第 8 章 七段顯示
器
8-1 功能簡介
• 七段顯示器是由七顆 LED 組合七段而成的數字型顯示器，只要 組合讓不同段的 LED 亮，即可顯示出不同的數字，甚至一些簡 單的文字。
• 本章實驗的功能為使用 Arduino 控制板的 I/O 來驅動七段 顯示器，使七段顯示器每隔 0.5 秒依序顯示出 0 ～ 9 的數 字，並不斷重複變化。
• 本實驗的系統方塊圖如圖 8-1 所示。
8-2 電路說明
• 七段顯示器（ seven-segment display ）為常用的數字顯示元件，
其外觀如圖 8-2(b) 所示；
• 七段顯示器內部結構是由 8 個 LED （發光二極體）所組成，有 七段筆畫與一個小數點，依順時針方向排列為
a 、 b 、 c 、 d 、 e 、 f 、 g 與 dp 等 8 個 LED ，如圖 8-2(a) 所 示。
• 圖 8-2(a) 標示了七段顯示器的各段名稱與腳位，可用來顯示數 字 0 ～ 9 及英文字 A 、 b 、 C 、 d 、 E 、 F 。
8-2 電路說明
七段顯示器依結構可分為共陽七段與共陰七段兩種：內部所有 LED 陽極接在共同端腳位（ com ）者，為共陽七段顯示器，如圖 8- 3(a) 所示；內部所有 LED 陰極接在 com 者，則為共陰七段顯 示器，如圖 8-3(b) 所示。
8-2 電路說明
• 本章實驗採用共陰七段顯示器，只要共同端點（ com ）上接地
，對應的腳位上送高準位，即可使對應的各段 LED 亮
• 圖 8-4 為七段顯示器上要呈現的數字，則其對應的共陰七段 顯示器控制碼如表 8-1 所示，以顯示數字 為例，只有 g 段 不亮，其餘要亮，故 g ～ a 段的顯示控制碼為 0111111 ， 換成 16 進制為 0x3F 。（ C 語言中 0x 代表 16 進制， 0b 代表 2 進制）
8-2 電路說明
8-2 電路說明
8-2 電路說明
8-2 電路說明
實驗時請確認圖 8-2(a) 上七段顯示器的腳位，接錯會出現亂碼
；另外本實驗採用共陰七段顯示器， com 端請接地。
在此提供麵包板及 Arminno 多功能實驗板兩種接線圖供選擇，請 依手邊有的設備狀況進行實驗。
1. 使用麵包板
圖 8-6 所示為使用麵包板進行七段顯示器的參考接線電路，可 將 ArduinoLeonardo 板固定在一般的麵包板上方便接線，由於 七段顯示器的腳位非 a ～ g 的順序，接線會有些交錯，請注意 不要接錯；另外限流電阻 330Ω 不可省略，請按圖配線：
8-2 電路說明
(1)Arduino 的 GND 腳接 至麵包板上橫向導通的藍 色線，並接至七段顯示器 的 com 端。
(2) 本實驗使用 USB 提供 的
5V ，電源不需外加。
8-2 電路說明
2. 使用 Arminno 多功能實驗板
圖 8-7 所示為使用 Arminno 多功能實驗板的接線情況，
其中：
① 實驗板與 Arduino 板的連接均採用杜邦排線。
② 使用 2pins 的排線連接 Arduino 板上的 5V 及 GND 接至實驗板 3V3 及 GND 的電源端。
③ 使用 1pin 的排線連接 JP8 的 com4 至 5V 端，指定使 用七段顯示器的個位數。
④ 連接 Arduino 板上的 D11 ～ D5 至實驗板 7- SEGMENT ×4 區塊的 JP7 （對應 a ～ g ）。
8-3 程式設計
接下來要進行程式的撰寫，由於表 8-1 已明確標示了共陰七段 顯示器控制碼，電路也接妥 Arduino 板的 D11 ～ D5 對應至 七段的 a ～ g ，故本次的實驗非常適合使用查表法，也就是使用 陣列取值的方式，再呼叫自訂的 OutPort() 副程式，逐一將值 送至指定的輸出即可。
1. setup() 、 loop()
1) setup() ：主要設定 seg[] 陣列中的數位腳之電氣特性 為輸出，包含 D11 ～ D5 。
2) loop() ：依序取出 0 ～ 9 七段顯示器編碼陣列 TAB[]
的資料，然後呼叫 OutPort() 副程式進行顯示的工作。
8-3 程式設計
8-3 程式設計
2. OutPort() 副程式
此副程式的主要目的是將傳入值 dat 送至指定的腳位輸出，
腳位由程式中的 seg7[]={11, 10, 9, 8, 7, 6, 5} 定 義，其中 seg7[0]=11 對應七段顯示器的 a
段， seg7[1]=10 對應 b 段，其餘類推；要將傳入值 dat 送至指定的腳位輸出，可使用十進制轉二進制的方式，從最低 位元逐一將值送出，流程如下：
(1) 取出 dat 除 2 的餘數。
(2) 若餘數為 1 ，則輸出高準位，否則輸出低準位。
(3) 接著處理下一位元，故取 dat=dat/2 。 (4) 重複動作 (1) ，共做 7 次。
圖 8-9 為 dat=94 處理後對應 seg7[] 的操作範例，此範例 顯示 d 。
8-3 程式設計
8-3 程式設計
8-3 程式設計
8-3 程式設計
1. 陣列宣告：陣列宣告的指令格式如下
其中資料型態應以不超過值域範圍的最小型態來宣告，例如觀 察 seg7 的元素值均不超過 255 ，故宣告成 byte 會比 int 節省記憶空間。另外，有預設值的宣告可省略陣列元素個數的 宣告，編譯器會幫忙計算，例如：
8-4 實驗成果
• 確定好本實驗的電路及程式後，即可開始進行編譯程式，以及下 載、燒錄、測試的工作；首先請使用 USB 傳輸線連接好個人電 腦與 Arduino Leonardo 板，再按 圖示進行程式的燒 錄。
• 燒錄成功後，應可立即看到七段顯示器開始數數，從 0 到 9 ， 每隔 0.5 秒變化一次，若無法正常顯示，請檢查接線是否正確
。
8-5 延伸應用與練習
有了顯示一位數 0 ～ 9 的七段顯示器輸出能力後，還有哪些可 以延伸應用並練習的呢？以下讓我們來思考一下。
8-5.1 讀入指撥開關數值並顯示的實驗（顯示 0 ～ F ）
1. 本小節希望完成一個讀入 4 位元指撥開關的數值，並將對應的 16 進制數值顯示在七段顯示器上的實驗，數值包含 0 ～ 9
，以及 A ～ F 。
• 圖 8-10 所示為本小節實驗的電路圖，其中指撥開關的 4 個 數位腳分別接至 D13 、 D12 、 D3 、 D2 ，最高位元 MSB 為 D13 。
8-5 延伸應用與練習
8-5 延伸應用與練習
2. 4 位元指撥開關數值除了 0 ～ 9 以外，還包含撥 1010 以上應
顯示的字母，其字碼及對應的顯示控制碼條列如表 8-3 所 示。
8-5 延伸應用與練習
1. 指撥開關的設定：
由於指撥開關用到 4 個數位腳，且未連接提升電阻，因此本小節 需用到使用內建提升電阻的設定，同樣是用設定 pin 腳電氣模式 的指令 pinMode ，不過模式要使用 INPUT_PULLUP 。
8-5 延伸應用與練習
2. 讀入 4 位元指撥開關狀態，轉成十進制數值：轉換的方法其 實就是進行二進制轉十進制，首先宣告轉換後的十進制數值 number=0 ，並宣告加權值陣列 Weight={ 8,4,2,1 } ，以 及指撥開關輸入腳位的陣列 DIP ={13,12,3,2 } ，然後進 行底下的流程即可，例如指撥開關撥上上下下，代表邏輯 1100
， number=1×23+1×22+0×21+0×20=8+4=12 。
1) 從最高位元 DIP[0] ，也就是 D13 開始判斷，若為 LOW
（往上撥）代表指撥開關為邏輯 1 ，所以
number=number+8 ；若為 HIGH （往下撥）
2) 代表指撥開關為邏輯 0 ，不需進行任何處理。接著判斷 DIP[1] （ D12 ），若為 LOW ，則 number= number+4
。
3) 接著判斷 DIP[2] （ D3 ），若為 LOW ，則 number=
number+2 。
4) 接著判斷 DIP[3] （ D2 ），若為 LOW ，則 number=
number+1 。 5) 程式碼如下：
8-5 延伸應用與練習
3. 呼叫 OutPort(number) 副程式，即可顯示指撥開關的 數值。
4. 接著周而復始進行步驟 2. 到 3. 即可。
8-5 延伸應用與練習
8-5 延伸應用與練習
2. Arminno 多功能實驗板的接線情況
圖 8-12 所示為使用 Arminno 多功能實驗板的接線情況
8-5 延伸應用與練習
8-5 延伸應用與練習
8-5 延伸應用與練習
8-5 延伸應用與練習
將程式燒錄後，可調整指撥開關，看看七段顯示器是否有對應 到指撥開關的數值內容顯示。
8-5 延伸應用與練習
Arminno 多功能實驗板上的七段顯示器為四位元的多工顯示 器，因其電路結構與單一顆七段顯示器有點不同，需要特別說 明一下。實驗板上的顯示器由四顆七段顯示器組成，由左而右
，分別為千位數、百位數、十位數及個位數，為簡化接線，每 顆七段顯示器的 a 端接一起、 b 端接一起…以此類推，最後拉 出 a 、 b 、 c 、 d 、 e 、 f 、 g 端至 JP7 ，此為資料端，
如圖 8-13 所示；小數點 dp 及要讓哪一位數亮的控制端 com1 、 com2 、 com3 、 com4 則接至 JP8 ，其中 com1 ～ com4 為掃描端，分別接一個 NPN 電晶體，控制千位數、百 位數、十位數、個位數七段顯示器的亮或滅，掃描端在同一個 時間，只有一個接高準位，亦即每個時間只有一位數會亮。
8-5 延伸應用與練習
8-5 延伸應用與練習
8-5 延伸應用與練習
• Arminno 多功能實驗板上的七段顯示器為四位元的多工顯 示器，因其電路結構與單一顆七段顯示器有點不同，需要特 別說明一下。
• 實驗板上的顯示器由四顆七段顯示器組成，由左而右，分別 為千位數、百位數、十位數及個位數，為簡化接線，每顆七 段顯示器的 a 端接一起、 b 端接一起…以此類推，最後拉 出 a 、 b 、 c 、 d 、 e 、 f 、 g 端至 JP7 ，此為資料端
，如圖 8-13 所示。
• 小數點 dp 及要讓哪一位數亮的控制端
com1 、 com2 、 com3 、 com4 則接至 JP8 ，其中 com1
～ com4 為掃描端，分別接一個 NPN 電晶體，控制千位數
、百位數、十位數、個位數七段顯示器的亮或滅。
• 掃描端在同一個時間，只有一個接高準位，亦即每個時間只 有一位數會亮。
8-5 延伸應用與練習
• 所謂的多工顯示是指利用分時多工的掃描技巧，讓四位元同 時顯示不同數字。
• 一般稱 com1 ～ com4 為掃描端， JP7 的 dp 、 g 、 f
、 e 、 d 、 c 、 b 、 a 為資料端；假設顯示器上要顯示 ，其動作流程如下：
1.首先讓掃描端 com1 ～ com4 送出 0000 的控制訊號，所 有電晶體 OFF ，七段顯示器不顯示。
2.資料端 JP7 送出 0x5B （請對應表 8-1 的控制碼），掃描 端 com1 送出 1 的控制訊號（即 Q1 導通），此時顯示數字 ，並停留一段時間。
3.為避免掃描端掃至下一位時造成的顯示殘影現象，掃描端 com1 送出 0 的控制訊號，讓七段顯示器不顯示。
8-5 延伸應用與練習
4. 資料端送出 0x3F ，掃描端 com2 送出 1 的控制訊號， Q2 導通，此時顯示數字 ，並停留一段時間。
5. 掃描端 com2 送出 0 的控制訊號，讓七段顯示器不顯示。
6. 資料端送出 0x06 ，掃描端 com3 送出 1 的控制訊 號， Q3 導通，此時顯示數字 ，並停留一段時間。
7. 掃描端 com3 送出 0 的控制訊號，讓七段顯示器不顯示。
8. 資料端送出 0x4F ，掃描端 com4 送出 1 的控制訊號， Q4 導通，此時顯示數字 ，並停留一段時間。
9. 掃描端 com4 送出 0 的控制訊號，讓七段顯示器不顯示。
10.跳至步驟 2 重複執行。
• 以上的動作流程，只要掃描的速度夠快，超過人一秒鐘至 少需要 24 個畫面的視覺暫留，就可看到非常穩定的畫面，
若掃描速度不夠，會看到閃爍的 畫面。
8-5 延伸應用與練習
根據上述的動作流程，可寫出底下的程式，請對應參考；本程 式也加入利用 Serial Monitor 改變延遲時間 delaytime 的設計，透過不同的 delaytime 了解多工顯示器的原理，以 及延遲時間的影響。
8-5 延伸應用與練習
8-5 延伸應用與練習
8-5 延伸應用與練習
8-5 延伸應用與練習
8-5 延伸應用與練習
1. 將程式燒錄後，因變數 delaytime 預設為 5 （ ms ），
可看到一個很穩定的 顯示畫面。
2. 點選 Tools → Serial Monitor ，開啟 Serial
Monitor ，接著請在命令列依序輸入要測試的延遲時間數 據（單位為 ms ），並記錄顯示狀態：
(1) 10ms 顯示狀態描述：
___________________________
(2) 100ms 顯示狀態描述：
__________________________
(3) 1000ms 顯示狀態描述：
_________________________
經測試後應可發現延遲時間增加後，多工顯示的數字閃爍 明顯。
3. 請試著修改顯示其它數值，例如「 5214 」，其顯示的數 字是否符合預期。
