Wyświetlacz 7-segmentowy to jeden z najprostszych i najtrwalszych sposobów prezentowania cyfr w urządzeniach elektronicznych. Znajdziesz go w zegarach, licznikach, zasilaczach laboratoryjnych, panelach sterowania, wagach i wielu małych urządzeniach wbudowanych. W tym artykule wyjaśniamy, jak działa taki wyświetlacz, czym różni się wersja ze wspólną anodą od wersji ze wspólną katodą oraz jak poprawnie sterować segmentami w praktycznym układzie.
Co to jest wyświetlacz 7-segmentowy?
Wyświetlacz 7-segmentowy to elektroniczny moduł złożony z siedmiu świecących pól ułożonych tak, aby można było z nich tworzyć cyfry dziesiętne. W wielu wersjach dochodzi ósmy element: kropka dziesiętna. Dzięki temu układ jest znacznie prostszy niż wyświetlacz matrycowy lub graficzny, a jednocześnie wystarczający wszędzie tam, gdzie trzeba pokazać liczbę, kod stanu albo prosty znak.
W typowym module LED każdy segment jest osobną diodą lub grupą diod LED. Segmenty oznacza się zwykle literami od a do g, a punkt dziesiętny jako DP. Włączając odpowiednią kombinację segmentów, można uzyskać cyfry od 0 do 9, a także część znaków szesnastkowych, na przykład A, b, C, d, E i F.
Sama idea zapisu znaków za pomocą segmentów jest starsza niż współczesne diody LED. Segmentowe oznaczanie cyfr pojawiało się już w rozwiązaniach elektromechanicznych i telegraficznych, a po upowszechnieniu półprzewodników stało się tanim, powtarzalnym i bardzo czytelnym sposobem prezentacji danych liczbowych.
Wyświetlacz 7-segmentowy do prezentacji cyfr.
Jak działa wyświetlacz 7-segmentowy?
Wyświetlacze 7-segmentowe LED świecą dzięki diodom elektroluminescencyjnym. Gdy przez spolaryzowaną w kierunku przewodzenia diodę płynie prąd, złącze półprzewodnikowe emituje światło. Użytkownik widzi nie pojedyncze diody, lecz świecące segmenty, które razem tworzą znak.
W praktyce każdy segment musi mieć ograniczony prąd. Najprostszy układ wykorzystuje rezystor szeregowy dla każdego segmentu, a bardziej rozbudowane konstrukcje stosują dedykowane sterowniki LED, tranzystory albo multipleksowanie kilku cyfr.
Kolor świecenia zależy od materiału półprzewodnikowego i jego przerwy energetycznej. Najczęściej spotyka się wyświetlacze czerwone, ale dostępne są także wersje zielone, żółte, bursztynowe, niebieskie i białe. Różne kolory mają różne napięcia przewodzenia, dlatego nie należy zakładać, że ten sam rezystor ograniczający prąd będzie właściwy dla każdej wersji.
Punkt dziesiętny jest szczególnie przydatny w modułach wielocyfrowych: pozwala pokazywać wartości z przecinkiem, napięcia, temperatury, częstotliwości albo ustawienia urządzenia. W sterowaniu traktuje się go jak dodatkowy segment, zwykle opisany jako DP.
Wyświetlacze LED są chętnie wybierane z kilku powodów:
Są tanie i łatwo dostępne.
Mają długą żywotność.
Zajmują mało miejsca na panelu i na płytce PCB.
Występują w wielu kolorach i wysokościach znaków.
Można je kupić jako pojedyncze cyfry, moduły wielocyfrowe lub gotowe płytki ze sterownikiem.
Dobrze współpracują z układami cyfrowymi, mikrokontrolerami i prostymi sterownikami logicznymi.
Największą zaletą w produktach seryjnych jest prostota. Do pokazania jednej cyfry nie potrzeba kontrolera graficznego ani pamięci obrazu; wystarczy kilka linii sterujących lub tani dekoder. To zmniejsza koszt układu, upraszcza testy produkcyjne i ułatwia serwis.
Typy wyświetlaczy 7-segmentowych
Wyświetlacze 7-segmentowe różnią się kolorem, wysokością znaku, jasnością, liczbą cyfr, sposobem montażu oraz wewnętrznym połączeniem diod. Popularne są małe moduły o wysokości znaku około 0,56 cala, czyli około 14,2 mm, ale w praktyce dobór rozmiaru zależy od odległości odczytu i miejsca w obudowie.
Rozmiar i kolor wpływają na parametry elektryczne. Większy segment może zawierać kilka diod LED połączonych wewnętrznie, a wersje niebieskie lub białe zwykle wymagają wyższego napięcia przewodzenia niż czerwone. Dlatego przed doborem rezystorów i sterownika trzeba sprawdzić kartę katalogową konkretnego modelu.
Pod względem wspólnego wyprowadzenia najczęściej spotyka się dwa typy:
Wyświetlacz 7-segmentowy ze wspólną anodą (CA, common anode).
Wyświetlacz 7-segmentowy ze wspólną katodą (CC, common cathode).
Wyświetlacz 7-segmentowy ze wspólną anodą (CA)
W wyświetlaczu ze wspólną anodą wszystkie anody segmentów są połączone razem i wyprowadzone na jeden lub dwa piny wspólne. Segment włącza się wtedy, gdy jego katoda zostanie podciągnięta do stanu niskiego, czyli gdy sterownik zacznie pochłaniać prąd.
Klasyczny wyświetlacz 7-segmentowy ze wspólną anodą.
W takim module pin wspólny podłącza się do dodatniego zasilania przez odpowiednio zaprojektowany układ. Poszczególne segmenty, w tym punkt dziesiętny, są sterowane po stronie katod.
Logika sterowania jest odwrócona względem intuicyjnego „1 = świeci”. Dla wspólnej anody segment świeci po podaniu stanu niskiego na jego wyprowadzenie sterujące. W praktyce często używa się tranzystorów, buforów lub układów typu open-collector/open-drain, które dobrze radzą sobie z pochłanianiem prądu segmentów.
Wyświetlacze CA były popularne w układach, w których sterownik łatwiej pochłaniał prąd niż go dostarczał. Nie oznacza to jednak automatycznie mniejszego poboru mocy: o prądzie decyduje przede wszystkim prąd segmentu, liczba świecących segmentów, wypełnienie przy multipleksowaniu i dobrane rezystory.
Wyświetlacz 7-segmentowy ze wspólną katodą (CC)
W wyświetlaczu ze wspólną katodą wszystkie katody segmentów są połączone razem i zwykle trafiają do masy układu.
Jest to elektryczne przeciwieństwo wersji CA. Wspólne wyprowadzenie łączy katody, a każdy segment zapala się po podaniu dodatniego napięcia na jego anodę przez rezystor lub sterownik prądowy.
Typowy wyświetlacz 7-segmentowy ze wspólną katodą.
Aby moduł CC świecił, pin wspólnej katody podłącza się do masy, a na wybrane segmenty podaje się stan wysoki. Segmenty świecą więc przy logice dodatniej: „1” na linii segmentu oznacza włączenie, a „0” oznacza wyłączenie.
Wersji CA i CC nie należy zamieniać bez zmiany schematu sterowania. Mają podobny wygląd zewnętrzny, ale wymagają innej polaryzacji i często innego sterownika. Włożenie nieodpowiedniego typu do istniejącego obwodu zwykle kończy się brakiem świecenia albo nieprawidłową pracą.
Konfiguracja pinów wyświetlacza siedmiosegmentowego
Konfiguracja pinów zależy od producenta i konkretnego modelu, dlatego zawsze warto porównać schemat z kartą katalogową. Typowy wyświetlacz jednocyfrowy ma wyprowadzenia segmentów a, b, c, d, e, f, g, punkt dziesiętny DP oraz jeden lub dwa piny wspólne.
Wyświetlacz 7-segmentowy pokazujący cyfrę 2.
Rys. 6. Przykładowa tabela konfiguracji pinów wyświetlacza segmentowego.
Powyższa tabela pokazuje przykładowe przypisanie wyprowadzeń do segmentów. W projektowaniu PCB nie należy kopiować takiego układu „na oko”; trzeba sprawdzić numerację pinów, orientację obudowy i typ wspólnego wyprowadzenia w dokumentacji elementu.
Jak sterować wyświetlaczem 7-segmentowym?
Sterowanie wyświetlaczem polega na zapalaniu odpowiednich segmentów. Przykładowo cyfra 3 wymaga zwykle segmentów a, b, c, d i g. Cyfra 1 wykorzystuje b i c, a cyfra 8 świeci wszystkimi siedmioma segmentami.
W ten sposób można pokazać cyfry od 0 do 9 oraz podstawowe znaki używane w zapisie szesnastkowym. Nie wszystkie litery wyglądają idealnie na siedmiu segmentach, dlatego takie wyświetlacze najlepiej sprawdzają się w informacjach liczbowych, kodach błędów i krótkich oznaczeniach.
Tabela prawdy pokazuje, które segmenty trzeba włączyć, aby uzyskać dany znak. Dla wersji ze wspólną anodą i wspólną katodą zestaw segmentów jest taki sam, ale poziomy logiczne są odwrócone.
Rys. 7. Tabela prawdy dla wyświetlacza 7-segmentowego ze wspólną anodą.
Dla typowego wyświetlacza ze wspólną katodą wartości logiczne należy odwrócić względem tabeli dla wspólnej anody. Jeżeli w tabeli CA segment włącza stan niski, to w tabeli CC ten sam segment włącza stan wysoki.
Przed uruchomieniem układu warto rozpisać własną tabelę bitów dla konkretnego mikrokontrolera, ponieważ kolejność segmentów w kodzie rzadko pokrywa się idealnie z kolejnością pinów na obudowie.
Jak używać wyświetlacza 7-segmentowego?
Jedną z zalet wyświetlacza 7-segmentowego jest to, że może pracować zarówno z mikrokontrolerem, jak i bez niego. W prostych licznikach można użyć dekodera BCD na 7 segmentów, a w bardziej elastycznych urządzeniach segmenty obsługuje bezpośrednio mikrokontroler.
Przykładem prostego układu jest CD4511, czyli zatrzask, dekoder i sterownik BCD na 7 segmentów przeznaczony do wyświetlaczy ze wspólną katodą. Sam CD4511 nie jest licznikiem; przyjmuje kod BCD i zamienia go na sygnały segmentów. Jeśli potrzebne jest zliczanie, dodaje się osobny licznik albo stosuje układ, który łączy funkcję licznika i sterownika.
Przy sterowaniu z mikrokontrolera osiem linii segmentów można podłączyć do pinów GPIO przez rezystory ograniczające prąd, a pin wspólny do zasilania lub masy zależnie od typu wyświetlacza. Jeżeli prąd segmentów przekracza możliwości mikrokontrolera, trzeba dodać tranzystory albo sterownik LED.
Następnie program ustawia stany wyjść zgodnie z tabelą segmentów. Dla jednej cyfry jest to bardzo proste: zapisujesz wzorzec bitowy, który odpowiada wybranemu znakowi. Dla kilku cyfr zwykle stosuje się multipleksowanie, czyli szybkie przełączanie kolejnych pozycji tak, aby dla oka świeciły jednocześnie.
Na przykład cyfra 6 wymaga segmentów a, c, d, e, f i g, a segment b pozostaje wyłączony. Cyfra 7 wykorzystuje segmenty a, b i c. Konkretna postać bitowa, na przykład 10000010 lub 11111000, zależy od przyjętej kolejności bitów oraz od tego, czy używasz wyświetlacza CA, czy CC.
Rys. 8. Sekwencja segmentów potrzebna do wyświetlenia wybranych cyfr.
Jeżeli tabela została przygotowana dla wyświetlacza ze wspólną anodą, dla wersji ze wspólną katodą trzeba odwrócić logikę sterowania: zera stają się jedynkami, a jedynki zerami. Nie zmienia się natomiast fizyczny układ segmentów tworzących daną cyfrę.
Podsumowanie
Wyświetlacze 7-segmentowe pozostają praktycznym wyborem tam, gdzie trzeba tanio i czytelnie pokazać liczby. Najważniejsza decyzja projektowa dotyczy typu wspólnego wyprowadzenia: wspólnej anody albo wspólnej katody. Oba rozwiązania mogą działać równie dobrze, ale wymagają innej polaryzacji, innego sposobu sterowania i poprawnie dobranych rezystorów ograniczających prąd.
Takie moduły sprawdzają się w zegarach cyfrowych, licznikach, zasilaczach, miernikach, panelach operatorskich, urządzeniach AGD i prostych interfejsach przemysłowych.
Jeżeli projektujesz urządzenie z wyświetlaczem LED, warto uwzględnić go już na etapie schematu, layoutu PCB i testów produkcyjnych: dobrać prąd segmentów, sprawdzić jasność, zaplanować sterownik oraz zostawić miejsce na poprawny montaż. OurPCB może pomóc w wykonaniu płytek i montażu elektroniki dla prototypów oraz produkcji seryjnej.