В уроке узнаем о схемах подключения семисегментных светодиодных индикаторов к микроконтроллерам, о способах управления индикаторами.

Предыдущий урок     Список уроков     Следующий урок

Светодиодные семисегментные индикаторы остаются одними из самых популярных элементов для отображения цифровой информации.

 

Этому способствуют следующие их качества.

• Низкая цена. В средствах индикации нет ничего дешевле светодиодных цифровых индикаторов.
• Разнообразие размеров. Самые маленькие и самые большие индикаторы – светодиодные. Мне известны светодиодные индикаторы с высотой цифры от 2,5 мм, до 32 см.
• Светятся в темноте. В некоторых приложениях это свойство чуть ли не решающее.
• Имеют различные цвета свечения. Бывают даже двухцветные.
• Достаточно малые токи управления. Современные светодиодные индикаторы могут подключаться к выводам микроконтроллеров без дополнительных ключей.
• Допускают жесткие условия эксплуатации (температурный диапазон, высокая влажность, вибрации, агрессивные среды и т.п.). По этому качеству светодиодным индикаторам нет равных среди других типов элементов индикации.
• Неограниченный срок службы.

Типы светодиодных индикаторов.

Семисегментный светодиодный индикатор отображает символ с помощью семи светодиодов – сегментов цифры. Восьмой светодиод засвечивает децимальную точку. Так что в семисегментном индикаторе 8 сегментов.

Сегменты обозначаются латинскими буквами от ”A” до ”H”.

Аноды или катоды каждого светодиода объединяются в индикаторе и образуют общий провод. Поэтому существуют индикаторы с общим анодом и общим катодом.

Светодиодный индикатор с общим анодом.

Светодиодный индикатор с общим катодом.

Статическое управление светодиодным индикатором.

Подключать светодиодные индикаторы к микроконтроллеру необходимо через резисторы, ограничивающие ток.

Расчет резисторов такой же, как для отдельных светодиодов.

R = ( U питания  -  U сегмента ) / I сегмента

Для этой схемы:  I сегмента = ( 5 – 1,5 ) / 1000 = 3,5 мА

Современные светодиодные индикаторы достаточно ярко светятся уже при токе 1 мА. Для схемы с общим анодом засветятся сегменты, на управляющих выводах которых микроконтроллер сформирует низкий уровень.

В схеме подключения индикатора с общим катодом меняется полярность питания и сигналов управления.

Засветится сегмент, на управляющем выводе которого будет сформирован высокий уровень (5 В).

 

Мультиплексированный режим управления светодиодными (LED) индикаторами.

Для подключения каждого семисегментного индикатора к микроконтроллеру требуется восемь выводов. Если индикаторов (разрядов) 3 – 4, то задача становится практически не выполнимой. Просто не хватит выводов микроконтроллера. В этом случае индикаторы можно подключить в мультиплексированном режиме, в режиме динамической индикации.

Выводы одноименных сегментов каждого индикатора объединяются. Получается матрица светодиодов , подключенных между выводами сегментов и общими выводами индикаторов. Вот схема мультиплексированного управления трех разрядным индикатором с общим анодом.

Для подключения трех индикаторов потребовалось 11 выводов, а не 24, как при статическом режиме управления.

При динамической индикации в каждый момент времени горит только одна цифра. На общий вывод одного из разрядов подается сигнал высокого уровня (5 В), а на выводы сегментов поступают сигналы низкого уровня для тех сегментов, какие должны светиться в этом разряде. Через определенное время зажигается следующий разряд. На его общий вывод подается высокий уровень, а на выводы сегментов сигналы состояния для этого разряда. И так для всех разрядов в бесконечном цикле. Время цикла называется временем регенерации индикаторов. Если время регенерации достаточно мало, то человеческий глаз не заметит переключения разрядов. Будет казаться, что все разряды светятся постоянно. Для исключения мерцания индикаторов считается, что частота цикла регенерации должно быть не менее 70 Гц. Я стараюсь использовать не менее 100 Гц.

Схема динамической индикации для светодиодов с общим катодом выглядит так.

Меняется полярность всех сигналов. Теперь на общий провод активного разряда подается низкий уровень, а на сегменты, которые должны светиться – высокий уровень.

 

Расчет элементов динамической индикации светодиодных (LED) индикаторов.

Расчет несколько сложнее, чем для статического режима. В ходе расчета необходимо определить:

• средний ток сегментов;
• импульсный ток сегментов;
• сопротивление резисторов сегментов;
• импульсный ток общих выводов разрядов.

Т.к. разряды индикаторов светятся по очереди, то яркость свечения определяет средний ток. Мы должны выбрать его исходя из параметров индикатора и требуемой яркости. Средний ток будет определять яркость свечения индикатора на уровне, соответствующем статическому управлению с таким же постоянным током.

Выберем средний ток сегмента 1 мА.

Теперь рассчитаем импульсный ток сегмента. Чтобы обеспечить требуемый средний ток, импульсный ток должен быть в N раз больше. Где N число разрядов индикатора.

I сегм. имп. = I сегм. средн. * N

Для нашей схемы I сегм. имп. = 1 * 3 = 3 мА.

Рассчитываем сопротивление резисторов, ограничивающих ток.

R = ( U питания  -  U сегмента ) / I сегм. имп.

R = ( 5 – 1,5 ) / 0.003 = 1166 Ом

Определяем импульсные токи общих выводов разрядов. Одновременно светиться могут 8 сегментов, значит надо импульсный ток одного сегмента умножить на 8.

I разряда имп. =  I сегм. имп. * 8

Для нашей схемы  I разряда имп. = 3 * 8 = 24 мА.

В итоге:

• сопротивление резисторов выбираем 1,1 кОм;
• выводы микроконтроллера управления сегментами должны обеспечивать ток не менее 3 мА;
• выводы микроконтроллера выбора разряда индикатора должны обеспечивать ток не менее 24 мА.

При таких значениях токов индикатор может быть подключен непосредственно к выводам платы Ардуино, без использования дополнительных ключей. Для ярких индикаторов, таких токов вполне достаточно.

 

Схемы с дополнительными ключами.

Если индикаторы требуют больший ток, то необходимо использовать дополнительные ключи, особенно для сигналов выбора разрядов. Общий ток разряда в 8 раз больше тока одного сегмента.

Схема подключения светодиодного индикатора с общим анодом в мультиплексированном режиме с транзисторными ключами выбора разрядов.

Для выбора разряда в этой схеме необходимо сформировать сигнал низкого уровня. Соответствующий ключ откроется и подаст питание на разряд индикатора.

Схема подключения светодиодного индикатора с общим катодом в мультиплексированном режиме с транзисторными ключами выбора разрядов.

Для выбора разряда в этой схеме необходимо сформировать сигнал высокого уровня. Соответствующий ключ откроется и замкнет общий вывод разряда на землю.

Могут быть схемы, в которых необходимо использовать транзисторные ключи и для сегментов, и для общих выводов разрядов. Такие схемы легко синтезируются из двух предыдущих. Все показанные схемы используются при питании индикатора напряжением равным питанию микроконтроллера.

 

Ключи для индикаторов с повышенным напряжением питания.

Бывают индикаторы больших размеров, в которых каждый сегмент состоит из нескольких светодиодов, соединенных последовательно. Для питания таких индикаторов требуется источник с напряжением  большим, чем 5 В. Ключи должны обеспечивать коммутацию повышенного напряжения с управлением от сигналов уровней микроконтроллера (обычно 5 В).

Схема ключей, замыкающих сигналы индикатора на землю, остается неизмененной. А ключи питания должны строиться по другой схеме, например, такой.

В этой схеме активный разряд выбирается высоким уровнем управляющего сигнала.

Между переключением разрядов индикатора на короткое время (1-5 мкс) должны выключаться  все сегменты. Это время необходимо на завершение переходных процессов коммутации ключей.

Конструктивно выводы разрядов могут быть объединены как в одном корпусе многоразрядного индикатора, а может быть собран многоразрядный индикатор из отдельных одноразрядных. Более того, можете собрать индикатор из отдельных светодиодов, объединенных в сегменты. Так обычно поступают, когда необходимо собрать индикатор очень больших размеров. Все приведенные выше схемы будут справедливы и для таких вариантов.

 

В следующем уроке подключим семисегментный светодиодный индикатор к плате Ардуино, напишем библиотеку для управления им.

 

Предыдущий урок     Список уроков     Следующий урок