8-1 功能簡介 8-4 實驗成果 8-2 電路說明 8-5 延伸應用與練習 8-3 程式設計

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1 8-1 功能簡介 8-4 實驗成果 8-2 電路說明 8-5 延伸應用與練習 8-3 程式設計
第8章 七段顯示器 8-1 功能簡介 8-4 實驗成果 8-2 電路說明 8-5 延伸應用與練習 8-3 程式設計

2 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。

3 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。

4 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。

5 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 ，換成16 進制為0x3F。（C 語言中0x 代表16 進制，0b 代表2 進制）

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9 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：

10 8-2 電路說明 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。

11 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：
實驗板與Arduino 板的連接均採用杜邦排線。 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。 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。 連接Arduino 板上的D11 ～ D5 至實驗板7-SEGMENT ×4 區塊的JP7（對應a ～ g）。

12 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() 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。 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。

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14 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。

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18 8-3 程式設計 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：

19 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。

20 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） 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。

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22 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。

23 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。

24 8-5 延伸應用與練習 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。 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） 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。 接著判斷DIP[2]（D3），若為LOW，則number= number+2。 接著判斷DIP[3]（D2），若為LOW，則number= number+1。 程式碼如下：

25 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。

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27 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

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31 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。

32 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。

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35 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。

36 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： 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。 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。 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。

37 8-5 延伸應用與練習 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。
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。 掃描端com3 送出0的控制訊號，讓七段顯示器不顯示。 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。 掃描端com4送出0的控制訊號，讓七段顯示器不顯示。 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。

38 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。

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43 8-5 延伸應用與練習 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。
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。 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。