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.

Для эксперимента нам понадобятся:

• 2× Семисегментный индикатор
• 2× Семисегментный драйвер
• 2× Резисторы на 220 Ом (10 шт.)
• 1× Breadboard
• 1× Набор перемычек и/или соединительные провода
• 1× Контроллер Arduino

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.

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

• 16 — к рельсе питания: это питание для микросхемы
• 2 «disable clock» — к рельсе земли: мы его не используем
• 3 «enable display» — к рельсе питания: это питание для индикатора
• 8 «0V» — к рельсе земли: это общая земля
• 1 «clock» — через стягивающий резистор к земле. К этому контакту мы позже подведём сигнал с Arduino. Наличие резистора полезно, чтобы избежать ложного срабатывания из-за окружающих помех пока вход ни к чему не подключен. Подходящим номиналом является 10 кОм. Когда мы соединим этот контакт с выходом Arduino, резистор не будет играть роли: сигнал притянет к земле микроконтроллер. Поэтому если вы знаете, что драйвер при работе всегда будет соединён с Arduino, можете не использовать резистор вовсе.
• 15 «reset» и 5 «÷10» пока оставим неподключенными, но возьмём на заметку — нам они понадобятся в дальнейшем

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.

7segment.pde

#define CLOCK_PIN 2
#define RESET_PIN 3
 
/*
 * Функция resetNumber обнуляет текущее значение
 * на счётчике
 */
void resetNumber()
{
    // Для сброса на мгновение ставим контакт
    // reset в HIGH и возвращаем обратно в LOW
    digitalWrite(RESET_PIN, HIGH);
    digitalWrite(RESET_PIN, LOW);
}
 
/*
 * Функция showNumber устанавливает показания индикаторов
 * в заданное неотрицательное число `n` вне зависимости
 * от предыдущего значения
 */
void showNumber(int n)
{
    // Первым делом обнуляем текущее значение
    resetNumber();
 
    // Далее быстро «прокликиваем» счётчик до нужного
    // значения
    while (n--) {
        digitalWrite(CLOCK_PIN, HIGH);
        digitalWrite(CLOCK_PIN, LOW);
    }
}
 
void setup()
{
    pinMode(RESET_PIN, OUTPUT);
    pinMode(CLOCK_PIN, OUTPUT);
 
    // Обнуляем счётчик при старте, чтобы он не оказался
    // в случайном состоянии
    resetNumber();
}
 
void loop()
{
    // Получаем количество секунд в неполной минуте
    // с момента старта и выводим его на индикаторы
    showNumber((millis() / 1000) % 60);
    delay(1000);
}

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