Si inaugura con questo articolo la nuova rubrica “Electronic Lab” che, in collaborazione con Labcenter Electronics (il produttore di Proteus PCB), propone su Elettronica Tech una serie di circuiti a crescente complessità con modelli di simulazione mista analogica/digitale e Firmware.
I display a 7 segmenti
Nonostante siano una delle prime forme di tecnologia di visualizzazione, con una storia che risale all’inizio del 20° secolo, i display a 7 segmenti (chiamati in inglese 7 segment o, in italiano, sette segmenti) sono oggi ancora molto utilizzati e rilevanti come soluzione di visualizzazione a basso costo.
Come indicato dal nome, i display a 7 segmenti sono costituiti da 7 singoli segmenti; questi segmenti possono essere attivati (on) e disattivati (off) individualmente, combinandosi per produrre numeri (e lettere). Spesso è presente anche un punto decimale (8° segmento) e ci sono anche varianti con altri segmenti aggiuntivi, tuttavia il display a 7 segmenti è generalmente il termine colloquiale utilizzato per questa tecnologia. Il termine colloquiale si riferisce generalmente anche a display in cui i segmenti sono illuminati ciascuno da un LED, tuttavia esistono anche varie altre forme ottiche e meccaniche di display a 7 segmenti. In questo articolo, tuttavia, faremo riferimento ai display colloquiali illuminati a LED.
Anatomia di un display
I display a 7 segmenti di solito hanno 1 pin per ogni LED, quindi 1 pin collegato a tutti i catodi LED (catodo comune) o anodi (anodo comune). Il collegamento di tutti i catodi o anodi LED a un singolo pin consente, ovviamente, di risparmiare sul numero di pin necessari e consente comunque di pilotare individualmente ciascun segmento LED utilizzando il pin all’altra estremità.
I display a 7 segmenti possono anche essere disposti uno accanto all’altro per creare display a più cifre.
Pilotare un display
Il collegamento di ciascun segmento LED al proprio pin GPIO su un microcontrollore inizierà rapidamente a richiedere un numero molto elevato di pin all’aumentare del numero di segmenti, tuttavia esiste una tecnica per guidare i segmenti che utilizza solo 2 pin aggiuntivi per guidare 2 cifre (digit) e solo 1 pin aggiuntivo per cifra in seguito.
Collegando ciascuno dei LED del segmento corrispondente in ciascuna cifra allo stesso pin GPIO e quindi collegando il catodo comune o l’anodo comune a un altro pin GPIO libero, ogni cifra può essere pilotata individualmente dal microcontrollore: i pin GPIO del segmento controllano i segmenti, e i pin anodo/catodo controllano quale cifra è selezionata. Naturalmente, questo significa che solo una cifra può essere illuminata in un dato momento, ma grazie alla persistenza della visione, se aggiorniamo continuamente (accendendo i segmenti LED) ogni singola cifra abbastanza velocemente, passando da una cifra all’altra, sembrerà, quindi, ad occhio nudo che l’intero display sia illuminato in una volta!
La persistenza della visione è la stessa ragione per cui un film composto da 24 singoli fotogrammi fissi (immagini) al secondo ci appare fluido piuttosto che a scatti, o perché gli oggetti in rapido movimento appaiono sfocati: le cose iniziano a fondersi insieme se cambiano abbastanza velocemente.
Uno svantaggio di questo metodo, tuttavia, è che la luminosità dei LED sarà ridotta in proporzione al numero di cifre presenti. 2 cifre significheranno che ogni cifra è accesa solo per metà del tempo e quindi apparirà luminosa solo per metà; 3 cifre appariranno luminose per 1/3, 4 cifre per 1/4 e così via. Questo è lo stesso modo in cui i LED vengono oscurati con la modulazione di larghezza di impulso ( pulse-width modulation – PWM). Questo dovrebbe essere preso in considerazione durante la progettazione del sistema e le corrispondenti specifiche di luminosità vengono scelte di conseguenza.
Sul lato software, il ciclo delle cifre del display può essere eseguito da un interrupt del timer, un thread RTOS o qualsiasi altro meccanismo con un tempo affidabile tra le esecuzioni.
Altri metodi per pilotare display a 7 segmenti includono l’utilizzo di registri a scorrimento (come il 74HC595) o circuiti integrati driver dedicati (come il MAX6954); questi metodi utilizzano meno GPIO, tuttavia richiedono componenti esterni aggiuntivi.
Proteus, distribuito in Italia da Galgo Electronics, include una serie di modelli di simulazione display a 7 segmenti che modellano correttamente la persistenza della visione e possono quindi essere guidati utilizzando la tecnica descritta in questo articolo. Troverai esempi che utilizzano PIC, ARM, 8051 e microcontrollori Arduino, che si possono simulare nella versione demo scaricabile qui
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