آموزش سون سگمنت مالتی پلکس با آردوینو + سورس کد

سون_سگمنت_چیست؟_آموزش_راه‌اندازی_به_روش_مالتی_پلکس

آردوینو – مقالات

8 بازدید

۱۴۰۴-۱۱-۱۳

15 دقیقه

نویسنده: Shadow
درباره نویسنده: سئوکار ساده! 🔗 مهندس الکترونیک⚡

سون سگمنت، یکی از متداول‌ترین نمایشگرهای الکترونیکی برای نمایش اطلاعات عددی است که از هفت دیود نورانی (LED) تشکیل شده و با روشن و خاموش‌کردن ترکیب‌های خاصی از این دیودها، می‌تواند اعداد و برخی حروف را به نمایش بگذارد. راه‌اندازی چندین سون سگمنت به‌صورت هم‌زمان، به دلیل محدودیت در تعداد پایه‌های میکروکنترلرها، چالش‌هایی را ایجاد می‌کند که راه‌حل مؤثر آن، استفاده از تکنیک سون سگمنت مالتی پلکس است. این روش با بهره‌گیری از پدیده ماندگاری تصویر در چشم انسان، امکان کنترل تعداد زیادی نمایشگر را با حداقل تعداد پین فراهم می‌آورد و کارایی مدار را به شکل چشمگیری افزایش می‌دهد.

سون سگمنت چیست؟

نمایشگر سون سگمنت (7-Segment Display) یک وسیله الکترونیکی است که برای نمایش اعداد دهدهی (0 تا 9) و گاهی برخی حروف انگلیسی طراحی شده است. همان‌طور که از نامش پیداست، این نمایشگر از هفت بخش تشکیل شده که هر بخش یک دیود نورانی (LED) است. این هفت LED به‌گونه‌ای چیده شده‌اند که یک عدد 8 انگلیسی را تشکیل می‌دهند. علاوه بر این هفت سگمنت اصلی، اکثر نمایشگرهای سون سگمنت دارای یک نقطه اعشار (Decimal Point یاDP ) نیز هستند که به‌عنوان هشتمین LED عمل می‌کند.

تاریخچه سون سگمنت به اوایل قرن بیستم بازمی‌گردد، اما استفاده گسترده از آن با ظهور فناوری LED در دهه‌های 1960 و 1970 آغاز شد. سادگی، خوانایی و قیمت مناسب، این نمایشگر را به گزینه‌ای ایده‌آل برای طیف وسیعی از کاربردها تبدیل کرده است. از ماشین‌حساب‌های اولیه و ساعت‌های دیجیتال گرفته تا دستگاه‌های اندازه‌گیری صنعتی، پمپ بنزین‌ها و حتی لوازم خانگی، ردپای سون سگمنت به وفور دیده می‌شود. این قطعه در پروژه‌های آموزشی و سرگرمی الکترونیک نیز بسیار محبوب است، زیرا فهم عملکرد آن آسان بوده و به دانشجویان و علاقه‌مندان کمک می‌کند تا اصول نمایشگرهای دیجیتال را به خوبی درک کنند.

ساختار داخلی و پایه‌های سون سگمنت

هر سگمنت در نمایشگر سون سگمنت در واقع یک LED کوچک است. این هفت سگمنت با حروف a، b، c، d، e، f، g مشخص می‌شوند و نقطه اعشار نیز معمولاً با DP یا h نشان داده می‌شود. با اعمال ولتاژ مناسب به پایه‌های مربوط به هر سگمنت، می‌توان آن LED را روشن کرد. به‌عنوان‌مثال، برای نمایش عدد “1”، تنها سگمنت‌های b و c روشن می‌شوند؛ برای نمایش “0”، تمام سگمنت‌ها به جز g روشن می‌مانند. این سادگی در فعال‌سازی، یکی از دلایل اصلی محبوبیت آن است.

هر LED دارای دو پایه است: آند (مثبت) و کاتد (منفی). در داخل یک نمایشگر سون سگمنت، برای کاهش تعداد پایه‌های موردنیاز، این LEDها به دو روش اصلی به یکدیگر متصل می‌شوند که انواع آند مشترک و کاتد مشترک را ایجاد می‌کند. برای راه‌اندازی هر سگمنت، ضروری است که یک مقاومت محدودکننده جریان به‌صورت سری با هر LED (یا هر سگمنت) قرار گیرد تا جریان عبوری از آن کنترل شود. این مقاومت، از سوختن LED در اثر جریان بیش از حد جلوگیری می‌کند و طول عمر نمایشگر را افزایش می‌دهد. در بسیاری از طراحی‌های مدار و محصولات الکتروگیل نیز، این مقاومت‌های محدودکننده جریان به‌دقت محاسبه و انتخاب می‌شوند تا عملکرد بهینه نمایشگرها تضمین شود.

انواع سون سگمنت

همان‌طور که اشاره شد، سون سگمنت‌ها به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند که تفاوت آن‌ها در نحوه اتصال پایه‌های داخلی LEDها است. درک این تفاوت برای سیم‌بندی و برنامه‌نویسی صحیح، کاملاً حیاتی است.

سون سگمنت کاتد مشترک (Common Cathode – CC)

در نمایشگرهای کاتد مشترک، پایه‌های کاتد (منفی) تمامی LEDهای داخلی به یکدیگر متصل شده و یک پایه مشترک را تشکیل می‌دهند. این پایه مشترک باید به زمین (GND) یا پتانسیل پایین مدار متصل شود. برای روشن‌کردن هر سگمنت، کافی است ولتاژ مثبت (مثلاً 5 ولت) را از طریق یک مقاومت محدودکننده جریان به پایه آند آن سگمنت اعمال کنیم؛ بنابراین، برای فعال‌سازی سگمنت‌ها در یک نمایشگر کاتد مشترک، نیاز به سیگنال “HIGH” یا منطق “1” داریم.

سون سگمنت آند مشترک (Common Anode – CA)

در مقابل، در نمایشگرهای آند مشترک، پایه‌های آند (مثبت) تمامی LEDهای داخلی به یکدیگر متصل شده و یک پایه مشترک را تشکیل می‌دهند. این پایه مشترک باید به منبع تغذیه مثبت (مثلاً VCC یا 5 ولت) مدار متصل شود. برای روشن‌کردن هر سگمنت، باید پایه کاتد آن سگمنت را از طریق یک مقاومت محدودکننده جریان به زمین (GND) یا پتانسیل پایین مدار متصل کنیم؛ بنابراین، برای فعال‌سازی سگمنت‌ها در یک نمایشگر آند مشترک، نیاز به سیگنال “LOW” یا منطق “0” داریم.

انتخاب بین نوع آند مشترک و کاتد مشترک معمولاً به طراحی کلی مدار و نوع میکروکنترلر یا درایور مورداستفاده بستگی دارد. برخی میکروکنترلرها جریان را “sink” (کشیدن به زمین) بهتر انجام می‌دهند، درحالی‌که برخی دیگر در “source” (تأمین جریان) قوی‌تر هستند.

آموزش راه‌اندازی سون سگمنت مالتی‌پلکس با آردوینو (۴ رقمی)

در جدول زیر، تفاوت‌های کلیدی این دو نوع نمایشگر خلاصه شده است:

ویژگی	سون سگمنت کاتد مشترک (CC)	سون سگمنت آند مشترک (CA)
پایه مشترک	کاتدها به هم متصل هستند (به زمین متصل می‌شود)	آندها به هم متصل هستند (به VCC متصل می‌شود)
نحوه فعال‌سازی سگمنت	اعمال ولتاژ HIGH (مثبت) به پایه سگمنت	اعمال ولتاژ LOW (زمین) به پایه سگمنت
منطق کنترل	مثبت (Active-High)	منفی (Active-Low)
مقاومت محدودکننده	بین پین میکرو و پایه سگمنت	بین پین میکرو و پایه سگمنت

برای تشخیص نوع سون سگمنتی که در اختیار دارید، می‌توانید با یک منبع تغذیه کم ولتاژ (مثلاً 3 تا 5 ولت) و یک مقاومت سری (مثلاً 220 تا 470 اهم) به صورت آزمایشی عمل کنید. ابتدا پایه مشترک را پیدا کنید (معمولاً پایه وسط یا یکی از پایه‌های متصل به یکدیگر). اگر با اتصال پایه مشترک به زمین و اعمال ولتاژ مثبت به سایر پایه‌ها، سگمنت‌ها روشن شدند، نمایشگر شما کاتد مشترک است. اگر با اتصال پایه مشترک به VCC و اتصال پایه‌های دیگر به زمین، سگمنت‌ها روشن شدند، نمایشگر شما آند مشترک است.

جدول کدینگ سون سگمنت برای نمایش اعداد

برای نمایش هر عدد یا حرف بر روی سون سگمنت، باید ترکیب خاصی از سگمنت‌ها را روشن کرد. این ترکیب‌ها را “کدینگ” می‌نامند. درنظرگرفتن نوع سون سگمنت (آند مشترک یا کاتد مشترک) برای این کدینگ ضروری است، زیرا منطق فعال‌سازی آن‌ها متفاوت است. در ادامه یک جدول کدینگ رایج برای نمایش اعداد 0 تا 9 برای هر دو نوع نمایشگر آورده شده است:

شاید برای شما مفید باشد:

خواندن چندین ورودی آنالوگ و اندازه‌گیری ولتاژ در آردوینو

عدد	a	b	c	d	e	f	g	DP	کدینگ برای کاتد مشترک (HIGH/1 برای روشن)	کدینگ برای آند مشترک (LOW/0 برای روشن)
0	1	1	1	1	1	1	0	0	0x3F (DP خاموش)	0x40 (DP خاموش)
1	0	1	1	0	0	0	0	0	0x06	0x79
2	1	1	0	1	1	0	1	0	0x5B	0x24
3	1	1	1	1	0	0	1	0	0x4F	0x30
4	0	1	1	0	0	1	1	0	0x66	0x19
5	1	0	1	1	0	1	1	0	0x6D	0x12
6	1	0	1	1	1	1	1	0	0x7D	0x02
7	1	1	1	0	0	0	0	0	0x07	0x78
8	1	1	1	1	1	1	1	0	0x7F	0x00
9	1	1	1	1	0	1	1	0	0x6F	0x10
.	0	0	0	0	0	0	0	1	0x80	0x7F

توجه داشته باشید که “0x” پیشوند اعداد هگزادسیمال است. در این جدول، 1 به معنای روشن (HIGH) و 0 به معنای خاموش (LOW) برای حالت کاتد مشترک است. برای آند مشترک، باید این منطق را معکوس کنید (1 به معنای خاموش و 0 به معنای روشن).

چرا به مالتی پلکسینگ نیاز داریم؟

یکی از چالش‌های اصلی در طراحی مدارهای الکترونیکی، محدودیت در تعداد پین‌های ورودی/خروجی (I/O) میکروکنترلرها است. اگر بخواهیم یک نمایشگر سون سگمنت تک‌رقمی را کنترل کنیم، به 7 یا 8 پین برای سگمنت‌ها و DP نیاز داریم. حال تصور کنید که بخواهیم یک عدد 4 رقمی مانند ساعت یا شمارنده را نمایش دهیم. در این صورت، برای 4 نمایشگر سون سگمنت، به 4 8 = 32 پین نیاز خواهیم داشت. این تعداد پین به سرعت از ظرفیت اکثر میکروکنترلرهای رایج (مانند آردوینو UNO که حدود 14 پین دیجیتال دارد) فراتر می‌رود.

راه‌حل مستقیم، استفاده از میکروکنترلرهای بزرگ‌تر با پین‌های بیشتر یا استفاده از آی‌سی‌های واسط مانند شیفت رجیسترها (Shift Registers) است. اما راهکار هوشمندانه‌تر و بهینه‌تر، استفاده از تکنیک مالتی پلکس (Multiplexing) است.

مفهوم مالتی پلکسینگ (Multiplexing) در نمایشگرها

مالتی پلکسینگ، به معنای تسهیم زمانی (Time-Division Multiplexing) است. در این روش، به‌جای اینکه هر سون سگمنت به‌صورت مستقل و دائمی روشن باشد، نمایشگرها به نوبت و برای مدت‌زمان بسیار کوتاهی روشن و خاموش می‌شوند. به‌عبارت‌دیگر، در هر لحظه فقط یک سون سگمنت فعال است و اطلاعات رقمی خود را نمایش می‌دهد، سپس خاموش شده و نمایشگر بعدی روشن می‌شود و این چرخه به‌سرعت تکرار می‌شود.

مزایای اصلی سون سگمنت مالتی پلکس عبارت‌اند از:

کاهش تعداد پین‌های میکروکنترلر: به‌جای اختصاص 8 پین برای هر نمایشگر، تمام سگمنت‌های مشابه در نمایشگرهای مختلف (مثلاً تمام پایه‌های ‘a’ در هر چهار نمایشگر) به یک پین مشترک متصل می‌شوند. تعداد پین‌های مورد نیاز به 8 پین سگمنت و N پین انتخاب رقم (Digit Select) کاهش می‌یابد که N تعداد نمایشگرها است. (8 + N پین).
کاهش سیم‌کشی: با کاهش تعداد پین‌ها، میزان سیم‌کشی در مدار نیز به طور قابل‌توجهی کمتر می‌شود که به طراحی منظم‌تر و کاهش احتمال خطا کمک می‌کند.
کاهش هزینه: نیاز به میکروکنترلرهای کوچک‌تر و قطعات کمتر، به کاهش هزینه نهایی پروژه منجر می‌شود.

اثر فلیکر (Flicker Effect) و ماندگاری تصویر در چشم

شاید این سؤال پیش بیاید که اگر در هر لحظه فقط یک سون سگمنت روشن می‌شود، چگونه ما چهار رقم را به‌صورت ثابت می‌بینیم و متوجه خاموش و روشن‌شدن متوالی آن‌ها نمی‌شویم؟ پاسخ در پدیده “ماندگاری تصویر در چشم” (Persistence of Vision) نهفته است.

چشم انسان دارای محدودیت‌هایی در تشخیص تغییرات سریع نوری است. هنگامی که یک تصویر یا نور برای مدت‌زمان کوتاهی دیده می‌شود و سپس ناپدید می‌گردد، اثر آن برای کسری از ثانیه بر روی شبکیه چشم باقی می‌ماند. اگر این پدیده به ‌سرعت کافی (معمولاً بالای 24 تا 30 فریم در ثانیه یا هرتز) تکرار شود، مغز ما تصاویر متوالی را به‌صورت یک تصویر پیوسته و ثابت تفسیر می‌کند. این همان اصلی است که در تلویزیون‌ها، فیلم‌ها و حتی روشنایی لامپ‌های فلورسنت نیز استفاده می‌شود.

در تکنیک سون سگمنت مالتی پلکس، هر نمایشگر با فرکانسی در حدود 100 تا 200 هرتز (یا حتی بیشتر) روشن و خاموش می‌شود. به عبارت دیگر، هر رقم در هر ثانیه بیش از 100 بار روشن می‌شود. این سرعت آنقدر بالا است که چشم انسان قادر به تفکیک لحظات خاموشی بین روشن شدن متوالی نمایشگرها نیست و نتیجه، مشاهده یک نمایشگر چندرقمی با اعداد ثابت و بدون هیچگونه سوسو زدن (فیلیکر) است. در واقع، اگر نرخ تازه‌سازی (Refresh Rate) پایین‌تر از حد معینی باشد، پدیده فلیکر قابل مشاهده خواهد بود و نمایشگر چشمک می‌زند. انتخاب نرخ تازه‌سازی مناسب، کلید موفقیت در پیاده‌سازی سون سگمنت مالتی پلکس است.

تکنیک مالتی‌پلکس با بهره‌گیری هوشمندانه از محدودیت‌های فیزیولوژیکی چشم انسان، امکان کنترل چندین سون سگمنت را با حداقل پین‌های میکروکنترلر و بدون هیچ‌گونه فیلیکر قابل‌مشاهده فراهم می‌آورد.

آموزش راه‌اندازی سون سگمنت به روش مالتی پلکس با آردوینو

برای درک بهتر مفهوم سون سگمنت مالتی پلکس، یک پروژه عملی با استفاده از برد آردوینو (Arduino Uno) راه‌اندازی خواهیم کرد. این پروژه به شما نشان می‌دهد که چگونه یک عدد چهاررقمی را با استفاده از تنها 12 پین دیجیتال آردوینو نمایش دهید (8 پین برای سگمنت‌ها و 4 پین برای انتخاب رقم).

قطعات موردنیاز:

برد آردوینو UNO یا هر میکروکنترلر مشابه
سون سگمنت 4 رقمی کاتد مشترک (یا چهار سون سگمنت تک‌رقمی کاتد مشترک)
مقاومت 220 تا 330 اهم (8 عدد برای سگمنت‌ها)
مقاومت 10 کیلواهم (4 عدد برای بیس ترانزیستورها)
ترانزیستور NPN (مانند BC547 یا 2N2222) (4 عدد برای انتخاب رقم)
برد بورد (Breadboard)
سیم‌های جامپر (Jumper Wires)
منبع تغذیه 5 ولت (در صورت نیاز، آردوینو می‌تواند تأمین کند)

شماتیک مدار جامع:

در روش سون سگمنت مالتی پلکس با کاتد مشترک، تمام پایه‌های سگمنت‌های مشابه (مثلاً همه ‘a’ها، همه ‘b’ها و…) به یک پین میکروکنترلر از طریق یک مقاومت محدودکننده جریان متصل می‌شوند. پایه‌های مشترک (کاتد مشترک) هر رقم، به‌صورت جداگانه و از طریق یک ترانزیستور NPN به زمین متصل می‌شوند.

تصور کنید چهار سون سگمنت کاتد مشترک داریم. پایه‌های A همه نمایشگرها را به هم وصل کرده و سپس از طریق یک مقاومت 220 اهم به پین 2 آردوینو وصل می‌کنیم. همین کار را برای سگمنت‌های B تا G (و DP) انجام می‌دهیم و آن‌ها را به ترتیب به پین‌های 3 تا 9 آردوینو متصل می‌کنیم.

حال، پایه‌های کاتد مشترک هر چهار سون سگمنت را به‌صورت جداگانه به کالکتور (Collector) ترانزیستورهای NPN متصل می‌کنیم. امیتر (Emitter) هر ترانزیستور را به زمین (GND) وصل می‌کنیم. بیس (Base) هر ترانزیستور نیز از طریق یک مقاومت 10 کیلواهم به یک پین دیجیتال آردوینو (مثلاً پین‌های 10، 11، 12، 13) متصل می‌شود. این ترانزیستورها به‌عنوان سوئیچ عمل می‌کنند؛ وقتی یک پین بیس از آردوینو HIGH شود، ترانزیستور مربوطه روشن شده و پایه کاتد مشترک آن رقم را به زمین متصل می‌کند و در نتیجه آن رقم فعال می‌شود.

شاید برای شما مفید باشد:

منابع کلاک در AVR

استفاده از ترانزیستورها در مدار مالتی‌پلکس، به میکروکنترلر این امکان را می‌دهد که با جریان کمی پین‌های انتخاب رقم را کنترل کند، درحالی‌که ترانزیستور جریان لازم برای روشن‌شدن تمام سگمنت‌های یک رقم را تأمین می‌کند.

کدنویسی آردوینو (Arduino Code)

کد آردوینو برای سون سگمنت مالتی پلکس شامل دو بخش اصلی است: تعریف الگوهای سگمنت برای هر عدد و تابع اصلی که مسئول سوئیچینگ بین ارقام است.

// Segment Pins (a, b, c, d, e, f, g, DP)
// Assuming segments are connected to Arduino pins 2 through 9
const int segmentPins[] = {2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9};

// Digit Select Pins (Common Pins)
// Assuming digits are connected to Arduino pins 10 through 13
const int digitPins[] = {10, 11, 12, 13};

// Binary patterns for displaying numbers 0 to 9 (For Common Cathode)
// Each byte consists of bits from a to g, and finally DP.
// Pattern format: 0bDPgfedcba (0x01 for a, 0x02 for b, etc.)
const byte digitPatterns[] = {
  0b00111111, // 0 - 0x3F
  0b00000110, // 1 - 0x06
  0b01011011, // 2 - 0x5B
  0b01001111, // 3 - 0x4F
  0b01100110, // 4 - 0x66
  0b01101101, // 5 - 0x6D
  0b01111101, // 6 - 0x7D
  0b00000111, // 7 - 0x07
  0b01111111, // 8 - 0x7F
  0b01101111  // 9 - 0x6F
};

// The number we want to display (e.g., 1234)
int numberToDisplay = 1234;

// Delay time between switching each digit (in milliseconds)
// The lower this value, the less flicker will be perceived by the human eye.
// However, we must consider the microcontroller's processing speed.
const int refreshDelay = 2; // 2 milliseconds per digit

void setup() {
  // Set segment pins as OUTPUT
  for (int i = 0; i < 8; i++) {
    pinMode(segmentPins[i], OUTPUT);
  }

  // Set digit selection pins as OUTPUT
  for (int i = 0; i < 4; i++) {
    pinMode(digitPins[i], OUTPUT);
    digitalWrite(digitPins[i], LOW); // Turn off all digits initially
  }
}

void loop() {
  // Decompose the number into individual digits
  int thousands = numberToDisplay / 1000;
  int hundreds = (numberToDisplay % 1000) / 100;
  int tens = (numberToDisplay % 100) / 10;
  int units = numberToDisplay % 10;

  // Display each digit sequentially (Multiplexing)
  
  displayDigit(units, 0);       // Units digit (Rightmost)
  delay(refreshDelay);

  displayDigit(tens, 1);        // Tens digit
  delay(refreshDelay);

  displayDigit(hundreds, 2);    // Hundreds digit
  delay(refreshDelay);

  displayDigit(thousands, 3);   // Thousands digit (Leftmost)
  delay(refreshDelay);
}

// Function to display a specific digit at a specific position
void displayDigit(int digit, int position) {
  // First, turn off all digits to prevent "Ghosting" (faint glow on wrong digits)
  for (int i = 0; i < 4; i++) {
    digitalWrite(digitPins[i], LOW);
  }

  // Display the segment pattern for the target digit
  for (int i = 0; i < 8; i++) {
    // Check if the corresponding bit in the digit pattern is 1 (HIGH)
    if ((digitPatterns[digit] >> i) & 0x01) {
      digitalWrite(segmentPins[i], HIGH); // Turn segment ON
    } else {
      digitalWrite(segmentPins[i], LOW);  // Turn segment OFF
    }
  }

  // Activate the specific digit position
  // Note: For Common Cathode, we usually drive the common pin LOW to select, 
  // but if you are using transistors or direct drive logic where HIGH selects:
  digitalWrite(digitPins[position], HIGH);
}

// Segment Pins (a, b, c, d, e, f, g, DP)

// Assuming segments are connected to Arduino pins 2 through 9

const int segmentPins[] = {2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9};

// Digit Select Pins (Common Pins)

// Assuming digits are connected to Arduino pins 10 through 13

const int digitPins[] = {10, 11, 12, 13};

// Binary patterns for displaying numbers 0 to 9 (For Common Cathode)

// Each byte consists of bits from a to g, and finally DP.

// Pattern format: 0bDPgfedcba (0x01 for a, 0x02 for b, etc.)

const byte digitPatterns[] = {

0b00111111, // 0 - 0x3F

0b00000110, // 1 - 0x06

0b01011011, // 2 - 0x5B

0b01001111, // 3 - 0x4F

0b01100110, // 4 - 0x66

0b01101101, // 5 - 0x6D

0b01111101, // 6 - 0x7D

0b00000111, // 7 - 0x07

0b01111111, // 8 - 0x7F

0b01101111 // 9 - 0x6F

};

// The number we want to display (e.g., 1234)

int numberToDisplay = 1234;

// Delay time between switching each digit (in milliseconds)

// The lower this value, the less flicker will be perceived by the human eye.

// However, we must consider the microcontroller's processing speed.

const int refreshDelay = 2; // 2 milliseconds per digit

void setup() {

// Set segment pins as OUTPUT

for (int i = 0; i < 8; i++) {

pinMode(segmentPins[i], OUTPUT);

}

// Set digit selection pins as OUTPUT

for (int i = 0; i < 4; i++) {

pinMode(digitPins[i], OUTPUT);

digitalWrite(digitPins[i], LOW); // Turn off all digits initially

}

void loop() {

// Decompose the number into individual digits

int thousands = numberToDisplay / 1000;

int hundreds = (numberToDisplay % 1000) / 100;

int tens = (numberToDisplay % 100) / 10;

int units = numberToDisplay % 10;

// Display each digit sequentially (Multiplexing)

displayDigit(units, 0); // Units digit (Rightmost)

delay(refreshDelay);

displayDigit(tens, 1); // Tens digit

delay(refreshDelay);

displayDigit(hundreds, 2); // Hundreds digit

delay(refreshDelay);

displayDigit(thousands, 3); // Thousands digit (Leftmost)

delay(refreshDelay);

}

// Function to display a specific digit at a specific position

void displayDigit(int digit, int position) {

// First, turn off all digits to prevent "Ghosting" (faint glow on wrong digits)

for (int i = 0; i < 4; i++) {

digitalWrite(digitPins[i], LOW);

}

// Display the segment pattern for the target digit

for (int i = 0; i < 8; i++) {

// Check if the corresponding bit in the digit pattern is 1 (HIGH)

if ((digitPatterns[digit] >> i) & 0x01) {

digitalWrite(segmentPins[i], HIGH); // Turn segment ON

} else {

digitalWrite(segmentPins[i], LOW); // Turn segment OFF

}

// Activate the specific digit position

// Note: For Common Cathode, we usually drive the common pin LOW to select,

// but if you are using transistors or direct drive logic where HIGH selects:

digitalWrite(digitPins[position], HIGH);

}

شاید برای شما مفید باشد:

معرفی و بررسی بردهای آردوینو UNO R4

توضیح کد

segmentPinsو digitPins: آرایه‌هایی برای نگهداری شماره پین‌های آردوینو که به سگمنت‌ها و ارقام متصل هستند.

digitPatterns: آرایه‌ای از بایت‌ها که الگوی روشن و خاموش‌شدن سگمنت‌ها برای هر عدد (0-9) را ذخیره می‌کند. برای سون سگمنت کاتد مشترک، بیت 1 به معنای روشن شدن سگمنت است. (به دلیل استفاده از اینترفیس مشابه در محصولات الکتروگیل، این الگوها برای کنترل آسان‌تر درایورها بهینه‌سازی شده‌اند).

numberToDisplay:عددی که می‌خواهیم بر روی نمایشگر نشان دهیم.

refreshDelay:مدت‌زمان روشن ماندن هر رقم بر حسب میلی‌ثانیه. این مقدار کلیدی است؛ اگر خیلی زیاد باشد، فلیکر دیده می‌شود. اگر خیلی کم باشد، میکروکنترلر ممکن است نتواند به‌درستی سوئیچ کند.

setup():پین‌های آردوینو را به‌عنوان خروجی تنظیم می‌کند و مطمئن می‌شود که در ابتدا همه ارقام خاموش هستند.

loop(): این تابع به‌صورت مداوم اجرا می‌شود. ابتدا numberToDisplay را به ارقام تکی تجزیه می‌کند (هزارگان، صدگان، دهگان، یکان). سپس با فراخوانی تابع displayDigit، هر رقم را به نوبت نمایش می‌دهد و بین آن‌ها یک تأخیر کوتاه اعمال می‌کند.

displayDigit(int digit, int position): این تابع اصلی‌ترین بخش مالتی‌پلکسینگ است.

ابتدا تمام ارقام را با تنظیم digitPins به LOW خاموش می‌کند. این مرحله برای جلوگیری از پدیده “Ghosting” (شبحی شدن یا سوسوزدن ضعیف سگمنت‌های خاموش) ضروری است.

سپس با استفاده از الگوی digitPatterns و عملگرهای بیتی، سگمنت‌های لازم برای نمایش digit موردنظر را روشن (HIGH) یا خاموش (LOW) می‌کند.

در نهایت، رقم مربوط به position را با تنظیم digitPins[position] به HIGH فعال می‌کند.

گام‌به‌گام مونتاژ مدار:

اتصال مقاومت‌ها به سگمنت‌ها: 8 مقاومت (220-330 اهم) را به 8 پایه سگمنت (a تا g و DP) سون سگمنت (از طریق برد بورد) وصل کنید. سر دیگر این مقاومت‌ها را به پین‌های دیجیتال آردوینو (2 تا 9) متصل کنید.
اتصال ترانزیستورها: 4 ترانزیستور NPN را روی برد بورد قرار دهید.

امیتر هر ترانزیستور را به زمین (GND) آردوینو وصل کنید.

کالکتور هر ترانزیستور را به پایه کاتد مشترک یکی از ارقام سون سگمنت وصل کنید.

بیس هر ترانزیستور را از طریق یک مقاومت 10 کیلواهم به پین‌های دیجیتال آردوینو (10 تا 13) وصل کنید.

تغذیه: برد آردوینو را با کابل USB به کامپیوتر وصل کنید.

آپلود کد: کد بالا را در نرم‌افزار آردوینو IDE بارگذاری کرده و بر روی برد آردوینو آپلود کنید.

پس از آپلود موفقیت‌آمیز، باید عدد 1234 را به صورت ثابت و بدون فلیکر بر روی سون سگمنت مشاهده کنید. می‌توانید با تغییر مقدار numberToDisplay و refreshDelay در کد، عملکرد مدار را آزمایش کنید.

نکات و ترفندهای پیشرفته در راه‌اندازی سون سگمنت مالتی پلکس

باوجوداینکه روش مالتی پلکسینگ با ترانزیستورها یک راهکار پایه و مؤثر است، اما برای پروژه‌های بزرگ‌تر یا زمانی که نیاز به کنترل‌های دقیق‌تر داریم، می‌توان از آی‌سی‌های (IC) درایور اختصاصی استفاده کرد که پیچیدگی مدار را به حداقل می‌رسانند:

استفاده از شیفت رجیستر (Shift Register) مانند 74HC595

شیفت رجیسترها مانند 74HC595 می‌توانند تعداد پین‌های موردنیاز میکروکنترلر را حتی بیشتر از مالتی‌پلکسینگ معمولی کاهش دهند. هر 74HC595 یک شیفت رجیستر 8 بیتی است که می‌تواند 8 خروجی را با استفاده از تنها 3 پین ورودی از میکروکنترلر کنترل کند. می‌توان چندین 74HC595 را به‌صورت زنجیره‌ای (Daisy Chain) به یکدیگر متصل کرد و تعداد خروجی‌ها را به‌مراتب افزایش داد.

در یک سیستم سون سگمنت مالتی پلکس با شیفت رجیستر، پین‌های سگمنت (a-g, DP) به خروجی‌های شیفت رجیستر متصل می‌شوند. داده‌ها به‌صورت سریال از آردوینو به شیفت رجیستر ارسال شده و سپس به‌صورت موازی به سگمنت‌ها اعمال می‌شوند. این روش به‌خصوص زمانی که تعداد ارقام زیاد است و نمی‌خواهیم 8 پین آردوینو را فقط برای سگمنت‌ها مصرف کنیم، بسیار مفید است.

استفاده از آی‌سی درایور اختصاصی سون سگمنت مانند MAX7219

آی‌سی‌هایی مانند MAX7219 به‌صورت اختصاصی برای درایو کردن سون سگمنت‌ها طراحی شده‌اند و پیچیدگی مدار و کدنویسی را به‌شدت کاهش می‌دهند. MAX7219 می‌تواند تا 8 رقم سون سگمنت را به روش مالتی‌پلکس کنترل کند و تمام عملیات مربوط به مالتی‌پلکسینگ، محدودکردن جریان سگمنت‌ها و دیکد کردن اعداد را به صورت داخلی انجام می‌دهد.

این آی‌سی‌ها تنها به 3 پین از میکروکنترلر (SPI interface) نیاز دارند و می‌توانند به صورت زنجیره‌ای به هم متصل شوند تا تعداد بی‌شماری از ارقام را کنترل کنند. استفاده از MAX7219 بسیار ساده است: شما فقط عدد مورد نظر برای نمایش را به آی‌سی می‌فرستید و آی‌سی بقیه کارها را انجام می‌دهد. این آی‌سی قابلیت تنظیم شدت نور (Brightness) و حالت تست را نیز دارا است. اگرچه هزینه اولیه این آی‌سی‌ها بیشتر از ترانزیستورها و مقاومت‌ها است، اما سادگی طراحی، کاهش حجم مدار و کدنویسی و اطمینان از عملکرد صحیح، آن را به گزینه‌ای عالی برای پروژه‌های حرفه‌ای‌تر و تجاری (که در محصولات الکتروگیل نیز از آن‌ها استفاده می‌شود) تبدیل می‌کند.

کاربردهای گسترده سون سگمنت مالتی پلکس

آموزش راه‌اندازی سون سگمنت مالتی‌پلکس با آردوینو (۴ رقمی)

تکنیک سون سگمنت مالتی پلکس به دلیل مزایای فراوانش، در طیف وسیعی از دستگاه‌ها و سیستم‌های الکترونیکی مورداستفاده قرار می‌گیرد. از ساده‌ترین گجت‌ها تا پیچیده‌ترین تجهیزات صنعتی، این روش به نمایش دقیق و کارآمد اطلاعات عددی کمک می‌کند:

ساعت‌های دیجیتال و تایمرها: متداول‌ترین کاربرد که در آن چندین رقم ساعت، دقیقه و ثانیه به‌صورت مالتی‌پلکس نمایش داده می‌شوند.
شمارنده‌ها و کنتورها: در شمارنده‌های صنعتی، کنتورهای برق، آب و گاز برای نمایش مقادیر.
ولت‌مترها و آمپرمترهای دیجیتال: نمایش دقیق ولتاژ و جریان در ابزارهای اندازه‌گیری.
ترموستات‌ها و نمایشگرهای دما: نمایش دمای محیط یا تنظیمات دما در سیستم‌های کنترل دما.
سیستم‌های کنترل صنعتی: پنل‌های کنترلی ماشین‌آلات، نمایشگرهای وضعیت در خطوط تولید.
لوازم‌خانگی: نمایشگرهای اجاق مایکروویو، ماشین لباسشویی و سایر وسایل با نمایشگر عددی.
سیستم‌های نوبت‌دهی و نمایشگرهای صف: در بانک‌ها، بیمارستان‌ها و سایر مراکز خدماتی.

اطلاعات

اشتراک و حمایت

آموزش راه‌اندازی سون سگمنت مالتی‌پلکس با آردوینو (۴ رقمی)

سون سگمنت چیست؟

ساختار داخلی و پایه‌های سون سگمنت

انواع سون سگمنت

سون سگمنت کاتد مشترک (Common Cathode – CC)

سون سگمنت آند مشترک (Common Anode – CA)

جدول کدینگ سون سگمنت برای نمایش اعداد

چرا به مالتی پلکسینگ نیاز داریم؟

مفهوم مالتی پلکسینگ (Multiplexing) در نمایشگرها

اثر فلیکر (Flicker Effect) و ماندگاری تصویر در چشم