Часы на Arduino и 4-х разрядном семисегментном индикаторе

В настоящее время во встраиваемой электронике (и не только) достаточно широкое применение находят часы на семисегментных дисплеях (индикаторах). Ранее на нашем сайте мы уже рассматривали подключение семисегментного дисплея к плате Arduino Uno, также у нас представлены проекты различных часов на основе Arduino:

Внешний вид часов на Arduino и семисегментных дисплеях

В этой же статье мы рассмотрим создание часов на основе платы Arduino и четырех семисегментных дисплеях. Управление семисегментными дисплеями мы будем осуществлять с помощью технологии мультиплексирования.

Необходимые компоненты

  1. Плата Arduino UNO (купить на AliExpress).
  2. 4-х разрядный семисегментный дисплей (индикатор) (4-Digit 7 Segment Display) (купить на AliExpress).
  3. Микросхема 74HC595 (регистр сдвига) (купить на AliExpress).
  4. Модуль часов реального времени DS3231 (купить на AliExpress).
  5. Макетная плата.
  6. Соединительные провода.

4-х разрядный семисегментный дисплей (4-Digit 7 Segment Display)

Внешний вид 4-х разрядного семисегментного дисплея

4-х разрядный семисегментный дисплей состоит из четырех семисегментных дисплеев, объединенных в единое устройство. Иногда говорят, что эти дисплеи “мультиплексированы вместе”, поэтому для управления ими можно использовать технологию мультиплексирования. Этот дисплей можно использовать для отображения цифр, а также некоторых букв. Дисплей можно использовать в обоих направлениях. 4 символа удобно использовать для изготовления электронных часов или счетчика от 0 до 9999.

Распиновка 4-х разрядного семисегментного дисплея

На следующем рисунке показана внутренняя схема соединений 4-х разрядного семисегментного дисплея.

Внутренняя схема соединений 4-х разрядного семисегментного дисплеяКаждый сегмент дисплея имеет собственный светодиод и им можно индивидуально управлять. Светодиоды таким образом скомпонованы в составе дисплея, что каждый из них освещает только свой сегмент (к которому он относится). Семисегментные дисплеи могут быть с общим катодом и общим анодом, как показано на следующем рисунке.

Внутренние схемы соединений семисегментных дисплеевВ семисегментном дисплее с общим катодом (ОК) отрицательные выводы всех светодиодов соединены вместе и образую общую землю. В схеме с общим анодом (ОА) положительные выводы всех светодиодов соединены вместе и они образуют общий вывод напряжения постоянного тока (VCC).

На нашем сайте есть достаточно подробные статьи про устройство семисегментных дисплеев и их программированию – они написаны для микроконтроллеров семейства AVR, но я думаю провести аналогию с Arduino вам будет не трудно:

Также можно посмотреть статью о подключении семисегментного дисплея к микроконтроллеру AVR ATmega32.

Использование технологии мультиплексирования

Так каким образом мы можем на подобном 4-х символьном семисегментном дисплее отобразить, к примеру, число 1234? Это возможно сделать с использованием технологии мультиплексирования. Смысл этой технологии достаточно прост – в каждый момент времени мы отображаем только один символ (из 4-х возможных) на данном дисплее. Переключение между отображением всех 4-х символов происходит достаточно быстро – поэтому человеческий глаз воспринимает их непрерывно горящими.

Регистр сдвига 74HC595

Микросхема 74HC595 представляет собой 8-битовый регистр сдвига, работающий по принципу Serial IN – Parallel OUT (последовательный вход – параллельный выход). То есть данный регистр сдвига принимает входные данные последовательно и обеспечивает параллельный вывод этих данных на своих 8 контактах. С его помощью можно значительно уменьшить количество используемых контактов микроконтроллера (в нашем случае платы Arduino). Более подробно о подключении регистра сдвига 74HC595 к платы Arduino можно прочитать в этой статье.

Распиновка регистра сдвига 74HC595

Микросхема 74HC595 использует 3 контакта (Clock, Data & Latch) для подключения к микроконтроллеру и позволяет контролировать 8 своих выходных контактов. Контакт Clock используется для непрерывной подачи синхронизирующих импульсов, а контакт Data предназначен для подачи на него необходимых данных. Регистр сдвига 74HC595 работает по интерфейсу SPI, подробную информацию по использованию данного интерфейса в платах Arduino вы можете почерпнуть в этой статье. Назначение контактов микросхемы 74HC595 приведено на следующих двух рисунках.

Назначение контактов микросхемы 74HC595 (часть 1)Назначение контактов микросхемы 74HC595 (часть 2)Расшифровка обозначений контактов регистра сдвига74HC595 на русском языке выглядит следующим образом.

Q0-Q7 – восемь параллельных выходов общего назначения. Данные выходы нужны для того, чтобы мы могли как-то воспользоваться пришедшими данными по SPI – подключить линейку светодиодов, либо сегменты какого-то индикатора, либо дешифратор и т.д.

VCC – напряжение питания.

GND – общий провод.

Q7' – последовательный выход данных. По сути - это MISO.

DS – последовательный вход данных или MOSI.

MR – это master reset. Сбрасывает все выходы в 0. Для нормального функционирования регистра сдвига на нем должна быть логическая 1.

SH_CP – в нашем случае это будет chip select.

ST_CP – это контакт управления регистром хранения, в нашем случае это будет контакт синхронизации, на который необходимо подавать тактовые импульсы. Но Arduino будет делать для нас это автоматически при использовании соответствующей команды.

OE – задействования выхода. При отрицательном значении последовательный выход включен, при положительном – выключен.

Модуль часов реального времени DS3231

Внешний вид данного модуля представлен на следующем рисунке.

Внешний вид модуля часов реального времени DS3231

Модуль предназначен для хранения времени и даты даже когда общее питание схемы выключено – для этой цели в его состав входит элемент питания CR2032. В состав модуля DS3231 входит также датчик температуры, поэтому его можно использовать в различных встраиваемых устройствах, например, в цифровых часах с индикатором температуры и т.д. Модуль работает по интерфейсу I2C. На нашем сайте вы можете посмотреть следующие проекты с использованием данного модуля:

Назначение контактов (распиновка) модуля DS3231 приведена в следующей таблице.

Наименование контакта Назначение контакта
VCC напряжение питания
GND общий провод (земля)
SDA контакт последовательной передачи данных (I2C)
SCL контакт синхронизации (тактирования) (I2C)
SQW выход прямоугольного сигнала (программируемый меандр)
32K выход меандра с частотой 32.768кГц

Теперь перейдем непосредственно к схеме нашего проекта.

Схема проекта

Схема часов на Arduino и 4-х разрядном семисегментном индикаторе представлена на следующем рисунке.

Схема часов на Arduino и 4-х разрядном семисегментном индикатореВ следующей таблице представлены необходимые соединения между модулем часов реального времени и платой Arduino Uno.

DS3231 Arduino Uno
VCC 5V
GND GND
SDA A4
SCL A5

В следующей таблице представлены необходимые соединения между регистром сдвига 74HC595 и платой Arduino Uno.

Регистр сдвига 74HC595 Arduino Uno
11-SH_CP (SRCLK) 6
12-ST_CP (RCLK) 5
14-DS (Data) 4
13-OE(Latch) GND
8-GND GND
10-MR(SRCLR) +5V
16-VCC +5V

В следующей таблице представлены необходимые соединения между регистром сдвига 74HC595, 4-х разрядным семисегментным дисплей и платой Arduino Uno.

4-х разрядный семисегментный дисплей Регистр сдвига 74HC595 Arduino Uno
A Q0 -
B Q1 -
C Q2 -
D Q3 -
E Q4 -
F Q5 -
G Q6 -
D1 - 10
D2 - 11
D3 - 12
D4 - 9

Внешний вид собранной конструкции проекта показан на следующем рисунке.

Внешний вид собранной конструкции проекта

Объяснение программы для Arduino

Полный код программы и видео, демонстрирующее работу проекта, приведены в конце статьи. Здесь же мы рассмотрим основные фрагменты кода программы.

В программе мы должны считывать время (часы и минуты в 24-часовом формате) с модуля часов реального времени и конвертировать их в формат для отображения на 4-х символьном семисегментном дисплее.

Для подключения модуля часов реального времени DS3231 к плате Arduino используется шина I2C. Для работы с данным модулем (считывания даты, времени, температуры и т.д.) мы в программе будем использовать библиотеку <DS3231.h>. Скачайте ее по следующей ссылке - DS3231 RTC module Arduino Library. Поскольку мы используем интерфейс I2C нам в программе необходимо будет подключить и библиотеку <wire.h>.

В нашем проекте часы и минуты считываются с модуля часов реального времени и они потом объединяются вместе, например, 0930 – это будет 09:30 pm. Затем мы выделяем индивидуальные цифры из этого считанного числа. Далее эти индивидуальные цифры преобразуются в двоичный формат и передаются на регистр сдвига, а с него на семисегментный дисплей. Для отображения всех четырех символов мы используем технологию мультиплексирования – то есть в каждый момент времени мы отображаем только один символ, но переключение между символами происходит с высокой частотой, поэтому человеческий глаз этого не замечает.

Итак, первым делом в программе подключим необходимые библиотеки.

Далее инициализируем контакты для управления семисегментным дисплеем с помощью технологии мультиплексирования.

Далее объявим необходимые переменные.

Затем инициализируем объект RTC класса DS3231 – это упростит дальнейшую работу с модулем часов реального времени.

Далее с помощью команды wire.begin() инициализируем связь по протоколу I2C, при этом объекту RTC (модулю часов реального времени) присвоится адрес по умолчанию поскольку у нас в схеме больше нет устройств, использующих шину I2C.

Зададим режимы работы используемых контактов – на ввод или вывод данных.

Затем в бесконечном цикле loop мы будем непрерывно считывать время (часы и минуты) с модуля часов реального времени (RTC) DS3231. При этом ‘h24’ будет обозначать 24-часовой формат переменной для хранения времени.

Затем часы и минуты упаковываются в одно число. Например, если число часов равно 10, а число минут равно 60, то результирующее число будет равно 10*100=1000+60 =1060.

Затем из этого числа мы будем извлекать индивидуальные цифры. Например, в числе 1060: 1 – тысячи, 0 – сотни, 6 – десятки и 0 – последняя цифра (единицы). Для разделения этих цифр мы будем использовать оператор остатка от деления. К примеру, чтобы выделить число тысяч в нашем примере - 1060/1000=1.06%10=1. Все эти цифры мы будем хранить в отдельных переменных.

После этого с помощью операторов switch case каждую индивидуальную цифру мы конвертировать в соответствующий (двоичный) формат и передавать с помощью регистра сдвига на семисегментный дисплей. То есть мы каждую цифру преобразуем в такое двоичное число, чтобы при подаче его на семисегментный дисплей загоралась именно эта цифра. К примеру, цифра 1 преобразуется в формат 0000 0110 (число 6). После подачи его на семисегментный дисплей на нем высветится цифра 1 (0 for LOW, 1 for HIGH).

Затем индивидуальные цифры в двоичном формате передаются с помощью функции shiftout. Для реализации технологии мультиплексирования соответствующие контакты сначала устанавливаются в LOW, а потом в HIGH.

Аналогично и для числа сотен, десятков и единиц.

Используемая частота синхронизации (frequency of the clock) будет влиять на качество работы технологии мультиплексирования. Если она будет низкой, то вы будете замечать мерцание при работе наших часов на семисегментных дисплеях.

На следующем рисунке показан пример работы проекта.

Тестирование работы проекта часов на Arduino и 4-х разрядном семисегментном индикаторе

Исходный код программы (скетча)

Видео, демонстрирующее работу часов на 4-х разрядном семисегментном дисплее

(Проголосуй первым!)
Загрузка...
1 418 просмотров

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *