Часы с 7-сегментным дисплеем Arduino путем мультиплексирования четырех 7-сегментных дисплеев

Цифровые настенные часы становятся все более популярными в наши дни, и они лучше аналоговых часов, поскольку они показывают точное время в часах, минутах и ​​секундах, а также легко читают значения. Некоторые цифровые часы также имеют множество функций, таких как отображение температуры, влажности, установка нескольких сигналов тревоги и т. Д. В большинстве цифровых часов используется семисегментный дисплей.

Ранее мы построили множество схем цифровых часов, используя либо 7-сегментные дисплеи, либо ЖК-дисплеи 16x2. Здесь вы можете увидеть полный дизайн печатных плат цифровых часов на базе AVR. Это руководство посвящено созданию цифровых часов путем мультиплексирования четырех- семисегментных дисплеев с использованием Arduino UNO и отображения времени в формате ЧЧ: ММ.

Необходимые компоненты

• 4-значный 7-сегментный дисплей
• 74HC595 IC
• Модуль DS3231 RTC
• Arduino UNO
• Макетная плата
• Соединительные провода

4-значный 7-сегментный дисплей

4-значный 7-сегментный дисплей имеет четыре семи-сегментных дисплея, объединенных вместе или, можно сказать, мультиплексированных вместе. Они используются для отображения числовых значений, а также некоторых алфавитов с десятичными знаками и двоеточием. Дисплей можно использовать в обоих направлениях. Четыре цифры полезны для создания цифровых часов или подобных чисел от 0 до 9999. Ниже представлена ​​внутренняя диаграмма для 4-значного 7-сегментного дисплея.

Каждый сегмент имеет один светодиод с индивидуальным управлением светодиодами. Есть два типа семисегментных дисплеев, такие как общий анод и общий катод. На изображении выше показан 7-сегментный дисплей обычного типа анода.

Общий анод

В общем аноде все положительные клеммы (аноды) всех 8 светодиодов соединены вместе и называются COM. И все отрицательные клеммы оставлены в покое или подключены к выводам микроконтроллера. При использовании микроконтроллера, если логический уровень LOW установлен для освещения определенного сегмента светодиода, и установлен высокий логический уровень, чтобы выключить светодиод.

Общий катод

В Common Cathode все отрицательные клеммы (катод) всех 8 светодиодов соединены вместе и называются COM. И все положительные клеммы оставлены в покое или подключены к контактам микроконтроллера. При использовании микроконтроллера, если установлен ВЫСОКИЙ логический уровень, чтобы загорелся светодиод, и НИЗКИЙ, чтобы выключить светодиод.

Узнайте больше о 7-сегментных дисплеях здесь и проверьте, как они могут взаимодействовать с другими микроконтроллерами:

• 7-сегментный дисплей с интерфейсом Arduino
• 7-сегментный дисплей с интерфейсом Raspberry Pi
• Взаимодействие семисегментного дисплея с ARM7-LPC2148
• 7-сегментный дисплей, взаимодействующий с микроконтроллером PIC
• 7-сегментный дисплей, взаимодействующий с микроконтроллером 8051

74HC595 Регистр сдвига IC

IC 74HC595 также известный как 8-битный серийный IN - Параллельный выход регистр сдвига. Эта ИС может получать ввод данных последовательно и управлять 8 выходными контактами параллельно. Это полезно для уменьшения количества выводов микроконтроллера. Здесь вы можете найти все проекты, связанные со сдвиговым регистром 74HC595.

Работа 74HC595 IC:

Эта ИС использует три контакта, такие как часы, данные и защелка, с микроконтроллером для управления 8 выходными контактами ИС. Часы используются для непрерывной подачи импульсов от микроконтроллера, а вывод данных используется для отправки данных, например, какой выход должен быть включен или выключен в соответствующее время часов.

Распиновка:

Пин код	Имя контакта	Описание
1,2,3,4,5,6,7	Выходные контакты (от Q1 до Q7)	74HC595 имеет 8 выходных контактов, из которых 7 являются этими контактами. Им можно управлять серийно
8	Земля	Подключен к земле микроконтроллера
9	(Q7) Последовательный выход	Этот вывод используется для подключения более одного 74HC595 в каскадном режиме.
10	(MR) Общий сброс	Сбрасывает все выходы на низкий уровень. Для нормальной работы необходимо держать высоко
11	(SH_CP) Часы	Это тактовый вывод, на который тактовый сигнал должен подаваться от MCU / MPU.
12	(ST_CP) Защелка	Контакт защелки используется для обновления данных на выходных контактах. Активный высокий
13	(OE) Выход разрешен	Разрешение выхода используется для отключения выходов. Для нормальной работы необходимо удерживать низкий уровень
14	(DS) Последовательные данные	Это контакт, на который отправляются данные, на основе которого управляются 8 выходов.
15	(Q0) Выход	Первый выходной контакт.
16	Vcc	Этот вывод питает ИС, обычно используется + 5В.

Модуль DS3231 RTC

DS3231 - это модуль RTC. RTC расшифровывается как часы реального времени. Этот модуль используется для запоминания времени и даты, даже когда цепь не запитана. Он имеет резервную батарею CR2032 для работы модуля при отсутствии внешнего питания. В этот модуль также входит датчик температуры. Модуль можно использовать во встроенных проектах, таких как создание цифровых часов с индикатором температуры и т. Д. Вот несколько полезных проектов, в которых он используется:

• Автоматическая кормушка для домашних животных с использованием Arduino
• Взаимодействие модуля RTC (DS3231) с микроконтроллером PIC: цифровые часы
• Взаимодействие модуля RTC (DS3231) с MSP430: цифровые часы
• Часы реального времени ESP32 с использованием модуля DS3231
• Цифровые настенные часы на печатной плате с использованием микроконтроллера AVR Atmega16 и DS3231 RTC

Распиновка DS3231:

Имя контакта	Использовать
VCC	Подключен к плюсу источника питания
GND	Подключен к земле
ПДД	Вывод последовательных данных (I2C)
SCL	Вывод последовательных часов (I2C)
SQW	Вывод прямоугольной волны
32K	Выход генератора 32K

Особенности и характеристики:

• RTC считает секунды, минуты, часы и год
• Цифровой датчик температуры с точностью ± 3ºC
• Зарегистрироваться на старение
• Интерфейс I2C 400 кГц
• Низкое энергопотребление
• Резервная батарея CR2032 со сроком службы от двух до трех лет
• Рабочее напряжение: от 2,3 до 5,5 В

Принципиальная электрическая схема

Цепное соединение между DS3231 RTC и Arduino UNO:

DS3231	Arduino UNO
VCC	5В
GND	GND
ПДД	A4
SCL	A4

Цепные соединения между 74HC595 IC и Arduino Uno:

74HC595 IC	Arduino UNO
11-SH_CP (SRCLK)	6
12-ST_CP (RCLK)	5
14-DS (Данные)	4
13-ОЕ (защелка)	GND
8-GND	GND
10-MR (SRCLR)	+ 5В
16-VCC	+ 5В

Цепные соединения между IC 74HC595 и 4-значным семисегментным блоком и Arduino UNO:

4 цифры, семь сегментов	IC 74HC595	Arduino UNO
А	Q0	-
B	Q1	-
C	2 квартал	-
D	3 квартал	-
E	4 квартал	-
F	Q5	-
г	Q6	-
D1	-	10
D2	-	11
D3	-	12
D4	-	9

Программирование Arduino UNO для мультиплексирования семисегментного дисплея

Полный код и рабочее видео прилагаются в конце этого руководства. В разделе программирования будет объяснено, как время (часы и минуты) берутся из модуля RTC в 24-часовом формате, а затем преобразуются в соответствующий формат для отображения на 4-значном 7-сегментном дисплее.

Для связи модуля DS3231 RTC с Arduino UNO используется шина I2C Arduino UNO. Библиотека под названием включен в программу для доступа к функциям, таким как установка и считывание времени, даты, данных температуры и т. д. Загрузите модуль DS3231 RTC Arduino Library. Поскольку модуль RTC использует интерфейс I2C, библиотека также используется в программе.

В этой концепции часы и минуты сначала берутся из RTC, и они объединяются вместе, как 09:30 (21:30 pm), а затем отдельные цифры разделяются, как тысяча, сотня, десятки, единицы, а отдельные цифры преобразуются в двоичный формат, например 0 в 63 (0111111). Этот двоичный код отправляется в регистр сдвига, а затем из регистра сдвига в семисегментный, успешно отображая цифру 0 на семисегментном дисплее. Таким образом, четыре цифры мультиплексируются и отображаются часы и минуты.

Изначально включены необходимые библиотеки, такие как библиотека DS3231 и библиотека Wire (библиотека I2C).

#включают #включают

Штифты определены для управления семью сегментами. Эти элементы управления будут играть важную роль в мультиплексировании дисплея.

#define latchPin 5 #define clockPin 6 #define dataPin 4 #define dot 2

Переменные объявлены для хранения преобразованного или необработанного результата, взятого из RTC.

int h; // Переменная объявлена ​​для часа int m; // Переменная объявлена ​​для минуты int тысяч; int сотни; int tens; int unit; bool h24; bool PM;

Затем объект класса DS3231 объявляется как RTC, чтобы упростить использование в следующих строках.

DS3231 RTC;

Поскольку модуль RTC взаимодействует с Arduino с помощью связи I2C. Итак, wire.begin () используется для запуска связи I2C в адресе RTC по умолчанию, поскольку других модулей I2C нет.

Wire.begin ();

Режим вывода определяется, будет ли GPIO работать как выход или вход.

pinMode (9, ВЫХОД); pinMode (10, ВЫХОД); pinMode (11, ВЫХОД); pinMode (12, ВЫХОД); pinMode (latchPin, ВЫХОД); pinMode (clockPin, ВЫХОД); pinMode (dataPin, ВЫХОД); pinMode (точка, ВЫХОД);

Цикл выполняется бесконечно и требует времени в часах и минутах от модуля RTC DS3231. «h24» указывает переменную 24-часового формата.

int h = RTC.getHour (h24, PM); int m = RTC.getMinute ();

Затем час и минута объединяются в одно число (например, если час равен 10, а мин равен 60, тогда число будет 10 * 100 = 1000 + 60 = 1060).

int число = h * 100 + m;

В отдельных цифрах от числа получаются (пример 1060- 1 тыс, 0 hundered, 1 десятые и 0 последняя цифра). Для разделения цифр используется оператор модуля. Например, в 1060, чтобы получить 1, тогда 1060/1000 = 1,06% 10 = 1). Таким образом, отдельные цифры хранятся в отдельных переменных.

int тысяч = число / 1000% 10; int сотни = число / 100% 10; int десятки = число / 10% 10; int unit = число% 10;

После этого определяется оператор switch case для каждой отдельной цифры для преобразования их в соответствующий формат (двоичный формат) и отправки через регистр сдвига для отображения в 7-сегментном формате. Например (1 цифра заменяется на 06 (0000 0110)). Таким образом, он отправляется через сдвиг, и 1 цифра отображается в 7-сегментном формате (0 для LOW, 1 для HIGH).

switch (t) { case 0: unit = 63; сломать; случай 1: unit = 06; сломать; случай 2: unit = 91; сломать; случай 3: unit = 79; сломать; случай 4: unit = 102; сломать; случай 5: unit = 109; сломать; случай 6: unit = 125; случай 7: unit = 07; сломать; случай 8: unit = 127; сломать; case 9: unit = 103; сломать; }

Затем отдельная цифра в двоичном формате отправляется через функцию shiftout с первым старшим битом, и соответствующий цифровой вывод становится ВЫСОКИМ, а контакт защелки становится ВЫСОКИМ.

digitalWrite (9, LOW); digitalWrite (latchPin, LOW); shiftOut (dataPin, clockPin, MSBFIRST, тысячи); digitalWrite (latchPin, HIGH); digitalWrite (9, ВЫСОКИЙ); задержка (5);

На этом закончен полный код. Большая часть объяснений функций дается в разделе комментариев к коду, рядом со строкой кода. Частота часов будет определять вид времени и качество мультиплексирования, то есть, если используются низкие часы, то можно увидеть мерцание, где, как если бы тактовая частота высока, такого мерцания не будет, и можно увидеть устойчивое время.

Обратите внимание, что для доступа к модулю RTC необходимо поддерживать напряжение на шине I2C. Чтобы дать какое-либо предложение или если у вас есть какие-либо сомнения, оставьте комментарий ниже.