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7-Segment-Anzeige: PIN-Konfiguration, Typen und Betriebsprinzipe

Dieser Leitfaden erklärt alles über sieben Segment-Displays.Es spricht darüber, wie sie funktionieren, die beiden Haupttypen (gemeinsame Anode und gemeinsame Kathode) und wie die Teile im Inneren angeordnet sind.Sie lernen, wie Sie sie mit Mikrocontrollern wie Arduino anschließen und steuern und wie Sie einfache Schaltkreise mit Treiberchips wie dem 4511 herstellen. Die Anleitung deckt auch ab, wo diese Displays im Leben verwendet werden, ihre guten Punkte und einige Dinge, die sie nicht tun können.

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Abbildung 1. Sieben-Segment-Anzeige

Was ist ein Sieben-Segment-Display?

Eine Siebensegmentanzeige ist eine elektronische Komponente, mit der Zahlen und einige Buchstaben mit sieben lichtemittierenden Segmenten angezeigt werden, die in einem Abbildung-acht-Layout angeordnet sind.Jedes Segment, das mit einem bis G beschriftet ist, leuchtet einzeln auf, um Ziffern von 0 bis 9 zu bilden. Ein kleines achtes Segment, normalerweise ein Punkt in der unteren rechten Ecke, kann auch enthalten sein, um Dezimalpunkte darzustellen.

Jedes Segment ist eine LED, die beim Antrieb Licht ausgibt.Das Display funktioniert durch die Anwendung von Spannungen über die Klemmen der LED, wodurch Licht durch Elektrolumineszenz erzeugt wird.

Sieben Segment-Displays wurden in den 1960er und 70er Jahren populär, als LEDs frühere Display-Technologien wie Nixie-Röhrchen und mechanische Indikatoren ersetzten.Diese neuen Displays waren einfacher zu fahren, verbrauchten weniger Leistung und waren langlebiger.In den späten 70ern waren sie Standard in Taschenrechnern, Uhren und Messgeräten.

Auch heute werden diese Displays in Geräten, die eine einfache, zuverlässige numerische Ausgabe erfordern, häufig verwendet.Sie bieten einen geringen Stromverbrauch, eine starke Sichtbarkeit und eine einfache Kontrolllogik.Verbesserte LED -Materialien haben sie auch heller und langlebiger gemacht, was dazu beiträgt, ihre Rolle sowohl in kompakten Geräten als auch in großen industriellen Systemen aufrechtzuerhalten.

Arten von sieben Segment-Displays

Sieben Segment-Anzeigen erhält zwei Haupttypen, basierend darauf, wie die internen LEDs verdrahtet sind: gemeinsame Anode (CA) und gemeinsame Kathode (CC).Der Unterschied besteht darin, wie die LED -Segmente elektrische Verbindungen teilen.

Gemeinsame Anode (CA)

In einer gemeinsamen Anodenanzeige sind alle positiven Seiten (Anoden) der LEDs miteinander verbunden.Diese Gruppe positiver Verbindungen ist mit der positiven Stromversorgung verbunden.

Um ein Segment (ein Teil der Zahlenanzeige) einzuschalten, senden Sie ein niedriges Signal (dh eine Verbindung zu Masse oder 0 Volt) an die negative Seite (als Kathode genannt) dieses Segments.Dadurch wird der Strom fließen und das Segment leuchtet auf.

Diese Art von Display funktioniert gut mit bestimmten Arten von digitalen Schaltungen, insbesondere mit solchen, die den Strom auf den Boden ziehen.Ein Beispiel sind TTL-Schaltungen (Transistor-Transistor-Logik).

Abbildung 2. Gemeinsame Anodenkonfiguration

Abbildung 3. Wahrheitstabelle

Gemeinsame Kathode (CC)

In einer gemeinsamen Kathodenanzeige sind alle negativen Seiten (Kathoden) der LEDs miteinander verbunden und an den Boden gebunden.

Um ein Segment zu beleuchten, senden Sie ein hohes Signal (eine Spannung wie 5 V) auf die positive Seite (Anode) dieses Segments.Dadurch fließt der Strom aus dem positiven Stift durch die LED zum Boden, und das Segment leuchtet auf.

Häufige Kathodenanzeigen sind in der Regel einfacher zu verwenden, wenn Mikrocontroller wie Arduino oder Raspberry Pi, da diese Geräte das benötigte hohe Signal direkt aus ihren Ausgangsstiften senden können.

Abbildung 4. Gemeinsame Kathodenkonfiguration

Abbildung 5. Wahrheitstabelle

Struktur eines sieben Segments Display

Abbildung 6. Top -Ansicht der sieben Segmentanzeige

Jede sieben Segment-Display-Ziffer besteht aus sieben einzelnen LEDs, die in einem rechteckigen Muster angeordnet sind, das einem "8" ähnelt.Die Segmente sind mit drei horizontalen Segmenten (a, g, d) und vier vertikalen (b, c, e, f) gekennzeichnet.Einige Displays enthalten auch einen Dezimalpunkt in der Nähe der unteren rechten Ecke.

Abbildung 7. Dezimal- oder Punktpunkt

Moderne Displays verwenden normalerweise oberflächenmontierte LEDs, die in Kunststoff oder Harz eingebettet sind.Das Displaygehäuse enthält häufig leichte Barrieren, um zu verhindern, dass Glühen in benachbarte Segmente bluten.Das Gehäuse ist normalerweise getönt oder gefrostet, um das Licht zu diffundieren und den Kontrast zu verbessern.

Standard-einstellige Displays haben zehn Stifte: eine für jedes der sieben Segmente, eine für den Dezimalpunkt und eine oder zwei für das gemeinsame gemeinsame Terminal.Im Inneren des Gehäuses verbinden dünne Drähte oder Spuren jedes Segment mit seinem jeweiligen Stift.

Einige Displays umfassen eingebaute Widerstände zum Steuerstrom, während andere externe Widerstände benötigen.Gutes thermisches Design hilft dem Display, über lange Zeiträume, selbst in herausfordernden Umgebungen, zuverlässig zu laufen.

Abbildung 8. Grundansicht der sieben Segmentanzeige

PIN-Konfiguration einer Siebensegmentanzeige

Abbildung 9. Pin -Diagramm

PIN -Nummer	Verbunden Segment	Funktion
Pin 1	E	Steuerelemente Segment e
Pin 2	D	Steuerelemente Segment d
Pin 3	Com (gemeinsame Pin)	Gemeinsame Anode oder Kathode
Pin 4	C	Steuerelemente Segment c
Pin 5	Dp	Kontrolliert Dezimalpunkt (DP)
Pin 6	B	Steuerelemente Segment b
Pin 7	A	Steuerelemente Segment a
Pin 8	Com (gemeinsame Pin)	Gemeinsame Anode oder Kathode
Pin 9	F	Steuerelemente Segment f
Pin 10	G	Steuerelemente Segment g

Wie funktioniert ein sieben Segment-Display?

Eine sieben Segmentanzeige erfolgt, indem bestimmte Segmente auf Formnummern oder einfache Buchstaben beleuchtet werden.Jedes Segment ist eine einzelne LED, die leuchtet, wenn der Strom in die richtige Richtung durchfließt.

Abbildung 10. Zeigen Sie Zahlen anzeigen

Um eine Zahl anzuzeigen, schaltet das System die richtige Kombination von Segmenten ein.Zum Beispiel werden alle Segmente außer g beleuchtet, um "0" anzuzeigen.A "1" beleuchtet nur B und C. Diese Kombinationen werden im Mikrocontroller -Speicher gespeichert oder von einem Dekodierungschip behandelt.

Abbildung 11. Sieben Segment -Alphabet -Zeichen

Einige Buchstaben wie A, C, E und F können gezeigt werden, aber viele andere sind aufgrund der begrenzten Segmentzahl schwer zu repräsentieren.Buchstaben wie Q oder R sind schwer klar anzuzeigen.

In Systemen mit mehr als einer Ziffer werden Anzeigen Multiplexing verwendet.Dies bedeutet, dass jeweils nur eine Ziffer beleuchtet ist, aber das System wechselt zwischen Ziffern so schnell (normalerweise 60 Mal pro Sekunde oder mehr), dass sie alle auf einmal beleuchtet erscheinen.Dies spart Strom und verringert die Anzahl der erforderlichen Verbindungen.

Der Dezimalpunkt kann für Brüche, Zeittrennung oder als spezielle Indikator verwendet werden.Einige Uhren verwenden sogar Dezimalpunkte als blinkende Kolonen.

Abbildung 12. sieben Segment -LED -Uhrzeitanzeige

Siebensegment-Anzeigcodes

Um Zahlen auf einem Sieben-Segment-Display anzuzeigen, beleuchtet jede Ziffer einen einzigartigen Satz von Segmenten.Diese Muster werden als Binärcodes gespeichert.Die Codes unterscheiden sich für gemeinsame Kathoden und gemeinsame Anodentypen, je nachdem, wie sich die Segmente einschalten.Die folgende Tabelle zeigt die Codes für Ziffern 0 bis 9.

Ziffer	Segmente beleuchtet (A - g)	Binärcode (Gemeinsame Kathode)	Sechskantcode (CC)	Binärcode (Gemeinsame Anode)	Sechskantcode (CA)
0	A, b, c, d, e, f	0B00111111	0x3f	0B11000000	0xc0
1	B, c	0B00000110	0x06	0B11111001	0xf9
2	A, b, d, e, g	0B01011011	0x5b	0B10100100	0xa4
3	A, b, c, d, g	0B01001111	0x4f	0B10110000	0xb0
4	B, c, f, g	0B01100110	0x66	0B10011001	0x99
5	A, c, d, f, g	0B01101101	0x6d	0B10010010	0x92
6	A, c, d, e, f, g	0B01111101	0x7d	0B10000010	0x82
7	A, b, c	0B00000111	0x07	0B11111000	0xf8
8	A, b, c, d, e, f, g	0B01111111	0x7f	0B10000000	0x80
9	A, b, c, d, f, g	0B01101111	0x6f	0B10010000	0x90

Wie steuern Sie ein Siebensegment-Display?

Es gibt einige allgemeine Möglichkeiten, ein Display zu steuern.Lassen Sie uns sie von den einfachsten bis zu den Fortgeschrittenen durchlaufen.

Direkte Verbindung zum Mikrocontroller

Abbildung 13. Schaltungsdiagramm der direkten Verbindung einer sieben Segment-Anzeige an einen Mikrocontroller

Der einfachste Weg, eine Ziffer zu steuern, besteht darin, jedes Segment mit seinem eigenen Stift am Mikrocontroller anzuschließen.Dies funktioniert gut für kleine Projekte, die nur eine Nummer zeigen.

Für eine gemeinsame Anodenanzeige sind alle positiven Seiten (Anoden) der LEDs mit Strom verbunden (wie 3,3 V oder 5 V).Die negative Seite (Kathode) jedes Segments durchläuft einen Widerstand und dann zu einem Stift am Mikrocontroller.Wenn der Mikrocontroller ein niedriges Signal sendet, wird das Segment eingeschaltet.

Mit diesem Setup können Sie jedes Segment die vollständige Kontrolle haben, sodass Sie eine beliebige Nummer ermitteln können.Aber es verwendet viele Stifte, sieben für die Segmente und eine weitere, wenn Sie den Dezimalpunkt verwenden.Zum Beispiel können Sie Pins PA0 über PA7 an einem Arduino oder STM32 mit jedem Segment anschließen.Die Widerstände (ca. 220–330 Ohm) schützen die LEDs vor zu viel Strom.

Diese Methode ist einfach, aber wenn Sie mehr als eine Ziffer zeigen möchten, funktioniert sie nicht gut, wenn Sie die Stifte mehr haben.Zu diesem Zeitpunkt ist es besser, Multiplexing oder einen Display -Treiberchip zu verwenden.

Multiplexing für mehr Ziffern

Abbildung 14. Transistor -Treiberschaltung für zwei sieben Segment -Anzeigen

Wenn Sie mehr als eine Ziffer verwenden möchten, benötigen Sie jedes Segment mit dem Mikrocontroller zu viele Stifte.Multiplexing ist ein Trick, mit dem Sie viele Ziffern mit weniger Stiften kontrollieren können.

Bei Multiplexing teilen sich alle Ziffern die gleichen Segmentdrähte.Aber nur eine Ziffer leuchtet nach dem anderen auf.Der Mikrocontroller wechselt sehr schnell zwischen Ziffern, so dass es so aussieht, als ob alle Ziffern gleichzeitig eingeschaltet sind.

Jede Ziffer wird mit einem Transistor eingeschaltet.Der Mikrocontroller sendet Daten für die Ziffer und schaltet seinen Transistor ein.Dann bewegt es sich zur nächsten Ziffer und so weiter.Dies wiederholt sich schnell, damit Ihre Augen die gesamte Nummer gleichzeitig sehen.

Sie benötigen nur sieben Segmentdrähte und einen Draht für den Transistor der einzelnen Ziffern.Sie können auch einen Chip wie das SN74HC595 -Schaltregister verwenden.Sie können Daten mit weniger Stiften senden und die Segmente mit nur wenigen Mikrocontroller -Stiften kontrollieren.Dies erleichtert die Verkabelung und hilft Ihnen, größere Displays aufzubauen.

Manuelle Verkabelung mit Arduino

Abbildung 15. Seven Segment Display -Schnittstellen mit Arduino

Wenn Sie einen Prototyp lernen oder aufbauen, ist es üblich, das Display von Hand mit einem Arduino zu steuern.Ein Sieben-Segment-Display verfügt über acht LEDs, die wie ein "8" geformt sind.Die Segmente sind A bis G mit einem zusätzlichen für den Dezimalpunkt (DP) benannt.

Sie verbinden jedes Segment über einen Widerstand mit einem Stift am Arduino.Wenn Sie eine gemeinsame Kathodenanzeige verwenden, geht der gemeinsame Stift auf den Boden.Um ein Segment zu beleuchten, sendet der Arduino ein hohes Signal an den Stift des Segments.

In gemeinsamen Kathodenanzeigen dreht das Hoch das Segment ein.In gemeinsamen Anodenanzeigen benötigen Sie stattdessen ein niedriges Signal.Es ist wichtig zu wissen, welche Art von Anzeige Sie verwenden, damit Sie den richtigen Code schreiben.

Um beispielsweise die Nummern 0 bis 9 anzuzeigen, schaltet der Arduino -Code die rechte Kombination von Segmenten für jede Zahl ein.Diese Methode eignet sich hervorragend für das Üben, funktioniert jedoch nicht für mehr als eine Ziffer gut, es sei denn, Sie fügen Multiplexing oder einen Treiberchip hinzu.

Verwenden eines 4511 BCD bis zum sieben Segment-Treiberchip

Abbildung 16. Verwenden eines 4511 -Treibers

Um die Dinge zu erleichtern und Mikrocontroller -Stifte zu speichern, können Sie einen Chip wie den CD4511 verwenden.Dieser Chip nimmt eine 4-Bit-Binärzahl ein und beleuchtet die richtigen Segmente, um Ziffern 0 bis 9 anzuzeigen.

Sie können dem Chip seinen Eingang von Schalter oder einem Mikrocontroller geben.Wenn sich der Eingang ändert, beleuchtet der Chip die richtige Zahl auf der Anzeige.Widerstände schützen die LEDs immer noch und Pulldown-Widerstände halten den Eingang stabil, wenn die Schalter nicht gedrückt werden.

Der 4511 -Chip erleichtert die Verkabelung und den Code einfacher.Anstatt jedes Segment zu steuern, sendet der Mikrocontroller nur eine Nummer, und der Chip kümmert sich um den Rest.

In fortgeschritteneren Projekten können Mikrocontroller mit Kommunikationsmethoden wie I2C oder SPI mit Display -Treibern sprechen.Dies erleichtert es, viele Ziffern zu kontrollieren, ohne viele Stifte zu verwenden.

Wie baue ich eine 7-Segment-Anzeigeschaltung?

Das Erstellen eines Sieben-Segment-Displays aus grundlegenden Teilen ist eine großartige Möglichkeit, Elektronik zu lernen.Sie benötigen ein Anzeigemodul, einen Decoder -Chip (wie das 4511), Widerstände, Dip -Schalter (oder Tasten) und ein Störbrett.

Schritt 1: Legen Sie den 4511 auf Ihr Steckbrett und schließen Sie Pin 16 an die Stromversorgung und Pin 8 an den Boden an.

Schritt 2:Drahtstifte 1, 2, 6 und 7 (BCD-Eingänge) zu Schalter durch 10K-Pulldown-Widerstände.Auf diese Weise können Sie Binärwerte manuell eingeben.

Schritt 3:Schließen Sie LT (LAMP -Test) und LE (Latch Enable) an VCC an und erden Sie den BI (Blanking -Eingang).

Schritt 4:Schließen Sie die Stifte 9–15 (Ausgaben A - G) über 220–470 Ω -Widerstände an die Anzeige an.

Schritt 5:Binden Sie die gemeinsamen Kathodenstifte des Displays an den Boden.

Wenn Sie die Switches drehen, ändert sich nun die BCD -Eingabe und aktualisiert die Anzeige.Sie können Funktionen wie Dezimalpunkte oder eine zweite Ziffer zum Üben hinzufügen.Durch die Verwendung eines Mikrocontrollers anstelle von Dip -Switches können Sie Multiplexing und dynamische Anzeigesteuerung untersuchen.

Vor- und Nachteile von sieben Segment-Displays

Vorteile

• Einfach zu bedienen: Eine sieben Segment-Anzeige ist sehr einfach.Es hat sieben kleine Lichter (genannt LEDs), die auf eine Weise angeordnet sind, die eine beliebige Zahl von 0 bis 9 anzeigen kann.Dies macht es für Anfänger und kleine Projekte wie digitale Uhren oder Zähler großartig.

• Niedrige Kosten: Diese Displays sind billig zu machen und zu kaufen.Da sie einfach sind und Basistechnologie verwenden, kosten sie nicht viel.Dies macht sie perfekt für Projekte oder Produkte mit niedrigem Budget, die erschwinglich bleiben müssen.

• Verwendet nur sehr wenig Strom: Sieben Segment-Displays benötigen nicht viel Strom, um insbesondere die LCD zu arbeiten.Selbst die LED -Versionen verwenden nicht zu viel Leistung, wenn Sie sie richtig verwenden.Deshalb sind sie gut für Geräte, die Batterien betreiben.

• Einfach zu lesen: Die Zahlen in einem sieben Segment-Display sind hell und klar.LED -Typen leuchten stark und können sogar im Dunkeln oder aus der Ferne gesehen werden.Aus diesem Grund sehen Sie sie auf Wecker und grundlegende Messgeräte.

• Stark und langlebig: Diese Displays haben keine beweglichen Teile, sodass sie nicht leicht brechen.Die Lichter im Inneren (LEDs) können sehr lange dauern.Sie funktionieren auch gut, auch wenn es heiß, kalt ist oder wenn das Gerät gestoßen wird.

• Kleine und platzsparende: sieben Segment-Displays sind klein und passen gut in enge Räume.Sie können mehrere Seite an Seite setzen, um längere Zahlen zu zeigen, ohne viel Platz zu benötigen.Sie sind perfekt für kompakte Geräte.

Nachteile

• Die vollständigen Wörter oder Symbole können nicht angezeigt werden: Diese Anzeigen werden zum Anzeigen von Zahlen und nicht zur vollständigen Buchstaben oder Symbolen hergestellt.Sie können ein paar einfache Buchstaben zeigen (wie a, b, c), aber nicht alle.Sie sind also nicht gut, um vollständige Wörter oder Sätze zu zeigen.

• Nicht flexibel im Design: Die Form der Segmente ist festgelegt, sodass Sie nicht ändern können, wie die Zahlen aussehen.Sie können auch keine Bilder oder spezielle Symbole anzeigen.Dies begrenzt die Designoptionen für stilvollere oder modernere Produkte.

• Aus einigen Blickwinkeln schwer zu erkennen: Mit LED -Typen kann es schwierig sein, die Zahlen zu lesen, wenn Sie sie nicht direkt ansehen.Wenn Sie von der Seite schauen oder draußen sehr hell sind, sind die Zahlen möglicherweise schwer zu erkennen.

• LED -Typen können mehr Strom verbrauchen: LED -Displays verwenden mehr Strom als LCD, insbesondere wenn viele Segmente ständig sind.Dies kann ein Problem für batteriebetriebene Geräte sein, bei denen es wichtig ist, Strom zu sparen.

• Wenn ein Teil bricht, ist es schwer zu lesen: Wenn eines der Lichter (Segmente) nicht mehr funktionieren, kann eine Nummer falsch aussehen.Zum Beispiel könnte die Nummer 8 wie eine 0 aussehen, wenn ein mittleres Segment fehlschlägt.Dies kann andere verwirren.

• Die Verkabelung wird für viele Ziffern kompliziert: Wenn Sie mehr als eine Ziffer zeigen, bedeutet dies mehr Drähte und Teile.Möglicherweise benötigen Sie spezielle Chips und zusätzliche Arbeit, um alles zu verbinden.Dies kann das Design und die Programmierung schwieriger machen, insbesondere für Anfänger.

Abschluss

Sieben-Segment-Anzeigen sind einfache und nützliche Tools zum Anzeigen von Zahlen.Sie beleuchten bestimmte Teile (als Segmente bezeichnete) Ziffern von 0 bis 9. Es gibt zwei Typen, basierend darauf, wie die Segmente verdrahtet sind.Diese Displays sind einfach zu verbinden, verwenden nicht viel Strom und eignen sich hervorragend für grundlegende Geräte wie Uhren, Messgeräte und Küchengeräte.Sie können sie auf unterschiedliche Weise steuern, von direkter Verkabelung bis hin zur Verwendung von Chips, die Platz sparen und die Dinge erleichtern.Obwohl sie keine vollständigen Wörter oder schicken Bilder anzeigen können, sind sie immer noch eine gute Wahl, wenn Sie klare und einfache Zahlenanzeigen benötigen.