Урок 25. Семисегментный индикатор: счётчик нажатий

До сих пор наши устройства говорили с нами светом и звуком: горит — не горит, пищит — молчит. Сегодня плата научится показывать цифры. Для этого в наборе есть семисегментный индикатор — та самая деталь, из которой сделаны табло на микроволновке, электронные часы и счётчик на бензоколонке.

А ещё мы познакомимся с помощником — микросхемой, которая умеет считать сама и снимет с платы почти всю работу.

Что это за деталь

Цифра собирается из семи палочек — их и называют сегментами. У каждой есть своё имя, буквы идут по кругу: a — верхняя палочка, дальше по часовой стрелке b, c, d, e, f, а g — перекладина посередине. Восьмая, отдельная — точка, её обозначают h.

Любая цифра — это просто свой набор зажжённых палочек. Единица — две правые, b и c. Семёрка — те же две плюс верхняя a. Восьмёрка — все семь сразу.

Что у индикатора внутри

Никакой хитрости: индикатор — это восемь светодиодов в одном корпусе. Минусы у них соединены вместе, поэтому такой индикатор называют с общим катодом («катод» — это как раз минус светодиода).

Отсюда правило подключения: общий вывод идёт на «минус», а на каждый сегмент подаётся плюс — как мы делали со светодиодом в шестом уроке. И резистор нужен по той же причине: без него светодиод сгорит.

Первый опыт: зажигаем одну палочку

Начнём с малого — с одного сегмента. Индикатор садится верхом на канавку макетки, чтобы верхний и нижний ряды выводов попали в разные половины и не замкнулись между собой.

Для начала — только сегмент b на выводе 2. Программа знакомая до последней строчки:

// Урок 25. Первый опыт: зажигаем один сегмент индикатора.
// Сегмент b идёт через резистор 470 Ом на вывод 2,
// общий вывод индикатора — на «минус».

const int SEG_B = 2;

void setup() {
  pinMode(SEG_B, OUTPUT);
}

void loop() {
  digitalWrite(SEG_B, HIGH);   // палочка зажглась
  delay(500);

  digitalWrite(SEG_B, LOW);    // погасла
  delay(500);
}

Мигает одна палочка. Ничего нового мы не сделали — это тот же светодиод из шестого урока, просто он живёт внутри чёрного корпуса.

Шаг 2. Две палочки — уже цифра

Добавим сегмент c на вывод 3, и на индикаторе появится настоящая единица.

// Урок 25. Две палочки — и получается единица.
// Сегмент b на выводе 2, сегмент c на выводе 3.

const int SEG_B = 2;
const int SEG_C = 3;

void setup() {
  pinMode(SEG_B, OUTPUT);
  pinMode(SEG_C, OUTPUT);
}

void loop() {
  // «1» — это две правые палочки, верхняя и нижняя
  digitalWrite(SEG_B, HIGH);
  digitalWrite(SEG_C, HIGH);
  delay(1000);

  digitalWrite(SEG_B, LOW);
  digitalWrite(SEG_C, LOW);
  delay(1000);
}

Вот и весь секрет. Хотите семёрку — зажгите ещё a. Хотите восьмёрку — все семь.

А теперь плохая новость

Чтобы плата могла показать любую цифру, к ней нужно протянуть семь проводов — по одному на сегмент — и к каждому свой резистор. Семь выводов платы будут заняты только одним разрядом. А если разрядов четыре, как на часах?

И в программе придётся для каждой цифры перечислять, какие палочки зажечь, — таблица на десять строк, и это только начало.

Есть решение красивее: поручить эту работу отдельной микросхеме. Она возьмёт на себя и провода, и таблицу.

Микросхема-счётчик CD4026

CD4026 — это счётчик с готовым «переводчиком в цифры». Она умеет ровно две вещи, зато отлично:

• пришёл короткий импульс на вход счёта — внутренний счётчик прибавил единицу;
• какое число внутри — такую цифру она и зажигает на индикаторе, сама выбирая нужные сегменты.

После девятки счётчик сам возвращается к нулю. А если подать импульс на вход сброса — цифра сразу становится нулём, не дожидаясь остальных нажатий.

Итого плате нужно всего два вывода вместо семи: один — «считай», другой — «сбрось».

Какая ножка за что отвечает

Ножки у микросхем считают от ключа — полукруглой выемки на торце корпуса. От ключа, против часовой стрелки, идут номера 1, 2, 3 и так далее.

Нам понадобятся:

• 1 — вход счёта: каждый импульс прибавляет единицу;
• 15 — вход сброса: импульс возвращает цифру к нулю;
• 16 и 8 — питание: плюс и минус;
• 3 — разрешение показа, его сажают на плюс, иначе индикатор молчит;
• 2 — запрет счёта, его сажают на минус, иначе счётчик не считает;
• 10, 12, 13, 9, 11, 6, 7 — выходы на сегменты a, b, c, d, e, f, g.

Ножки 4, 5 и 14 в нашей схеме не нужны — они пригодились бы, если бы разрядов было несколько.

Собираем схему

Резисторы к сегментам здесь не нужны: выходы CD4026 сами отдают безопасно малый ток. Если хочется приглушить яркость, поставьте резисторы на 220–470 Ом — цифра станет тусклее, и только.

Обратите внимание на две мелочи, из-за которых схема чаще всего не работает с первого раза. Ножка 3 обязательно на плюс, ножка 2 обязательно на минус — это не питание, это разрешения. И общий вывод индикатора — на минус: у нас индикатор с общим катодом.

Шаг 3. Микросхема считает сама

Первая программа с микросхемой ничего не спрашивает — она просто раз в секунду подаёт импульс. Индикатор должен считать: 0, 1, 2 … 9 и снова 0.

// Урок 25. Микросхема CD4026 считает импульсы сама.
// Вывод 2 платы — на ножку 1 (счёт), вывод 3 — на ножку 15 (сброс).

const int CLOCK_PIN = 2;
const int RESET_PIN = 3;

void setup() {
  pinMode(CLOCK_PIN, OUTPUT);
  pinMode(RESET_PIN, OUTPUT);

  resetCounter();              // начинаем с нуля
}

void loop() {
  tick();                      // прибавили единицу
  delay(1000);                 // и раз в секунду ещё
}

// Один короткий импульс — счётчик прибавляет единицу.
// После девятки он сам возвращается к нулю.
void tick() {
  digitalWrite(CLOCK_PIN, HIGH);
  delay(1);
  digitalWrite(CLOCK_PIN, LOW);
  delay(1);
}

// Импульс сброса — на индикаторе снова ноль
void resetCounter() {
  digitalWrite(RESET_PIN, HIGH);
  delay(1);
  digitalWrite(RESET_PIN, LOW);
  delay(1);
}

Импульс — это «включили и тут же выключили». Микросхема замечает именно момент включения, поэтому миллисекунды хватает с запасом.

Мы завели две маленькие команды — tick и resetCounter. Дальше в уроке они будут повторяться слово в слово: один раз написали — везде пользуемся.

Шаг 4. Счётчик нажатий

А теперь главное, ради чего всё затевалось: пусть импульс подаёт не таймер, а кнопка.

// Урок 25. Счётчик нажатий: щёлкнули — цифра выросла.
// Кнопка на выводе 4, второй её вывод — на «минус».

const int CLOCK_PIN = 2;
const int RESET_PIN = 3;
const int BUTTON_PIN = 4;

bool wasPressed = false;       // была ли кнопка нажата в прошлый раз

void setup() {
  pinMode(CLOCK_PIN, OUTPUT);
  pinMode(RESET_PIN, OUTPUT);
  pinMode(BUTTON_PIN, INPUT_PULLUP);

  resetCounter();
}

void loop() {
  bool pressed = (digitalRead(BUTTON_PIN) == LOW);

  // считаем только сам момент нажатия, а не всё время, пока держат
  if (pressed && !wasPressed) {
    tick();
    delay(50);                 // пауза, пока контакты кнопки успокоятся
  }

  wasPressed = pressed;
}

void tick() {
  digitalWrite(CLOCK_PIN, HIGH);
  delay(1);
  digitalWrite(CLOCK_PIN, LOW);
  delay(1);
}

void resetCounter() {
  digitalWrite(RESET_PIN, HIGH);
  delay(1);
  digitalWrite(RESET_PIN, LOW);
  delay(1);
}

Приём с wasPressed знаком по десятому уроку: программа считает не «кнопка нажата», а «кнопку только что нажали». Иначе за одно нажатие счётчик пролетел бы всю десятку — плата успевает опросить кнопку тысячи раз в секунду.

Щёлкайте: 1, 2, 3… После девяти цифра сама станет нулём. Это не ошибка — в счётчике всего один разряд, и больше девятки он показать не может.

Шаг 5. Показать любую цифру

Пока мы умеем только прибавлять по единице. А как показать сразу семёрку? Хитрость простая: сбросить счётчик в ноль и быстро дать семь импульсов. Глаз этого не заметит — всё произойдёт за доли миллисекунды.

// Урок 25. Показываем любую цифру от 0 до 9.
// Приём простой: сбрасываем счётчик в ноль и даём столько импульсов,
// какую цифру хотим увидеть.

const int CLOCK_PIN = 2;
const int RESET_PIN = 3;

void setup() {
  pinMode(CLOCK_PIN, OUTPUT);
  pinMode(RESET_PIN, OUTPUT);
}

void loop() {
  showNumber(7);
  delay(2000);

  showNumber(3);
  delay(2000);

  showNumber(0);
  delay(2000);
}

// Показать цифру: сброс, а потом нужное число импульсов
void showNumber(int number) {
  resetCounter();

  for (int i = 0; i < number; i++) {
    tick();
  }
}

void tick() {
  digitalWrite(CLOCK_PIN, HIGH);
  delay(1);
  digitalWrite(CLOCK_PIN, LOW);
  delay(1);
}

void resetCounter() {
  digitalWrite(RESET_PIN, HIGH);
  delay(1);
  digitalWrite(RESET_PIN, LOW);
  delay(1);
}

Теперь у нас есть команда showNumber, которой можно сказать: «покажи 7». Это уже полноценное табло — плата может выводить на него что угодно: сколько раз сработал датчик, какая скорость, сколько секунд осталось.

Шаг 6. Обратный отсчёт

Проверим команду делом — сделаем отсчёт перед стартом, как на соревнованиях.

// Урок 25. Обратный отсчёт: 9, 8, 7 … 0 — и снова сначала.

const int CLOCK_PIN = 2;
const int RESET_PIN = 3;

void setup() {
  pinMode(CLOCK_PIN, OUTPUT);
  pinMode(RESET_PIN, OUTPUT);
}

void loop() {
  for (int number = 9; number >= 0; number--) {
    showNumber(number);
    delay(1000);
  }

  delay(2000);                 // пауза перед новым отсчётом
}

void showNumber(int number) {
  resetCounter();

  for (int i = 0; i < number; i++) {
    tick();
  }
}

void tick() {
  digitalWrite(CLOCK_PIN, HIGH);
  delay(1);
  digitalWrite(CLOCK_PIN, LOW);
  delay(1);
}

void resetCounter() {
  digitalWrite(RESET_PIN, HIGH);
  delay(1);
  digitalWrite(RESET_PIN, LOW);
  delay(1);
}

Не работает? Разбираемся

• Индикатор совсем не горит. Проверьте ножки 16 и 3 — обе должны быть на плюсе. Ножка 3 разрешает показ, без неё микросхема считает молча.
• Горит восьмёрка и не меняется. Скорее всего, не подключена ножка 8 (минус питания) или общий вывод индикатора. Свет идёт «не тем путём».
• Цифра не растёт. Ножка 2 должна быть на минусе — это запрет счёта. И проверьте провод от вывода 2 платы к ножке 1.
• Некоторые палочки не зажигаются. Значит, потерялся один из семи проводов к сегментам. Посмотрите, какая палочка молчит, и найдите её по списку: a — ножка 10, b — 12, c — 13, d — 9, e — 11, f — 6, g — 7.
• Цифры показываются вверх ногами. Индикатор вставлен наоборот. Точка должна быть справа внизу.
• За одно нажатие счётчик перескакивает на несколько. Кнопка «дребезжит». Увеличьте паузу после tick с 50 до 80 миллисекунд.

Задания для тренировки

• РазминкаСделайте, чтобы кнопка не прибавляла, а убавляла. Подсказка: своё число храните в переменной, а на индикатор выводите командой showNumber.
• ПосложнееДобавьте вторую кнопку — сброс. Нажали — на индикаторе снова ноль.
• Со звёздочкой ⭐Соедините индикатор с датчиком света из пятнадцатого урока: пусть цифра показывает, насколько светло в комнате, — от 0 в темноте до 9 при ярком свете. Разбор ниже.

Что мы узнали

• Семисегментный индикатор — это восемь светодиодов в одном корпусе; цифра собирается из палочек.
• У индикатора с общим катодом общий вывод идёт на минус, а на сегменты подаётся плюс.
• Микросхема CD4026 считает импульсы и сама зажигает нужные сегменты — плате хватает двух выводов вместо семи.
• Ножки микросхем считают от ключа на торце корпуса.
• Чтобы показать нужную цифру, достаточно сбросить счётчик и дать столько импульсов, какое число нужно.

В следующем уроке возьмём экран посерьёзнее — на нём поместятся уже не одна цифра, а целые строки текста.

Частые вопросы

← Все уроки курса