Verwaltung eines 7-Segment-LED-Display-Arrays mit minimalen Pins

In meinen frühen Zwanzigern war ich stolz auf meine Fähigkeit, mehrere Aufgaben gleichzeitig zu bewältigen. Ich konnte im Handumdrehen zwischen mehreren Projekten wechseln und gleichzeitig die Rollen des Einkaufsleiters, Ingenieurs, Technikers, Marketingmanagers und Supportspezialisten übernehmen, während ich mein Elektronik-Startup leitete. Ich dachte, es sei ein Segen, multitaskingfähig zu sein.

Ein Jahrzehnt später erkenne ich, dass Multitasking zu einer geringeren Arbeitsqualität führt und dabei mein Gehirn ruiniert. Kein Wunder, dass ich mit dem Älterwerden alles vergesse! Multitasking war eindeutig eine unhaltbare Gewohnheit, wenn es um meinen Arbeitsablauf ging. Im Elektronikdesign jedoch ermöglicht das Wechseln zwischen Aufgaben, oder besser gesagt Pins, die Steuerung von 7-Segment-LED-Anzeigen mit minimalen Pins.

Wie eine 7-Segment-LED-Anzeige funktioniert

Ein 7-Segment-LED-Display ist ein numerischer Anzeiger, der aus sieben LEDs besteht, die in einer rechteckigen Form angeordnet sind. Die Grundlage für den Betrieb einer 7-Segment-Anzeige ist dieselbe wie bei der Steuerung von regulären LEDs, die eine Vorwärtsspannung zum Einschalten sowie Begrenzungswiderstände für den Stromfluss durch jede LED benötigen.

Sie werden feststellen, dass eine 7-Segment-LED-Anzeige 8 Pins enthält. Sieben der Pins steuern ein Ende der einzelnen LED, während ein gemeinsamer Pin die Kathode oder Anode der LED steuert, abhängig vom Typ der Segmentanzeige. Der benötigte Strom, um die LEDs einzuschalten, variiert auch mit der Größe der 7-Segment-Anzeigen.

In der Elektronik sind 7-Segment-LED-Anzeigen üblich in Zählern und Timern, die Zahlen sowie Buchstaben anzeigen, indem sie die entsprechende LED aufleuchten lassen. Sie sind leicht verfügbar und einfacher zu implementieren als mehrere einzelne LEDs anzuordnen, um denselben Zweck zu erreichen.

7-Segment-LED-Anzeigen gibt es in verschiedenen Formen und Größen. Kleinere Größen werden typischerweise direkt von einem Mikrocontroller oder den Ausgangspins eines Logikchips angesteuert. LED-Anzeigen, die größer sind und mehr Strom verbrauchen, nutzen üblicherweise Transistoren, um den Strom zu senken oder zu liefern.

Steuerung von 7-Segment-LED-Anzeigearrays mit minimalen Pins

Die Steuerung einer einzelnen 7-Segment-LED-Anzeige ist einfach, da sie nur sieben Pins umfasst und das gemeinsame Display dauerhaft entweder mit dem Boden oder der positiven Versorgung verbunden wird. Ein einzelnes Segment hat jedoch in tatsächlichen Anwendungen eine begrenzte Funktionalität. Beispielsweise erfordern Timer- oder Zähleranwendungen oft die Verbindung von zwei oder mehr 7-Segment-LED-Anzeigen. Als Beispiel benötigt ein Fahrzeugzähler in einem Parkplatz mindestens 4 Segmente für die praktische Nutzung.

Das Ansteuern von Arrays von 7-Segment-LED-Anzeigen kann das Verbinden jedes Steuerpins mit einem dedizierten Ausgang beinhalten. Dies führt jedoch zu einer extrem hohen Anzahl von Pins, die entweder an einem Mikrocontroller oder einem Latch-Integrierten Schaltkreis (IC) verwendet werden. Als Ergebnis benötigt diese Konfiguration 28 Pins für 4-Segment-Anzeigen.

Ein besserer Weg, um die Pin-Anzahl zu verringern, besteht darin, alle sieben Segmentsteuerpins mit demselben Satz von Ausgängen zu verbinden und die gemeinsamen Pins jedes einzelnen Segments mit einem spezifischen Ausgang zu verbinden. Diese Verbindungsart erlaubt es, dass zu einem gegebenen Zeitpunkt nur eine einzelne 7-Segment-Anzeige eingeschaltet wird.

Wie man Firmware verwendet, um 7-Segment-LED-Anzeigearrays zu steuern

Also, Sie haben es geschafft, die Pin-Anzahl für 4-Segment-Anzeigen von 28 auf 11 Pins zu reduzieren. Gut gemacht! Doch wie stellen Sie sicher, dass alle Segmente gleichzeitig die richtigen Zahlen anzeigen? Technisch gesehen ist es eine unmögliche Aufgabe, aber Sie können es dank der Einschränkungen des menschlichen Auges und einiger genialer Firmware-Programmierung möglich machen.

Das menschliche Auge kann nur Änderungen in Bewegungen oder Flimmern bis zu 60Hz erkennen, obwohl einige Experten anderer Meinung sein mögen. Ein Mikrocontroller ist so leistungsfähig, dass er jede der 7-Segment-LED-Anzeigen sequenziell und mit höherer Frequenz einschalten kann. Das Endergebnis ist die Illusion, dass alle vier Anzeigen gleichzeitig eingeschaltet sind und die richtigen Zahlen anzeigen.

Der Schlüssel hierbei ist, den gewünschten alphanumerischen Wert in einem Speicherarray zu speichern und die richtigen Ausgangspins in einem spezifischen Intervall einzuschalten. Diese Methode kann angewendet werden, wenn Sie eine größere Anzahl von 7-Segment-Anzeigen steuern müssen. Der einzige Faktor, den Sie beachten müssen, ist die Fähigkeit des Mikrocontrollers, eine schnellere Aktualisierungsrate zu erreichen und daher ein potentielles elektrisches Interferenzproblem bei schnellem Schalten zu verursachen.

PCB-Design zur Reduzierung der Pin-Anzahl von 7-Segment-LED-Arrays

Um 7-Segment-LED-Arrays zu steuern, während die Anzahl der Pins minimiert wird, ist es notwendig, die LED-Anordnung und die Pin-Verbindung sorgfältig zu überwachen. Es ist auch kritisch, sich an die grundlegenden Regeln des PCB-Designs zu halten, besonders wenn man analoge Signale hat, die empfindlich auf Störungen reagieren.

Wenn Sie ein einfach zu bedienendes PCB-Layout-Tool benötigen, das alles umfasst, was zum Bau von hochwertigen, herstellbaren Schaltkarten benötigt wird, suchen Sie nicht weiter als CircuitMaker. Zusätzlich zur einfach zu bedienenden PCB-Designsoftware haben alle CircuitMaker-Nutzer Zugang zu einem persönlichen Arbeitsbereich auf der Altium 365-Plattform. Sie können Ihre Design-Daten in der Cloud hochladen und speichern, und Sie können Ihre Projekte über Ihren Webbrowser auf einer sicheren Plattform leicht einsehen.

Beginnen Sie heute mit der Nutzung von CircuitMaker und bleiben Sie dran für das neue CircuitMaker Pro von Altium.