การทดลองที่ 3.2

การใช้อุปกรณ์ 7-Segment Display เพื่อแสดงตัวเลข BCD

วัตถุประสงค์

• เพื่อให้เข้าใจวิธีการใช้งาน 7-Segment Display 
• เพื่อให้สามารถทำการโปรแกรมบอร์ด Arduino เพื่อควบคุม 7-Segment Display ได้

รายการอุปกรณ์

• แผงต่อวงจร (เบรดบอร์ด) 1 อัน
• บอร์ด Arduino (ใช้แรงดัน +5V) 1 บอร์ด
• อุปกรณ์ 7-Segment Display 1 ตัว
• ปุ่มกดแบบสี่ขา 1 ตัว
• ตัวต้านทาน 330Ω หรือ 470Ω 7 ตัว
• ตัวต้านทาน 1kΩ 1 ตัว
• ตัวต้านทาน 10kΩ 1 ตัว
• ทรานซิสเตอร์ NPN เบอร์ PN2222A 1 ตัว
• สายไฟสำหรับต่อวงจร 1 ชุด

ขั้นตอนการทดลอง

1. ศึกษาการใช้งาน และตำแหน่งของขาต่างๆ ของอุปกรณ์ 7-Segment Display (ใช้แบบ Common-Cathode) จากเอกสาร (ดาต้าชีทของผู้ผลิต) วาดรูปอุปกรณ์ ระบุขาต่างๆ และการกำหนดสถานะ LOW หรือ HIGH ที่ขาเหล่านั้น เพื่อให้สามารถแสดงตัวเลขในแต่ละกรณีได้ระหว่าง 0 ถึง 9
2. ต่อตัวต้านทาน 330Ω หรือ 470Ω จำนวน 7 ตัว แบบอนุกรมกับขา a, b, c, d, e, f, g แต่ละขาของอุปกรณ์ 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 ของอุปกรณ์ 7-Segment Display (ผ่านตัวต้านทาน 330Ω หรือ 470Ω ที่ต่ออนุกรมอยู่สำหรับแต่ละขา)
5. เขียนโค้ดตามตัวอย่างโดยใช้ Arduino IDE แล้วทำขั้นตอนคอมไพล์และอัพโหลดโปรแกรมไปยังบอร์ด Arduino ตรวจสอบความถูกต้องของวงจรบนเบรดบอร์ดก่อน เมื่อถูกต้องแล้ว จึงเชื่อมต่อ +5V และ Gnd จากบอร์ด Arduino ไปยังเบรดบอร์ด เพื่อใช้เป็นแรงดันไฟเลี้ยง (VCC และ GND) และไม่ต้องใช้แหล่งจ่ายควบคุมแรงดันจากภายนอก ให้ระวังการต่อสลับขั้วสายไฟ และระวังการต่อถึงกันทางไฟฟ้าของสายไฟทั้งสองเส้น
6. แก้ไขโค้ดสำหรับ Arduino ให้สามารถแสดงตัวเลขตั้งแต่ 0 ถึง 9 แล้ววนซ้ำ โดยเว้นระยะเวลาในการ
เปลี่ยนเป็นตัวเลขถัดไปประมาณ 1 วินาที
7. 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
8. แก้ไขโค้ดสำหรับ Arduino เพื่อให้แสดงตัวเลขตั้งแต่ 0 ถึง 9 แล้ววนซ้ำ โดยเว้นระยะเวลาในการเปลี่ยนเป็นตัวเลขถัดไปประมาณ 1 วินาที แต่จะแสดงผลก็ต่อเมื่อกดปุ่ม PB1 ค้างไว้ แต่ถ้าไม่กดจะต้องไม่แสดงผลตัวเลขใดๆ (ไม่ติด)

รูปที่ 3.2.1: ผังวงจรสำหรับเชื่อมต่อบอร์ด Arduino

(ตัวอย่างนี้ใช้ 7-Segment Display แบบ Common-Cathode)

รูปที่ 3.2.2: อุปกรณ์ 7-Segment Display แบบหนึ่งหลัก (ซ้าย) และแบบสองหลัก (ขวา)

รูปที่ 3.2.3: ผังวงจรสำหรับเชื่อมต่อบอร์ด Arduino

(ควบคุมการทำงาน 7-Segment Display ได้ด้วยทรานซิสเตอร์ NPN)

// Add your code below for global variables, constants.             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 ); } } void loop() { // Write your code below }

โค้ดที่ 3.2.1: โค้ดตัวอย่างสำหรับ Arduino

ผลการทดลอง

 ในการทดลองครั้งนี้ใช้อุปกรณ์ 7-Segment Display ชนิด Common-Cathode แบบสองหลัก ซึ่งมีวงจรภายในของอุปกรณ์เป็นดังนี้

ภาพวงจรภายในของ 7-Segment Display แบบสองหลัก  (รายระเอียด DATASHEET)

ผังวงจร

การต่อวงจรบนเบรดบอร์ด

ในข้อที่ 6 เขียนโค๊ดได้ดังนี้

const byte SEVEN_SEG[7] = {3,4,5,6,7,8,9};                         int count=0; const byte DIGIT_SEG[]={  B00111111, //0  B00000110, //1  B01011011, //2  B01001111, //3  B01100110, //4  B01101101, //5  B01111100, //6  B00000111, //7  B01111111, //8  B01101111, //9 }; void setup(){   for (int i=0; i<7; i++){     pinMode( PB_1, INPUT);     pinMode (SEVEN_SEG[i], OUTPUT);     digitalWrite (SEVEN_SEG[i],HIGH);   } } void loop(){   if(count>9)count =0;   if (0 <= count && count <10){   byte value = DIGIT_SEG[count];   for (int i=0; i<8; i++){     digitalWrite (SEVEN_SEG[i],(value & 1));     value >>=1;   }  }  count++;  delay(1000); }

ในข้อ 7 เมื่อแก้ไขวงจรจะได้ดังนี้

ผังวงจร

การต่อวงจรบนเบรดบอร์ด

ในข้อ 8 เขียนโค๊ดได้ดังนี้

const byte PB_1=2; const byte SEVEN_SEG[7] = {3,4,5,6,7,8,9};                         int count=0; const byte PWR = 10; const byte DIGIT_SEG[]={  B00111111, //0  B00000110, //1  B01011011, //2  B01001111, //3  B01100110, //4  B01101101, //5  B01111100, //6  B00000111, //7  B01111111, //8  B01101111, //9 }; void setup(){   pinMode( PB_1, INPUT);   for (int i=0; i<7; i++){   pinMode (SEVEN_SEG[i], OUTPUT);   digitalWrite (SEVEN_SEG[i],HIGH);   }   digitalWrite(PWR,HIGH); } void loop(){   while(digitalRead(PB_1)==0){   delay(1000);   if(count>9)count =0;   if (0 <= count && count <10){   byte value = DIGIT_SEG[count];   for (int i=0; i<7; i++){    digitalWrite (SEVEN_SEG[i],(value & 1));    value >>=1;   }   count++;  } }  count = 0;  for (int i=0; i<7; i++){     digitalWrite (SEVEN_SEG[i],LOW);  } }

รูปประกอบการทดลอง

รูประหว่างเริ่มต่อวงจรทดลอง

รูปการต่อวงจรเสร็จสมบูรณ์

รูปวงจรที่เพิ่มทรานซิสเตอร์และสวิตช์เข้าไป

คำถามท้ายการทดลอง

1. วงจรทรานซิสเตอร์แบบ NPN ในวงจรนี้ใช้เพื่อวัตถุประสงค์ใด จงอธิบายหลักการทำงาน

• เพื่อใช้เป็นสวิตช์ในการควบคุมการทำงานของ 7-Segment Display  หลักการทำงานของสวิตช์ตัวนี้คือ เมื่อเราจ่ายลอจิคของขา D10 เป็น HIGH จะเกิดแรงดันลอจิคตกคร่อมตัวต้านทาน R6 (1kΩ ) ก่อให้เกิดกระแสไฟฟ้าไหลเข้าขา Base ของทรานซิสเตอร์ ส่งผลให้กระแสไหลผ่านขา Collector และขา Emitter ได้ เมื่อทรานซิสเตอร์ทำงานจะทำให้วงจรของ 7-Segment Display ครบวงจร ตัวอุปกรณ์ดังกล่าวจึงสามารถทำงานได้

2. ถ้าจะใช้ 7-Segment Display สองหลักพร้อมกัน เช่น เพื่อแสดงผลเป็นตัวเลข “00” ถึง “99” โดยเพิ่มขึ้นทีละหนึ่ง ทุกๆ 1 วินาที (1000 มิลลิวินาที) แล้ววนกลับไปที่ “00” ใหม่ได้ จะต้องออกแบบวงจร และเขียนโค้ด Arduino ควบคุมอย่างไร

• เขียนโค๊ดได้ดังนี้

const byte PB_1=2; const byte SEVEN_SEG1[7] = {3,4,5,6,7,8,9}; const byte SEVEN_SEG2[7] = {10,11,12,13,A0,A1,A2};           int count1=0; int count2=0; const byte DIGIT_SEG[]={  B00111111, //0  B00000110, //1  B01011011, //2  B01001111, //3  B01100110, //4  B01101101, //5  B01111100, //6  B00000111, //7  B01111111, //8  B01101111, //9 }; void setup(){   pinMode( PB_1, INPUT);   for (int i=0; i<7; i++){     pinMode (SEVEN_SEG1[i], OUTPUT);     pinMode (SEVEN_SEG2[i], OUTPUT);     digitalWrite (SEVEN_SEG1[i],HIGH);     digitalWrite (SEVEN_SEG2[i],HIGH);   } } void loop(){   delay(1000);   if(count1>9){     count2++;     count1 = 0;   }   if(count2>9)count2=0;   if (0 <= count1 && count1 <10){     byte value_1 = DIGIT_SEG[count1];     for (int i=0; i<7; i++){     digitalWrite (SEVEN_SEG1[i],(value_1 & 1));     value_1 >>=1;     }     count1++;    }   if (0 <= count2 && count2 <10){     byte value_2 = DIGIT_SEG[count2];     for (int i=0; i<7; i++){     digitalWrite (SEVEN_SEG2[i],(value_2 & 1));     value_2 >>=1;     }    }  }

• มีวงจรการต่อดังนี้