การทดลองที่ 3.2 การใช้อุปกรณ์ 7-Segment Display เพื่อแสดงตัวเลข BCD

การทดลองที่ 3.2 การใช้อุปกรณ์ 7-Segment Display เพื่อแสดงตัวเลข BCD

วัตถุประสงค์
1. ฝึกต่อวงจรโดยใช้อุปกรณ์ 7-Segment Display บนเบรดบอร์ด และใช้งานร่วมกับบอร์ด Arduino
2. เขียนโปรแกรม Arduino เพื่อแสดงตัวเลข โดยใช้อุปกรณ์ 7-Segment Display

รายการอุปกรณ์
1. แผงต่อวงจร (เบรดบอร์ด)                   1 อัน
2. บอร์ด Arduino (ใช้แรงดัน +5V)         1 บอร์ด
3. อุปกรณ์ 7-Segment Display             1 ตัว  (สามารถศึกษา Data Sheet ได้ที่นี่)
4. ปุ่มกดแบบสี่ขา                                    1 ตัว
5. ตัวต้านทาน 330Ω หรือ 470Ω             7 ตัว
6. ตัวต้านทาน 1kΩ                                1 ตัว
7. ตัวต้านทาน 10kΩ                              1 ตัว
8. ทรานซิสเตอร์ NPN เบอร์ PN2222A  1 ตัว (สามารถศึกษา Data Sheet ได้ที่นี่)
9. สายไฟสําหรับต่อวงจร                         1 ชุด

ขั้นตอนการทดลอง

1. ศึกษาการใช้งาน และตําแหนง่ของขาต่างๆ ของอุปกรณ์ 7-Segment Display (ใช้แบบ Common- Cathode) จากเอกสาร (ดาต้าชีทของผู้ผลิต) วาดรูปอุปกรณ์ ระบุขาต่างๆ และการกําหนดสถานะ LOW หรือ HIGH ที่ขาเหล่านั้น เพื่อให้สามารถแสดงตัวเลขในแต่ละกรณีได้ระหว่าง 0 ถึง 9
(สามารถศึกษา Data Sheet ได้ที่นี่)

2. ต่อตัวต้านทาน 330Ω หรือ 470Ω จํานวน 7 ตัว แบบอนุกรมกับขา a, b, c, d, e, f, g แต่ละขาของ อุปกรณ์ 7-Segment Display ตามผังวงจรในรูปที่ 3.2.1

3. ต่อขา CC (Common Cathode) ไปยัง Gnd ของวงจร

4. เชื่อมต่อขา D3, D4, D5, D6, D7, D8, D9 ของบอร์ด Arduino ไปยังขา a, b, c, d, e, f, g ของ อุปกรณ์ 7-Segment Display (ผ่านตัวต้านทาน 330Ω หรือ 470Ω ที่ต่ออนุกรมอยู่สําหรับแต่ละขา)

5. เขียนโค้ดตามตัวอย่างโดยใช้ Arduino IDE แล้วทําขั้นตอนคอมไพล์และอัพโหลดโปรแกรมไปยังบอร์ด Arduino

6. ตรวจสอบความถูกต้องของวงจรบนเบรดบอร์ดก่อน เมื่อถูกต้องแล้ว จึงเชื่อมต่อ +5V และ Gnd  จากบอร์ด Arduino ไปยังเบรดบอร์ด เพื่อใช้เป็นแรงดันไฟเลี้ยง (VCC และ GND) และไม่ต้องใช้ แหล่งจ่ายควบคุมแรงดันจากภายนอก ให้ระวังการต่อสลับขั้วสายไฟ และระวังการต่อถึงกันทางไฟฟ้า ของสายไฟทั้งสองเส้น

7. แก้ไขโค้ดสําหรับ Arduino ให้สามารถแสดงตัวเลขตั้งแต่ 0 ถึง 9 แล้ววนซ้ํา โดยเว้นระยะเวลาในการ เปลี่ยนเป็นตัวเลขถัดไปประมาณ 1 วินาที

8. แก้ไขวงจร โดยต่อวงจรตามผังวงจรในรูปที่ 3.2.3 ให้สังเกตว่า มีการต่อวงจรปุ่มกดแบบ Pull-up เพื่อใช้เป็นอินพุต-ดิจิทัลให้บอร์ด Arduino และมีการต่อวงจรทรานซิสเตอร์แบบ NPN เพื่อใช้ควบคุม การไหลของกระแสจากขา CC ของ 7-Segment Display ผ่านตัวทรานซิสเตอร์ NPN จากขา Collector (C) ไปยังขา Emitter (E) และ GND ของวงจรตามลําดับ

9. แก้ไขโค้ดสําหรับ Arduino เพื่อให้แสดงตัวเลขตั้งแต่ 0 ถึง 9 แล้ววนซ้ํา โดยเว้นระยะเวลาในการ เปลี่ยนเป็นตัวเลขถัดไปประมาณ 1 วินาที แต่จะแสดงผลกต็่อเมื่อกดปุ่ม PB1 ค้างไว้ แต่ถ้าไม่กด จะต้องไม่แสดงผลตัวเลขใดๆ (ไม่ติด)

ผลการทดลอง

ผังวงจรสำหรับเชื่อมต่อ Arduino

ภาพอ้างอิงจากการทดลองที่ 3.2 การใช้อุปกรณ์ 7-Segment Display เพื่อแสดงตัวเลข BCD 

โดย ดร.เรวัต ศิริโภคาภิรมย์ ห้องปฏิบัติการระบบสมองกลฝังตัว(ESL.) มจพ.

ต่อวงจรตามผังวงจร

โค้ดตัวอย่างสำหรับ Arduino Sketch
const byte DIGIT_7SEG[] ={ //Digitสถาณะของ 7 Segment แต่ละช่องเรียงดังนี้ hgfedcba B00111111, //0 B00000110, //1 B01011011, //2 B01001111, //3 B01100110, //4 B01101101, //5 B01111100, //6 B00000111, //7 B01111111, //8 B01101111  //9 }; const byte SEVEN_SEG[7] = {3,4,5,6,7,8,9}; void setup() { for (int i=0; i < 7; i++) { pinMode( SEVEN_SEG[i], OUTPUT ); digitalWrite( SEVEN_SEG[i], HIGH ); //กำหนดให้ 7 Segment ทุกช่องไฟติดทั้งหมด จะแสดงเป็นเลข 8 ออกมา } } void loop() { // Write your code below }

ผลจากโค้ดตัวอย่าง

แบบที่ 1 7 Segment แสดงตัวเลข 0-9 วนไปเรื่อยๆ

โค้ดสำหรับ Arduino Sketch

const byte DIGIT_7SEG[] ={ //Digitสถาณะของ 7 Segment แต่ละช่องเรียงดังนี้ hgfedcba B00111111, //0 B00000110, //1 B01011011, //2 B01001111, //3 B01100110, //4 B01101101, //5 B01111100, //6 B00000111, //7 B01111111, //8 B01101111  //9 }; const byte SEVEN_SEG[7] = {3,4,5,6,7,8,9}; //7 Segment ทั้ง7ช่อง ต่อเข้าที่ pin 3-9 byte count = 0; //ตัวแปรสำหรับนับเลขที่จะแสดงบน 7 Segment void setup() { for (int i=0; i < 7; i++) { pinMode( SEVEN_SEG[i], OUTPUT ); //กำหนดให้ pin 3-9 เป็น output digitalWrite( SEVEN_SEG[i], HIGH ); //กำหนดให้ 7 Segment ทุกช่องไฟติดทั้งหมด } } void loop() { displayDigit( count ); //เรียกใช้ฟังก์ชันที่จะแสดงตัวเลขบน 7 Segment count = (count+1) % 10; //นับเลขเพิ่มอีก1 เป็นเลขถัดไปและเมื่อถึงเลข9ก็จะกลับมาเป็น0(10%10=0) delay(1000); //หน่วง1วินาที } void displayDigit( byte value ) { //ฟังก์ชันที่จะแสดงตัวเลขบน 7 Segment if ( 0 <= value && value < 10 ) { //ตรวจสอบเลขที่รับมาจะต้องอยู่ระหว่าง0-9 byte value = DIGIT_7SEG[ value ]; //แปลงตัวเลขให้เป็นdigitสถาณะของ 7 Segment for (int i=0; i<  8; i++) {  //วนloopกำหนดสถาณะ 7 Segmentทั้ง7ช่อง digitalWrite( SEVEN_SEG[i], (value & 1) ); //ถ้าdigitตรงนั้นเป็น1ให้ไฟติด ถ้าเป็น0ให้ไฟดับ value>>= 1; //ขยับdigitถัดไป } } }

วิดีโอผลการทดลอง

แบบที่ 2 7 Segment แสดงตัวเลขวน 0-9 เฉพาะเมื่อกดสวิตซ์

ผังวงจรสำหรับเชื่อมต่อ Arduino เพิ่มวงจรปุ่มกดแบบ Pull Up และทรานซิสเตอร์แบบ NPN

ภาพอ้างอิงจากการทดลองที่ 3.2 การใช้อุปกรณ์ 7-Segment Display เพื่อแสดงตัวเลข BCD 

โดย ดร.เรวัต ศิริโภคาภิรมย์ ห้องปฏิบัติการระบบสมองกลฝังตัว(ESL.) มจพ.

ต่อวงจรตามผังวงจร

โค้ดสำหรับ Arduino Sketch

const byte DIGIT_7SEG[] ={ //Digitสถาณะของ 7 Segment แต่ละช่องเรียงดังนี้ hgfedcba B00111111, //0 B00000110, //1 B01011011, //2 B01001111, //3 B01100110, //4 B01101101, //5 B01111100, //6 B00000111, //7 B01111111, //8 B01101111  //9 }; const byte SEVEN_SEG[7] = {3,4,5,6,7,8,9}; //7 Segment ทั้ง7ช่อง ต่อเข้าที่ pin 3-9 const byte OUT = 10; //ให้ขา B ของทรานซิสเตอร์ต่อเข้ากับ pin 10 byte count = 0; //ตัวแปรสำหรับนับเลขที่จะแสดงบน 7 Segment const byte SW = 2; //ต่อวงจรปุ่มกดเข้าที่ pin 2 void setup() { pinMode( SW, INPUT ); //กำหนดให้ pin 2 รับค่า input for (int i=0; i < 7; i++) { pinMode( SEVEN_SEG[i], OUTPUT ); //กำหนดให้ pin 3-9 เป็น output digitalWrite( SEVEN_SEG[i], HIGH ); //กำหนดให้ 7 Segment ทุกช่องไฟติดทั้งหมด } pinMode( OUT, OUTPUT ); //กำหนดให้ pin 10 เป็น output เพื่อควบคุมทรานซิสเตอร์ } void loop() { if(digitalRead(SW) == LOW){ displayDigit( count ); //เรียกใช้ฟังก์ชันที่จะแสดงตัวเลขบน 7 Segment count = (count+1) % 10; //นับเลขเพิ่มอีก1 เป็นเลขถัดไปและเมื่อถึงเลข9ก็จะกลับมาเป็น0(10%10=0) delay(500); //หน่วง500มิลลิวินาที digitalWrite( OUT, HIGH); /*เมื่อกดปุ่มจะให้แรงดันไหลไปที่ขา B ของทรานซิสเตอร์ด้วย จะทำให้กระแสไหลจากCommon Cathodeของ 7 Segment ไปที่ขา C และไปขา E ของทรานซิสเตอร์เพื่อลง GND*/ }else{ digitalWrite( OUT, LOW); /*เมื่อไม่กดปุ่มจะไม่ให้แรงดันไหลไปที่ขา B ของทรานซิสเตอร์ ทำให้กระแสไม่ไหลจากCommon Cathodeของ7 Segment ลง GND ได้ 7 Segmentจึงไม่ติด*/ count = 0; //ให้ค่าที่นับกลับไปเริ่มที่ 0 ใหม่ } } void displayDigit( byte value ) { //ฟังก์ชันที่จะแสดงตัวเลขบน 7 Segment if ( 0 <= value && value < 10 ) { //ตรวจสอบเลขที่รับมาจะต้องอยู่ระหว่าง0-9 byte value = DIGIT_7SEG[ value ]; //แปลงตัวเลขให้เป็นdigitสถาณะของ 7 Segment for (int i=0; i<  8; i++) {  //วนloopกำหนดสถาณะ 7 Segmentทั้ง7ช่อง digitalWrite( SEVEN_SEG[i], (value & 1) ); //ถ้าdigitตรงนั้นเป็น1ให้ไฟติด ถ้าเป็น0ให้ไฟดับ value>>= 1; //ขยับdigitถัดไป } } }

วิดีโอผลการทดลอง

คำถามท้ายการทดลอง

1. วงจรทรานซิสเตอร์แบบ NPN ในวงจรนี้ใช้เพื่อวัตถุประสงค์ใด จงอธิบายหลักการทํางาน
ทรานซิสเตอร์ในวงจรนี้มีไว้สำหรับควบคุมการติด/ดับของ 7Segment โดยเมื่อกดปุ่มจะให้แรงดันไหลไปที่ขา B ของทรานซิสเตอร์ด้วย จะทำให้กระแสไหลจาก Common Cathode ของ 7 Segment ไปที่ขา C และไปขา E ของทรานซิสเตอร์เพื่อลง GND 7 Segment จึงสามารถติดได้ แต่เมื่อไม่กดปุ่มจะไม่ให้แรงดันไหลไปที่ขา B ของทรานซิสเตอร์ ทำให้กระแสไม่ไหลจากขา Common Cathode ของ 7 Segment ลง GND ได้ 7 Segment จึงไม่ติด

2. ถ้าจะใช้ 7-Segment Display สองหลักพร้อมกัน เช่น เพื่อแสดงผลเป็นตัวเลข “00” ถึง “99”  โดยเพิ่มขึ้นทีละหนึ่ง ทุกๆ 1 วินาที (1000 มิลลิวินาที) แล้ววนกลับไปท่ี “00” ใหม่ได้ จะต้อง ออกแบบวงจร และเขียนโค้ด Arduino ควบคุมอย่างไร
รูปออกแบบวงจรโดยโปรแกรม Frizing

ออกแบบวงจร Arduino Schematic View

ออกแบบวงจร Arduino Breadboard View 

โค้ดสำหรับ Arduino Sketch

const byte DIGIT_7SEG[] ={ //Digitสถาณะของ 7 Segment แต่ละช่องเรียงดังนี้ hgfedcba B00111111, //0 B00000110, //1 B01011011, //2 B01001111, //3 B01100110, //4 B01101101, //5 B01111100, //6 B00000111, //7 B01111111, //8 B01101111 //9 }; const byte SEVEN_SEG_1[7] = {7,8,9,10,11,12,13}; //7 Segment หลักหน่วยทั้ง7ช่อง ต่อเข้าที่ pin 7-13 const byte SEVEN_SEG_2[7] = {0,1,2,3,4,5,6}; //7 Segment หลักสิบทั้ง7ช่อง ต่อเข้าที่ pin 0-6 byte count = 0; //ตัวแปรสำหรับนับเลขที่จะแสดงบน 7 Segment void setup() { for (int i=0; i < 7; i++) { pinMode( SEVEN_SEG_1[i], OUTPUT ); //กำหนดให้ pin 7-13 เป็น output digitalWrite( SEVEN_SEG_1[i], HIGH ); //กำหนดให้ 7 Segment หลักหน่วยทุกช่องไฟติดทั้งหมด } for (int i=0; i < 7; i++) { pinMode( SEVEN_SEG_2[i], OUTPUT ); //กำหนดให้ pin 0-6 เป็น output digitalWrite( SEVEN_SEG_2[i], HIGH ); //กำหนดให้ 7 Segment หลักสิบทุกช่องไฟติดทั้งหมด } } void loop() { displayDigit(0, count%10); //เรียกใช้ฟังก์ชันที่จะแสดงตัวเลขบน 7 Segmentโดยใส่ค่าหลักหน่วย(0)และะเลขที่จะแสดงในหลักหน่วย displayDigit(1, (count-(count%10))/10); //เรียกใช้ฟังก์ชันที่จะแสดงตัวเลขบน 7 Segmentโดยใส่ค่าหลักสิบ(1)และะเลขที่จะแสดงในหลักสิบ count = (count+1) % 100; //นับเลขเพิ่มอีก1 เป็นเลขถัดไปและเมื่อถึงเลข99ก็จะกลับมาเป็น0(100%100=0) delay(1000); //หน่วง1000มิลลิวินาที=1วินาที } void displayDigit(int digit, byte value) { //ฟังก์ชันที่จะแสดงตัวเลขบน 7 Segment if ( 0 <= value && value < 10 ) { //ตรวจสอบเลขที่รับมาจะต้องอยู่ระหว่าง0-9 (1 หลัก) byte value = DIGIT_7SEG[ value ]; //แปลงตัวเลขให้เป็นdigitสถาณะของ 7 Segment if(digit == 0){ //digit=0 หลักหน่วย for (int i=0; i<8; i++) { //วนloopกำหนดสถาณะ 7 Segmentทั้ง7ช่อง digitalWrite(SEVEN_SEG_1[i], (value & 1) ); //สั่งให้pinในชุดของหลักหน่วยไฟติด/ดับ value>>= 1; //ขยับdigitถัดไป } }else{ //digit=1 หลักสิบ for (int i=0; i<8; i++) { //วนloopกำหนดสถาณะ 7 Segmentทั้ง7ช่อง digitalWrite(SEVEN_SEG_2[i], (value & 1) ); //สั่งให้pinในชุดของหลักสิบไฟติด/ดับ value>>= 1; //ขยับdigitถัดไป } } } }

อ้างอิง: เอกสารการทดลองที่ 3.2 การใช้อุปกรณ์ 7-Segment Display เพื่อแสดงตัวเลข BCD 
โดย ดร.เรวัต ศิริโภคาภิรมย์ ห้องปฏิบัติการระบบสมองกลฝังตัว(ESL.) มจพ.