7-сегментный дисплей — это простой электронный компонент, состоящий из семи светодиодных полос, на которых отображаются цифры, несколько букв и даже шестнадцатеричные значения. Он используется в часах, калькуляторах, счетчиках и бытовых приборах, потому что он маломощный, надежный и простой в использовании. В этой статье подробно объясняется распиновка, технические характеристики, методы вождения и советы по проектированию.
С1. Обзор 7-сегментного дисплея
С2. 7-сегментная конфигурация распиновки дисплея
С3. Различные варианты использования 7-сегментного дисплея
С4. Обычный катод в сравнении с обычным анодом в 7-сегментных дисплеях
С5. Электрические характеристики 7-сегментных дисплеев
С6. Расчет резисторов для 7-сегментных дисплеев
С7. Управление 7-сегментными дисплеями с микросхемами декодера
С8. Методы привода для 7-сегментных дисплеев
С9. Мультиплексирование многозначных 7-сегментных дисплеев
С10. Управление 7-сегментными дисплеями с транзисторными и MOSFET-драйверами
С11. Символы, которые можно отобразить на 7-сегментных дисплеях
С12. Печатные платы и наконечники для проводки для 7-сегментных дисплеев
С13. Заключение
С14. Часто задаваемые вопросы [FAQ]
Обзор 7-сегментного дисплея
7-сегментный дисплей является одним из самых простых, но наиболее часто используемых электронных устройств отображения для отображения числовых данных и ограниченных символов. Он состоит из семи светодиодных полос, расположенных в виде восьмерки, которые могут загораться в различных комбинациях, образуя цифры от 0 до 9, а также несколько буквенных символов. Многие версии также включают дополнительный десятичный сегмент (dp) для отображения чисел с плавающей запятой, что делает их подходящими для калькуляторов, часов, метров и электроники. Их простота, низкое энергопотребление и легкое взаимодействие с микроконтроллерами сохранили их актуальность даже с появлением ЖК-дисплеев и OLED. Благодаря своей прочной конструкции они также используются в промышленном оборудовании, контрольно-измерительных приборах и встраиваемых системах, где требуется надежность.
Конфигурация распиновки дисплея с 7 сегментами
| Пин No | Имя пин-кода | Роль булавки |
|---|---|---|
| 1 | Контакт E | Управляет светодиодным сегментом в левом нижнем углу. |
| 2 | Булавка D | Отвечает за светодиодный сегмент на самой нижней части. |
| 3 | Обыкновенный булавка | Подключается к VCC или заземлению, в зависимости от типа дисплея. |
| 4 | Контакт C | Управляет светодиодным сегментом в правом нижнем положении. |
| 5 | Штифт DP | Управляет сегментом светодиода с десятичной запятой. |
| 6 | Контакт B | Управляет светодиодным сегментом в правом верхнем углу. |
| 7 | Булавка А | Управляет работой самого верхнего светодиодного сегмента. |
| 8 | Обыкновенный булавка | Аналогично пину 3; подключается к VCC или земле. |
| 9 | Контакт F | Запускает светодиодный сегмент в верхнем левом конце. |
| 10 | Контакт G | Управляет переключением среднего светодиодного сегмента. |
Каждая цифра состоит из семи светодиодных сегментов, обозначенных от A до G, и дополнительной десятичной запятой (DP). Подсвечивая различные комбинации этих сегментов, можно отобразить цифры и некоторые буквы. Контакты в нижней части подключаются к каждому сегменту, десятичной запятой и общим клеммам (COM), которые могут быть подключены либо к заземлению, либо к напряжению питания, в зависимости от того, является ли дисплей общим катодом или общим анодом.
Различные варианты использования 7-сегментного дисплея
Цифровые часы
7-сегментные дисплеи используются в цифровых часах для отображения часов, минут и секунд в легко читаемом числовом формате. Благодаря четкой видимости они подходят как для потребительских, так и для промышленных устройств учета рабочего времени.
Калькуляторы
Карманные и настольные калькуляторы полагаются на 7-сегментные дисплеи для представления числовых результатов. Их низкое энергопотребление обеспечивает длительное время автономной работы даже в компактных устройствах.
Измерительные приборы
Мультиметры, вольтметры, амперметры и частотомеры часто используют 7-сегментные дисплеи для предоставления точных числовых показаний, обеспечивая ясность для инженеров и техников.
Бытовая техника
Такие устройства, как микроволновые печи, стиральные машины и кондиционеры, используют 7-сегментные дисплеи для отображения времени, температуры и настроек программы.
Топливные насосы
Топливораздаточные колонки используют 7-сегментные дисплеи для отображения количества и стоимости топлива, предоставляя клиентам четкие данные в режиме реального времени.
Табло
Спортивные табло используют большие 7-сегментные дисплеи для отображения счета, таймеров и обратного отсчета, которые видны на расстоянии.
Обычный катод в сравнении с обычным анодом в 7-сегментных дисплеях
Общий катод (КК)
Все катодные (отрицательные) клеммы светодиодов связаны между собой и подключены к заземлению (GND). Сегмент загорается, когда к соответствующему контакту прикладывается ВЫСОКОЕ напряжение.
Этот тип прост в использовании с микроконтроллерами или микросхемами драйверов, которые подают ток напрямую.
Обыкновенный анод (CA)
Все анодные (положительные) клеммы связаны между собой и подключены к VCC. Сегмент включается, когда его штифт опускается НИЗКО (на массу). Лучше всего работает с драйверами, снижающими ток.
Определение типа
Используйте мультиметр в диодном режиме. Для общего анода подключите красный щуп к общему контакту, а черный щуп к сегментному контакту, если сегмент горит, это CA. Переверните щупы, чтобы проверить наличие общего катода.
Электрические характеристики 7-сегментных дисплеев
| Параметр | Запас хода |
|---|---|
| Прямое напряжение (Вт) | 1,8–2,4 В (красный/желтый: \~1,8–2,0 В, зеленый/синий: \~2,0–2,4 В) |
| Прямой ток (ПЧ) | 10–30 мА (стандартное значение 20 мА на сегмент) |
| Пиковый ток | До 100 мА (только в импульсном/мультиплексном режиме) |
| Сила света | 1–10 мкд (чем выше значения = тем ярче) |
| Длина волны (цвет) | Красный: 620–630 нм, Зеленый: 565 нм |
| Угол обзора | 50–120° |
Расчет резисторов для 7-сегментных дисплеев
Для 7-сегментного дисплея требуется токоограничивающий резистор для каждого сегмента светодиода, чтобы предотвратить чрезмерное протекание тока и неравномерную яркость. Величина резистора определяется с помощью закона Ома, выраженного как R = (Vcc – Vf) / Если, где Vcc – напряжение питания, Vf – прямое напряжение светодиода, а If – желаемый прямой ток. Например, при напряжении питания 5 В, прямом напряжении 2,0 В на сегмент и целевом токе 10 мА расчет имеет вид (5 – 2) ÷ 0,01 = 300 Ω. Поскольку резисторы имеют стандартные значения, для обеспечения безопасности лучше всего выбрать следующий более высокий вариант, например, 330 Ω. Каждый сегмент должен иметь свой собственный резистор, так как совместное использование резистора на общем выводе приводит к неравномерному уровню яркости. Для мультиплексированных дисплеев импульсная работа также должна учитываться при регулировке значений резисторов.
Управление 7-сегментными дисплеями с микросхемами декодера
Управление 7-сегментным дисплеем непосредственно с микроконтроллера может быстро потреблять контакты ввода-вывода, поскольку для одной цифры требуется до восьми контактов (семь сегментов плюс десятичная запятая). Для экономии GPIO и упрощения проводки используются микросхемы декодеров. Эти чипы преобразуют 4-битный десятичный ввод с двоичным кодированием (BCD) в необходимые семь выходов, которые управляют сегментами дисплея, сокращая потребность всего в четырех строках данных.
74HC4511 предназначен для дисплеев с общим катодом (CC) и обеспечивает выходы active-HIGH. Он включает в себя такие полезные функции, как включение защелки, проверка лампы и контроль гашения, которые обеспечивают стабильное управление дисплеем и его тестирование. С другой стороны, SN7447/LS47 работает с дисплеями с общим анодом (CA) и выводит сигналы active-LOW. Он также поддерживает проверку ламп и функции гашения пульсаций, что делает его пригодным для управления несколькими цифрами на каскадных дисплеях.
Методы привода для 7-сегментных дисплеев
Прямой привод
При таком подходе каждый сегмент светодиода подключается непосредственно от контакта микроконтроллера через резистор. Несмотря на свою простоту, она требует до 8 контактов на цифру. Это практично для одноразрядных дисплеев, но неэффективно для многозначных настроек.
ИС декодеров
Декодер снижает загрузку контактов, преобразуя 4-битный двоичный вход в семь выходов, необходимых для отображения. Этот подход отлично подходит для однозначных цифр или небольших дисплеев, сокращая необходимое количество контактов микроконтроллера до четырех. Он становится менее эффективным при работе с большими массивами с многозначными числами.
Регистры сдвига
Регистры сдвига принимают последовательные данные от микроконтроллера и преобразуют их в параллельные выходы. Они легко каскадируются, что делает их идеальными для многоразрядных 7-сегментных модулей с использованием очень небольшого количества контактов микроконтроллера. Этот метод является наиболее масштабируемым и используется в цифровых часах, счетчиках и мультиплексированных дисплеях.
Мультиплексирование многозначных 7-сегментных дисплеев
При использовании многоразрядных 7-сегментных дисплеев мультиплексирование является распространенным методом управления ими без использования слишком большого количества контактов. При таком подходе одновременно включается только одна цифра, но переключение происходит так быстро, что кажется, будто все цифры включены вместе. Это упрощает управление дисплеем, при этом показывая правильные цифры.
Чтобы дисплей выглядел стабильно, каждая цифра должна обновляться с достаточно высокой скоростью, около 200 раз в секунду, чтобы глаз не замечал мерцания. Количество времени, в течение которого каждая цифра активна, называется рабочим циклом, который зависит от того, сколько цифр контролируется. Меньший рабочий цикл означает, что цифры не такие яркие, поэтому для поддержания видимости может потребоваться регулировка тока в безопасных пределах.
Одной из проблем, которая может возникнуть при мультиплексировании, является двоение изображения, когда нежелательные сегменты кажутся слабо освещенными. Этого можно избежать, отключив все цифры перед обновлением сигналов сегмента и используя драйверы, которые могут быстро изменять состояния для более чистой работы.
Управление 7-сегментными дисплеями с транзисторными и MOSFET-драйверами
Транзисторные матрицы Дарлингтона
Эти микросхемы используются для снижения тока в дисплеях с общим катодом (CC). Каждый канал может управлять сегментом или цифрой, что делает их подходящими для дисплеев среднего и большого размера.
PNP-транзисторы и P-канальные МОП-транзисторы
Для дисплеев с общим анодом (CA) необходим источник тока. Транзисторы PNP или P-MOSFET обеспечивают необходимый ток для анодов, позволяя микроконтроллеру эффективно управлять коммутацией.
Выделенные микросхемы драйверов светодиодов
Специализированные микросхемы, такие как MAX7219, объединяют мультиплексирование, регулирование тока и управление яркостью в одном чипе. Эти драйверы значительно упрощают проводку и высвобождают ресурсы микроконтроллеров.
Символы, которые вы можете показать на 7-сегментных дисплеях
11,1 цифры (0–9)
Основное назначение 7-сегментных дисплеев — отображение десятичных чисел. Все цифры от 0 до 9 могут отображаться четко и точно, именно поэтому они используются в калькуляторах, часах и счетчиках.
Шестнадцатеричные символы (A–F)
7-сегментные дисплеи также могут представлять шестнадцатеричные значения. Поддерживаемые символы: A, b, C, d, E и F. Это делает их полезными в цифровой электронике и встраиваемых системах, где требуется шестнадцатеричное представление.
Ограниченное количество букв алфавита
Некоторые буквы, такие как P, U, L и H, могут быть аппроксимированы с помощью семи сегментов. Удобочитаемость не всегда может быть наилучшей, так как для многих букв требуется больше сегментов, чем позволяет дисплей.
Не подходит для полного текста
Из-за своей ограниченной структуры 7-сегментные дисплеи непрактичны для отображения слов или сложных букв. Для приложений с большим количеством текста проектировщики часто используют матричные дисплеи с точками или буквенно-цифровые ЖК/светодиодные модули.
Печатные платы и наконечники для проводки для 7-сегментных дисплеев
• Размещайте токоограничивающие резисторы рядом со светодиодными контактами, чтобы поддерживать стабильную яркость и уменьшать падение напряжения на трассах.
• Используйте широкие проводники печатной платы для общих анодных или катодных линий, поскольку они передают более высокие токи для нескольких сегментов одновременно.
• Добавление сплошной заземляющей плоскости для обеспечения стабильных обратных путей, минимизации шума и повышения общей производительности цепи.
• Держите линии с цифровыми включениями короткими и хорошо проложенными, чтобы избежать проблем с шумом и обеспечить быстрые переходы для плавного мультиплексирования.
Заключение
7-сегментные дисплеи практичны, долговечны и широко используются для отображения чисел в таких устройствах, как часы, калькуляторы, счетчики и топливные насосы. Они могут работать как общий катод или общий анод и приводиться в действие микроконтроллерами, микросхемами декодеров или регистрами сдвига. Несмотря на то, что они не подходят для полнотекстовых работ, их эффективность и надежность делают их востребованными во многих приложениях.
Часто задаваемые вопросы [FAQ]
Какие материалы используются в 7-сегментных дисплеях?
Они изготовлены из полупроводниковых светодиодов (GaAsP для красного/оранжевого, GaP для зеленого), помещенных в эпоксидную смолу для защиты и формирования света.
Можно ли использовать 7-сегментные дисплеи на открытом воздухе?
Да, но подойдут только версии с высокой яркостью или большие сегменты. Стандартные дисплеи слишком тусклые для попадания прямых солнечных лучей.
Как долго служит 7-сегментный дисплей?
Хорошо управляемый дисплей служит от 50 000 до 100 000 часов. Перегрузка по току или перегрев сокращают срок службы.
Какова наилучшая частота обновления для мультиплексированных дисплеев?
Большинство из них лучше всего работают в диапазоне от 100 Гц до 1 кГц. Частоты ниже 100 Гц вызывают мерцание, в то время как частоты выше 1 кГц тратят ресурсы впустую.
Существуют ли многоцветные 7-сегментные дисплеи?
Да. В некоторых моделях используются двухцветные светодиоды или светодиоды RGB, что позволяет использовать несколько цветовых вариантов на одном дисплее.
Что потребляет больше энергии, 7-сегментные дисплеи или ЖК-дисплеи?
7-сегментные светодиоды потребляют больше энергии, чем ЖК-дисплеи. ЖК-дисплеи предпочтительнее для маломощных устройств, в то время как светодиоды более яркие и прочные.