จอแสดงผล 7 ส่วน: พินเอาต์ การออกแบบวงจร และการใช้งาน

จอแสดงผล 7 ส่วนเป็นส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์อย่างง่ายที่ทําจากแถบ LED เจ็ดแถบที่แสดงตัวเลขตัวอักษรสองสามตัวและแม้แต่ค่าเลขฐานสิบหก ใช้ในนาฬิกา เครื่องคิดเลข มิเตอร์ และเครื่องใช้ไฟฟ้า เนื่องจากใช้พลังงานต่ํา เชื่อถือได้ และใช้งานง่าย บทความนี้จะอธิบายพินเอาต์ ข้อมูลจําเพาะ วิธีการขับขี่ และเคล็ดลับการออกแบบโดยละเอียด 

ค 1. ภาพรวมการแสดงผล 7 ส่วน  

ค 2. 7 การกําหนดค่าพินเอาต์การแสดงผลส่วน  

ค 3. การใช้งานที่แตกต่างกันของจอแสดงผล 7 ส่วน  

ค 4. แคโทดทั่วไปเทียบกับขั้วบวกทั่วไปในจอแสดงผล 7 ส่วน  

ค 5. ข้อมูลจําเพาะทางไฟฟ้าของจอแสดงผล 7 ส่วน  

ค 6. การคํานวณตัวต้านทานสําหรับจอแสดงผล 7 ส่วน  

ค 7. การขับเคลื่อนจอแสดงผล 7 ส่วนด้วย IC ตัวถอดรหัส  

ค 8. วิธีการขับขี่สําหรับจอแสดงผล 7 ส่วน  

ค 9. มัลติเพล็กซ์จอแสดงผล 7 ส่วนหลายหลัก  

ค 10. การขับขี่จอแสดงผล 7 ส่วนด้วยทรานซิสเตอร์และไดรเวอร์ MOSFET  

ค 11. ตัวละครที่คุณสามารถแสดงบนจอแสดงผล 7 ส่วน  

ค 12. เคล็ดลับ PCB และการเดินสายสําหรับจอแสดงผล 7 ส่วน  

ค 13. บทสรุป

ค 14. คําถามที่พบบ่อย [FAQ]

ภาพรวมการแสดงผล 7 ส่วน

จอแสดงผล 7 ส่วนเป็นหนึ่งในอุปกรณ์แสดงผลอิเล็กทรอนิกส์ที่ง่ายที่สุด แต่ใช้กันมากที่สุดสําหรับการแสดงข้อมูลตัวเลขและอักขระที่จํากัด ประกอบด้วยแถบ LED เจ็ดแถบที่จัดเรียงในรูปแบบเลขแปดซึ่งสามารถจุดไฟได้หลายชุดเพื่อสร้างตัวเลขตั้งแต่ 0 ถึง 9 รวมถึงอักขระตัวอักษรสองสามตัว หลายรุ่นยังมีส่วนจุดทศนิยม (dp) เพิ่มเติมเพื่อแสดงตัวเลขทศนิยม ทําให้เหมาะสําหรับเครื่องคิดเลข นาฬิกา มิเตอร์ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ความเรียบง่าย การใช้พลังงานต่ํา และการเชื่อมต่อกับไมโครคอนโทรลเลอร์ที่ง่ายดายทําให้มีความเกี่ยวข้องแม้จะมี LCD และ OLED เพิ่มขึ้น ด้วยการออกแบบที่ทนทาน จึงพบได้ในอุปกรณ์อุตสาหกรรม เครื่องมือทดสอบ และระบบฝังตัวที่ต้องการความน่าเชื่อถือ  

การกําหนดค่าพินเอาต์การแสดงผล 7 ส่วน

แต่ละหลักประกอบด้วยส่วน LED เจ็ดส่วน โดยมีป้ายกํากับว่า A ถึง G และจุดทศนิยม (DP) ที่เป็นอุปกรณ์เสริม ด้วยการส่องสว่างชุดค่าผสมที่แตกต่างกันของส่วนเหล่านี้ จะสามารถแสดงตัวเลขและตัวอักษรบางตัวได้ หมุดที่ด้านล่างเชื่อมต่อกับแต่ละส่วนจุดทศนิยมและขั้วทั่วไป (COM) ซึ่งสามารถผูกกับกราวด์หรือแรงดันไฟฟ้าขึ้นอยู่กับว่าจอแสดงผลเป็นแคโทดทั่วไปหรือขั้วบวกทั่วไป

การใช้งานที่แตกต่างกันของจอแสดงผล 7 ส่วน

นาฬิกาดิจิตอล

จอแสดงผล 7 ส่วนใช้ในนาฬิกาดิจิตอลเพื่อแสดงชั่วโมง นาที และวินาทีในรูปแบบตัวเลขที่อ่านง่าย ทัศนวิสัยที่ชัดเจนทําให้เหมาะสําหรับอุปกรณ์บอกเวลาทั้งสําหรับผู้บริโภคและอุตสาหกรรม

เครื่องคิดเลข

เครื่องคิดเลขแบบพกพาและเดสก์ท็อปใช้จอแสดงผล 7 ส่วนเพื่อแสดงผลลัพธ์ที่เป็นตัวเลข ความต้องการพลังงานต่ําช่วยให้มั่นใจได้ถึงอายุการใช้งานแบตเตอรี่ที่ยาวนานแม้ในอุปกรณ์ขนาดกะทัดรัด

เครื่องมือวัด

มัลติมิเตอร์ โวลต์มิเตอร์ แอมป์มิเตอร์ และตัวนับความถี่มักใช้จอแสดงผล 7 ส่วนเพื่อให้การอ่านตัวเลขที่แม่นยํา เพื่อให้มั่นใจถึงความชัดเจนสําหรับวิศวกรและช่างเทคนิค

เครื่องใช้ในบ้าน

อุปกรณ์ต่างๆ เช่น เตาไมโครเวฟ เครื่องซักผ้า และเครื่องปรับอากาศใช้จอแสดงผล 7 ส่วนเพื่อระบุเวลา อุณหภูมิ และการตั้งค่าโปรแกรม

ปั๊มเชื้อเพลิง

ตู้จ่ายน้ํามันใช้จอแสดงผล 7 ส่วนเพื่อแสดงปริมาณและต้นทุนน้ํามันเชื้อเพลิง ให้ข้อมูลที่ชัดเจนและเรียลไทม์แก่ลูกค้า

กระดานคะแนน

กระดานคะแนนกีฬาใช้จอแสดงผล 7 ส่วนขนาดใหญ่เพื่อแสดงคะแนน ตัวจับเวลา และการนับถอยหลังที่มองเห็นได้จากระยะไกล

แคโทดทั่วไปเทียบกับขั้วบวกทั่วไปในจอแสดงผล 7 ส่วน

แคโทดทั่วไป (CC)

ขั้วแคโทด (ลบ) ทั้งหมดของไฟ LED ถูกผูกเข้าด้วยกันและเชื่อมต่อกับกราวด์ (GND) ส่วนจะสว่างขึ้นเมื่อใช้แรงดันไฟฟ้าสูงกับพินที่เกี่ยวข้อง

ประเภทนี้ใช้งานง่ายกับไมโครคอนโทรลเลอร์หรือไอซีไดรเวอร์ที่จ่ายกระแสไฟโดยตรง

ขั้วบวกทั่วไป (CA)

ขั้วบวก (บวก) ทั้งหมดผูกเข้าด้วยกันและเชื่อมต่อกับ VCC เซ็กเมนต์จะเปิดขึ้นเมื่อดึงหมุดลงต่ํา (ลงกราวด์) ทํางานได้ดีที่สุดกับไดรเวอร์ที่จมในปัจจุบัน

การระบุประเภท

ใช้มัลติมิเตอร์ในโหมดไดโอด สําหรับขั้วบวกทั่วไป ให้เชื่อมต่อโพรบสีแดงกับพินทั่วไป และโพรบสีดํากับพินเซ็กเมนต์ หากเซ็กเมนต์สว่างขึ้น แสดงว่าเป็น CA ย้อนกลับโพรบเพื่อทดสอบแคโทดทั่วไป

ข้อกําหนดทางไฟฟ้าของจอแสดงผล 7 ส่วน

การคํานวณตัวต้านทานสําหรับการแสดงผล 7 ส่วน

จอแสดงผล 7 ส่วนต้องใช้ตัวต้านทานจํากัดกระแสสําหรับแต่ละส่วน LED เพื่อป้องกันการไหลของกระแสไฟที่มากเกินไปและความสว่างที่ไม่สม่ําเสมอ ค่าตัวต้านทานถูกกําหนดโดยใช้กฎของโอห์ม ซึ่งแสดงเป็น R = (Vcc – Vf) / If โดยที่ Vcc คือแรงดันไฟฟ้าที่จ่าย Vf คือแรงดันไปข้างหน้าของ LED และ If คือกระแสไปข้างหน้าที่ต้องการ ตัวอย่างเช่น ด้วยแหล่งจ่ายไฟ 5 V แรงดันไฟฟ้าไปข้างหน้า 2.0 V ต่อเซ็กเมนต์ และกระแสเป้าหมาย 10 mA การคํานวณจะกลายเป็น (5 – 2) ÷ 0.01 = 300 Ω เนื่องจากตัวต้านทานมีค่ามาตรฐาน จึงควรเลือกตัวเลือกที่สูงขึ้นถัดไป เช่น 330 Ω เพื่อความปลอดภัย แต่ละส่วนต้องมีตัวต้านทานของตัวเอง เนื่องจากการแชร์ตัวต้านทานข้ามพินทั่วไปทําให้เกิดระดับความสว่างที่ไม่สม่ําเสมอ สําหรับจอแสดงผลแบบมัลติเพล็กซ์ ควรพิจารณาการทํางานแบบพัลซิ่งเมื่อปรับค่าตัวต้านทาน

การขับเคลื่อนจอแสดงผล 7 ส่วนด้วย IC ตัวถอดรหัส

การควบคุมจอแสดงผล 7 ส่วนโดยตรงจากไมโครคอนโทรลเลอร์สามารถใช้พิน I/O ได้อย่างรวดเร็ว เนื่องจากตัวเลขหนึ่งหลักต้องใช้พินสูงสุดแปดพิน (เจ็ดส่วนบวกจุดทศนิยม) เพื่อบันทึก GPIO และลดความซับซ้อนในการเดินสายจะใช้ IC ตัวถอดรหัส ชิปเหล่านี้แปลงอินพุตทศนิยมรหัสไบนารี (BCD) 4 บิตเป็นเอาต์พุตเจ็ดตัวที่จําเป็นซึ่งขับเคลื่อนส่วนการแสดงผล ซึ่งช่วยลดความต้องการเหลือเพียงสี่บรรทัดข้อมูล

74HC4511 ได้รับการออกแบบมาสําหรับจอแสดงผลแคโทด (CC) ทั่วไปและให้เอาต์พุตที่ใช้งานสูง-สูง มีคุณสมบัติที่มีประโยชน์ เช่น การเปิดใช้งานสลัก การทดสอบหลอดไฟ และการควบคุมการปิดช่องว่าง ซึ่งช่วยให้สามารถควบคุมและทดสอบการแสดงผลได้อย่างเสถียร ในทางกลับกัน SN7447/LS47 ทํางานร่วมกับจอแสดงผลแอโนด (CA) ทั่วไปและส่งสัญญาณแอคทีฟ-ต่ํา นอกจากนี้ยังรองรับการทดสอบหลอดไฟและฟังก์ชันการระลอกคลื่น ทําให้เหมาะสําหรับการขับเคลื่อนหลายหลักในจอแสดงผลแบบเรียงซ้อน

วิธีการขับขี่สําหรับจอแสดงผล 7 ส่วน

ขับตรง

ในวิธีนี้ ส่วน LED แต่ละส่วนจะเชื่อมต่อโดยตรงจากพิน MCU ผ่านตัวต้านทาน แม้ว่าจะเรียบง่าย แต่ก็ต้องใช้พินสูงสุด 8 พินต่อหลัก สิ่งนี้ใช้งานได้จริงสําหรับการแสดงผลตัวเลขเดียว แต่ไม่มีประสิทธิภาพสําหรับการตั้งค่าหลายหลัก

ไอซีตัวถอดรหัส

ตัวถอดรหัสช่วยลดการใช้พินโดยการแปลงอินพุตไบนารี 4 บิตเป็นเอาต์พุตเจ็ดตัวที่จําเป็นสําหรับการแสดงผล วิธีนี้ยอดเยี่ยมสําหรับตัวเลขหลักเดียวหรือจอแสดงผลขนาดเล็ก โดยลดพิน MCU ที่จําเป็นให้เหลือเพียงสี่พิน มีประสิทธิภาพน้อยลงเมื่อขับเคลื่อนอาร์เรย์หลายหลักที่ใหญ่ขึ้น

การลงทะเบียนกะ

การลงทะเบียนกะรับข้อมูลอนุกรมจาก MCU และแปลงเป็นเอาต์พุตแบบขนาน ทําให้เหมาะสําหรับโมดูล 7 ส่วนหลายหลักในขณะที่ใช้พิน MCU น้อยมาก วิธีนี้สามารถปรับขนาดได้มากที่สุดและใช้ในนาฬิกาดิจิตอล เคาน์เตอร์ และจอแสดงผลแบบมัลติเพล็กซ์

มัลติเพล็กซ์จอแสดงผล 7 ส่วนหลายหลัก

เมื่อใช้จอแสดงผล 7 ส่วนหลายหลัก มัลติเพล็กซ์เป็นวิธีทั่วไปในการควบคุมโดยไม่ต้องใช้พินมากเกินไป ในวิธีนี้ จะเปิดเพียงหนึ่งหลักในแต่ละครั้ง แต่การสลับจะเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วจนดูเหมือนว่าตัวเลขทั้งหมดเปิดอยู่พร้อมกัน ทําให้จัดการจอแสดงผลได้ง่ายขึ้นในขณะที่ยังคงแสดงตัวเลขที่ถูกต้อง

เพื่อให้จอแสดงผลดูเสถียร แต่ละหลักจะต้องรีเฟรชในอัตราที่สูงพอ ประมาณ 200 ครั้งต่อวินาที ดังนั้นดวงตาจึงไม่สังเกตเห็นการสั่นไหวใดๆ ระยะเวลาที่แต่ละหลักทํางานเรียกว่ารอบการทํางาน ซึ่งขึ้นอยู่กับจํานวนหลักที่ควบคุม รอบการทํางานที่เล็กลงหมายความว่าตัวเลขไม่สว่างเท่า ดังนั้นจึงอาจต้องปรับกระแสไฟให้อยู่ในขอบเขตที่ปลอดภัยเพื่อรักษาทัศนวิสัย

ปัญหาหนึ่งที่อาจเกิดขึ้นในมัลติเพล็กซ์คือภาพซ้อน ซึ่งส่วนที่ไม่ต้องการจะสว่างจางๆ สิ่งนี้สามารถหลีกเลี่ยงได้โดยการปิดตัวเลขทั้งหมดก่อนที่จะอัปเดตสัญญาณเซ็กเมนต์ และโดยใช้ไดรเวอร์ที่สามารถเปลี่ยนสถานะได้อย่างรวดเร็วเพื่อการทํางานที่ชัดเจนยิ่งขึ้น

การขับขี่จอแสดงผล 7 ส่วนด้วยทรานซิสเตอร์และไดรเวอร์ MOSFET

อาร์เรย์ทรานซิสเตอร์ดาร์ลิงตัน

ไอซีเหล่านี้ใช้สําหรับจมกระแสในจอแสดงผลแคโทดทั่วไป (CC) แต่ละช่องสามารถขับเคลื่อนเซ็กเมนต์หรือตัวเลขได้ จึงเหมาะสําหรับจอแสดงผลขนาดกลางถึงขนาดใหญ่

ทรานซิสเตอร์ PNP และ P-Channel MOSFET

สําหรับจอแสดงผลแอโนด (CA) ทั่วไป จําเป็นต้องจัดหากระแสไฟ ทรานซิสเตอร์ PNP หรือ P-MOSFET ให้กระแสที่จําเป็นแก่ขั้วบวกในขณะที่อนุญาตให้ MCU ควบคุมการสลับได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ไอซีไดรเวอร์ LED เฉพาะ

ไอซีพิเศษ เช่น MAX7219 รวมมัลติเพล็กซ์ การควบคุมกระแส และการควบคุมความสว่างไว้ในชิปตัวเดียว ไดรเวอร์เหล่านี้ช่วยลดความซับซ้อนในการเดินสายได้อย่างมาก และเพิ่มทรัพยากร MCU

ตัวละครที่คุณสามารถแสดงบนจอแสดงผล 7 ส่วน

หลัก (0–9)

จุดประสงค์หลักของการแสดงผลแบบ 7 ส่วนคือการแสดงตัวเลขทศนิยม ตัวเลขทั้งหมดตั้งแต่ 0 ถึง 9 สามารถแสดงได้อย่างชัดเจนและแม่นยํา ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทําไมจึงใช้ในเครื่องคิดเลข นาฬิกา และมิเตอร์

อักขระเลขฐานสิบหก (A–F)

จอแสดงผล 7 ส่วนยังสามารถแสดงค่าเลขฐานสิบหกได้อีกด้วย อักขระที่รองรับ ได้แก่ A, b, C, d, และ F สิ่งนี้ทําให้มีประโยชน์ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ดิจิทัลและระบบฝังตัวที่ต้องการการแสดงเลขฐานสิบหก

ตัวอักษรจํากัด

ตัวอักษรบางตัว เช่น P, U, L และ H สามารถประมาณได้โดยใช้เจ็ดส่วน ความสามารถในการอ่านอาจไม่ดีที่สุดเสมอไป เนื่องจากตัวอักษรจํานวนมากต้องการส่วนมากกว่าที่จอแสดงผลมีให้

ไม่เหมาะสําหรับข้อความเต็ม

เนื่องจากโครงสร้างที่จํากัด จอแสดงผล 7 ส่วนจึงไม่สามารถใช้งานได้จริงสําหรับการแสดงคําหรือตัวอักษรที่ซับซ้อน สําหรับการใช้งานที่มีข้อความจํานวนมากนักออกแบบมักใช้จอแสดงผลแบบดอทเมทริกซ์หรือโมดูล LCD / LED ที่เป็นตัวอักษรและตัวเลขแทน

เคล็ดลับ PCB และการเดินสายสําหรับจอแสดงผล 7 ส่วน

• วางตัวต้านทานจํากัดกระแสใกล้กับพิน LED เพื่อรักษาความสว่างให้คงที่และลดแรงดันตกในร่องรอย

•ใช้ร่องรอย PCB กว้างสําหรับเส้นขั้วบวกหรือแคโทดทั่วไปเนื่องจากมีกระแสไฟฟ้าที่สูงขึ้นสําหรับหลายส่วนพร้อมกัน

•เพิ่มระนาบกราวด์ที่มั่นคงเพื่อให้เส้นทางกลับที่มั่นคงลดเสียงรบกวนและปรับปรุงประสิทธิภาพของวงจรโดยรวม

•ทําให้บรรทัดที่เปิดใช้งานตัวเลขสั้นและกําหนดเส้นทางอย่างดีเพื่อหลีกเลี่ยงปัญหาเสียงรบกวนและให้แน่ใจว่าการเปลี่ยนอย่างรวดเร็วเพื่อมัลติเพล็กซ์ที่ราบรื่น

สรุป

จอแสดงผล 7 ส่วนใช้งานได้จริง ทนทาน และใช้กันอย่างแพร่หลายในการแสดงตัวเลขในอุปกรณ์ต่างๆ เช่น นาฬิกา เครื่องคิดเลข มิเตอร์ และปั๊มเชื้อเพลิง สามารถทํางานเป็นแคโทดทั่วไปหรือแอโนดทั่วไป และขับเคลื่อนด้วยไมโครคอนโทรลเลอร์ ไอซีตัวถอดรหัส หรือรีจิสเตอร์กะ แม้ว่าจะไม่เหมาะกับข้อความฉบับเต็ม แต่ประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือทําให้จําเป็นต้องใช้ในหลายแอปพลิเคชัน

คําถามที่พบบ่อย [FAQ]

วัสดุอะไรที่ใช้ในจอแสดงผล 7 ส่วน?

ทําจากไฟ LED เซมิคอนดักเตอร์ (GaAsP สําหรับสีแดง/ส้ม GaP สําหรับสีเขียว) ที่อยู่ในอีพอกซีเรซินเพื่อการป้องกันและการสร้างแสง

จอแสดงผล 7 ส่วนสามารถใช้กลางแจ้งได้หรือไม่?

ใช่ แต่เฉพาะรุ่นที่มีความสว่างสูงหรือรุ่นใหญ่เท่านั้นที่เหมาะสม จอแสดงผลมาตรฐานสลัวเกินไปสําหรับแสงแดดโดยตรง

จอแสดงผล 7 ส่วนอยู่ได้นานแค่ไหน?

จอแสดงผลที่ขับเคลื่อนอย่างดีมีอายุการใช้งาน 50,000 ถึง 100,000 ชั่วโมง กระแสไฟเกินหรือความร้อนสูงเกินไปจะลดอายุการใช้งาน

อัตราการรีเฟรชที่ดีที่สุดสําหรับจอแสดงผลแบบมัลติเพล็กซ์คืออะไร?

ส่วนใหญ่ทํางานได้ดีที่สุดระหว่าง 100 Hz ถึง 1 kHz ความถี่ที่ต่ํากว่า 100 Hz ทําให้เกิดการสั่นไหว ในขณะที่ความถี่ที่สูงกว่า 1 kHz จะสิ้นเปลืองทรัพยากร

มีจอแสดงผล 7 ส่วนหลากสีหรือไม่?

ใช่ บางรุ่นใช้ LED สองสีหรือ RGB ทําให้มีตัวเลือกหลายสีในจอแสดงผลเดียว

จอแสดงผล 7 ส่วนหรือ LCD อันไหนใช้พลังงานมากกว่ากัน?

LED 7 ส่วนใช้พลังงานมากกว่า LCD LCD เหมาะสําหรับอุปกรณ์ที่ใช้พลังงานต่ํา ในขณะที่ LED สว่างกว่าและทนทานกว่า