti. Az ellenállás értéke attól függ, hogy mekkora áram vehető ki a feszültségforrásból (pl. egy Arduino digitális kimenetéből), mekkora maximális áramot enged meg a LED adatlapja és, hogy mekkora fényerőt szeretnénk. Általában 1 kOhm-os ellenállás megfelelő szokott lenni.
7-szegmenses kijelző típusai
A 7-szegmenses kijelzőknek két fő típusa van. Az egyik a közös anódos, a másik a közös katódos. Mint az már korábban szerepelt, a LED katódja az a kivezetése, amire a pozitívabb potenciált kell kapcsolni ahhoz, hogy a LED világítani tudjon.
A kijelzőben lévő egyes szegmensek betűvel vannak jelölve A-tól G-ig. Az A a legfelső és óramutató járásával megegyezően következnek sorrendben a betűk, a legutolsó a G, ami a középső vízszintes szegmens.
A közösített pontnak kettő egyenértékű kivezetése van, a 3. és a 8. láb. A további 8 db láb a LED-ek másik lábainak kivezetései.
A közös anódos 7-szegmenses kijelző esetén a 8 db LED valójában párhuzamosan van kapcsolva, anódjaik pedig az alkatrészen belül össze vannak kapcsolva.
A közös katódos kijelző esetén a LED-ek katódjai vannak közösítve.
A közös anódos kijelzőt negatív logikai módban vezérelhetjük, azaz a közösített anódot tápfeszültségre kötve az egyes szegmensek akkor világítanak, ha az egyes LED-ek katódjára logikai alacsony értéknek megfelelő feszültségszintet kapcsolunk. A közös katódos kijelzőt egyenes logikai módban vezérelhetjük, azaz a közösített katódot földre (GND) kötve az egyes szegmensek akkor világítanak, ha az egyes LED-ek anódjára logikai magas értéknek megfelelő feszültségszintet kapcsolunk.
A következő szimulációban a bal oldali kijelző közös katódos, a jobb oldali pedig közös anódos. A közös katódosnál a közösített kivezetés földre, a B és a C szegmensek pedig tápfeszültségre vannak kötve. A közös anódosnál a közösített kivezetés tápfeszültségre, a B és a C szegmensek pedig földre vannak kötve. A szimulációt elindítva azt láthatjuk, hogy a két különböző típusú kijelzőn ugyanaz a karakter, egy 1-es jelenik meg.
Számjegyek megjelenítése
Hogyan jeleníthetünk meg számjegyeket a kijelzővel? A következő ábrán az egyes számjegyekhez tartozó világító szegmensek láthatók.
Az alábbi szimulációban egyesével kapcsolhatjuk be kétállású kapcsolókkal a szegmenseket, miután elindítottuk a szimulációt. Próbaképpen jelenítsük meg az 5-ös számjegyet.
A szegmensek be- és kikapcsolását vezérelhetjük egy Arduinóval, viszont a digitalWrite függvénnyel csak egyesével tudjuk be- és kikapcsolni a LED-eket, ami elég hosszú kódot eredményez. Ennek ellenére mégis ez számít az elterjedtebb megoldásnak.
Számjegyek egyszerűbb megjelenítése
Az egyik alternatív megoldást, ami egyszerűsít a kódon, egy 7-szegmenses kijelző meghajtó áramkör használatával kapjuk, például a CD4511 integrált áramkörrel. Ezek az áramkörök általában egy 4 bites bináris számot várnak, amit a 7-szegmenses kijelzőn megjeleníthető 0-9 számjegyekké alakítanak. Ezen kívül van még három egyéb bemenete, amikkel különböző funkciókat engedélyezhetünk. Fontos megjegyezni, hogy a kijelző meghajtó IC-k esetén is szükséges bekötni a soros áramkorlátozó ellenállásokat minden szegmenshez.
Az alábbi szimulációban a CD4511-es kijelzőmeghajtó IC bekötését láthatjuk. Az Arduino 4 db digitális kimenete az IC alsó részébe, a 7-szegmenses kijelző pedig a felső részére van kötve.
Egy másik alternatív megoldás a kijelzőt vezérlő kód egyszerűsítésére – amihez még meghajtó IC sem szükséges – az Arduino digitális kimeneteinek egyszerre történő vezérlése. A digitalWrite függvény helyett, amivel csak az egyik portbitet tudjuk írni, egy makrót, az egyik PORTx-et kell írnunk. Az Arduino UNO esetén a PORTD makrót használhatjuk, ehhez a kijelzőt a D portra kell kötni, amihez a 0..7-es kivezetések tartoznak. A PORTD = B00110000; utasítás például az 1-es számjegyet fogja megjeleníteni, ha a szegmensek sorban vannak bekötve az Arduinóba és a kijelző közös katódos. A “B” prefix a szám szám elején a bináris formátumú megadáshoz szükséges, de persze 10-es vagy 16-os számrendszerben is megadhatjuk az értéket, amit a PORTD-re írunk.
Mivel a számjegyeknek megfelelő bináris számok nem egymás után jönnek, célszerű létrehozni egy konstans tömböt a 10 darab számjegy tárolásához, amiben már egymás után, növekvő sorrendben szerepelnek a karakterek 0-tól 9-ig.
A 0..7 kivezetéseket digitális kimenetnek konfigurálhatjuk a DDRD makró segítségével, így ezt nem kell egyesével megtenni (8 sor), mint a pinMode függvénnyel. Például a DDRD = B11111111; 0-tól 7-ig az összes kivezetést digitális kimenetre konfigurálja.
A “D” port használatánál arra kell figyelni, hogy a 0 és 1 kivezetések a soros kommunikációs perifériára is rá vannak kötve, ezért nem ajánlott a Serial függvényeket használni, ha ezeket a kivezetéseket digitális ki- van bemenetként szeretnénk használni.
A következő szimulációt elindítva a kijelzőn az 5-ös szám jelenik meg. A kódot megnézve láthatjuk a DDRD és a PORTD használatát, valamint hogy a számkarakterek letárolásához szükséges konstans tömböt egyszerűen csak egy 5-ös számmal kell kiindexelni.
Gyakorló feladat:
Másoljuk le és módosítsuk a 7-segment with Arduino-PORTD nevű szimulációt és módosítsuk a kódot úgy, hogy a számjegyeket a kijelzőn 0-tól 9-ig léptesse másodpercenként, aztán kezdje ismét 0-ról. (A másoláshoz először a szimuláció nevére kell kattintani.)
Ha a megoldandó feladathoz nem lenne elég egy kijelző, akkor egy trükkel több kijelzőt is meghajthatunk ugyanazokkal a digitális kimenettel, mint amit egy kijelző esetén is használnánk. A trükk az, hogy egyszerre csak az egyik kijelző kap tápfeszültséget. Hogy melyik kijelző aktív éppen azt viszonylag gyorsan váltogatjuk, legalább 25 Hz frekvenciával, hogy a szemünk már ne tudja lekövetni a villogást és folyamatosnak lássuk a megjelenítést. Ha két kijelzőt szeretnénk így használni, akkor ehhez szükség van még legalább egy digitális kimenetre és legalább két tranzisztorra. A digitális kimenettel a tranzisztorokat vezérelve a kijelzők tápfeszültségét tudjuk be- és kikapcsolni, ezzel választani a kijelzők között. Ezt a módszert multiplexelt megjelenítésnek is szokás nevezni.
A következő szimulációban a multiplexelt megjelenítésre láthatunk egy példát.
Az önellenőrzéshez következzen egy rövid kvíz a legfontosabb résztémákból:
Results
