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5.2 Zahlen anzeigen

In dieser Lektion lernen wir, wie man ein 7-Segment-Display verwendet, um Zahlen mit dem Raspberry Pi Pico 2 und einem 74HC595-Schieberegister darzustellen. Das 7-Segment-Display ist eine häufig verwendete elektronische Komponente in digitalen Uhren, Taschenrechnern und Haushaltsgeräten zur Anzeige numerischer Informationen.

Durch die Kombination des 74HC595-Schieberegisters mit dem 7-Segment-Display können wir alle Segmente mit nur wenigen GPIO-Pins des Pico steuern und so wertvolle I/O-Ressourcen für andere Komponenten sparen.

Benötigte Komponenten

Für dieses Projekt benötigen wir die folgenden Komponenten.

Es ist definitiv praktisch, ein ganzes Kit zu kaufen, hier ist der Link:

Name	ENTHALTENE KOMPONENTEN	LINK
Newton Lab Kit	450+	Newton Lab Kit

Sie können sie auch einzeln über die untenstehenden Links kaufen.

SN	KOMPONENTE	MENGE	LINK
1	Raspberry Pi Pico 2	1	KAUFEN
2	Micro-USB-Kabel	1
3	Steckbrett	1	KAUFEN
4	Jumperkabel	Mehrere	KAUFEN
5	Widerstand	1 (220Ω)	KAUFEN
6	7-Segment-Anzeige	1	KAUFEN
7	74HC595	1	KAUFEN

Funktionsweise des 7-Segment-Displays

Ein 7-Segment-Display besteht aus 7 LEDs (Segmenten), die in einer Acht-Form angeordnet sind, um Ziffern von 0 bis 9 darzustellen. Zusätzlich gibt es eine achte LED für den Dezimalpunkt. Jedes Segment ist von a bis g beschriftet, und der Dezimalpunkt wird als dp gekennzeichnet.

Hier ist die Segmentbeschriftung:

In einem gemeinsamen Kathoden-7-Segment-Display sind alle Kathoden (negative Anschlüsse) der LEDs miteinander verbunden und an eine gemeinsame Masse angeschlossen.

Schaltplan

Das Verdrahtungsprinzip ist im Wesentlichen dasselbe wie bei 5.1 Verwendung des 74HC595-Schieberegisters, der einzige Unterschied besteht darin, dass Q0-Q7 mit den a ~ g Pins des 7-Segment-Displays verbunden sind.

Wiring
74HC595	LED-Segment-Display
Q0	a
Q1	b
Q2	c
Q3	d
Q4	e
Q5	f
Q6	g
Q7	dp

Verdrahtungsdiagramm

Code schreiben

Nun schreiben wir ein MicroPython-Programm, um die Ziffern 0 bis 9 auf dem 7-Segment-Display anzuzeigen.

Bemerkung

Öffnen Sie 5.2_number_display.py aus newton-lab-kit/micropython oder kopieren Sie den Code in Thonny, dann klicken Sie auf „Ausführen“ oder drücken Sie F5.
Stellen Sie sicher, dass der richtige Interpreter ausgewählt ist: MicroPython (Raspberry Pi Pico).COMxx.

import machine
import utime

# Definieren der Binärcodes für jede Ziffer (0-9)
SEGMENT_CODES = [
    0x3F,  # 0
    0x06,  # 1
    0x5B,  # 2
    0x4F,  # 3
    0x66,  # 4
    0x6D,  # 5
    0x7D,  # 6
    0x07,  # 7
    0x7F,  # 8
    0x6F   # 9
]

# Initialisieren der Steuerpins für 74HC595
SDI = machine.Pin(0, machine.Pin.OUT)   # Serieller Dateneingang (DS)
RCLK = machine.Pin(1, machine.Pin.OUT)  # Register-Takt (STCP)
SRCLK = machine.Pin(2, machine.Pin.OUT) # Schieberegister-Takt (SHCP)

# Funktion zum Senden von Daten an 74HC595
def shift_out(data):
    RCLK.low()
    for bit in range(7, -1, -1):
        SRCLK.low()
        bit_val = (data >> bit) & 0x01
        SDI.value(bit_val)
        SRCLK.high()
    RCLK.high()

# Hauptschleife zum Anzeigen der Zahlen 0-9
while True:
    for num in range(10):
        shift_out(SEGMENT_CODES[num])
        utime.sleep(0.5)

Wenn Sie diesen Code ausführen, zeigt das 7-Segment-Display nacheinander die Ziffern 0 bis 9 an und wechselt alle 0,5 Sekunden. Dadurch entsteht ein zyklischer Zählereffekt, bei dem sich die Zahlen der Reihe nach erhöhen und nach der 9 wieder bei 0 beginnen.

Erklärung des Codes

Module importieren:
- machine: Ermöglicht den Zugriff auf GPIO-Pins und Hardwarefunktionen.
- utime: Enthält Zeitfunktionen für Verzögerungen.
Segmentcodes definieren:

Jeder Eintrag entspricht den Segmenten, die aktiviert werden müssen, um eine Ziffer darzustellen. Die Werte sind zur besseren Lesbarkeit im Hexadezimalformat angegeben.
```
SEGMENT_CODES = [
    0x3F,  # 0
    0x06,  # 1
    0x5B,  # 2
    0x4F,  # 3
    0x66,  # 4
    0x6D,  # 5
    0x7D,  # 6
    0x07,  # 7
    0x7F,  # 8
    0x6F   # 9
]
```
Angenommen, das 7-Segment-Display soll die Zahl „1“ anzeigen. Dafür müssen die Segmente b und c auf HIGH gesetzt werden, während a, d, e, f, g und dp auf LOW bleiben.

Das bedeutet, dass das Binärmuster „00000110“ geschrieben werden muss. Zur besseren Lesbarkeit verwenden wir die hexadezimale Darstellung „0x06“.

Steuerpins initialisieren:

Weist die GPIO-Pins des Pico zur Steuerung des 74HC595-Schieberegisters zu.

SDI = machine.Pin(0, machine.Pin.OUT)
RCLK = machine.Pin(1, machine.Pin.OUT)
SRCLK = machine.Pin(2, machine.Pin.OUT)

Die Funktion shift_out definieren:

Sendet 8 Bit an das 74HC595-Schieberegister.
Überträgt die Daten beginnend mit dem höchstwertigen Bit (MSB).
Pulsiert die Schieberegister- und Register-Taktleitungen entsprechend.

def shift_out(data):
    RCLK.low()
    for bit in range(7, -1, -1):
        SRCLK.low()
        bit_val = (data >> bit) & 0x01
        SDI.value(bit_val)
        SRCLK.high()
    RCLK.high()

Hauptschleife zur Anzeige der Zahlen:
- Durchläuft die Zahlen 0 bis 9.
- Ruft shift_out mit dem entsprechenden Segmentcode auf.
- Fügt eine Verzögerung von 0,5 Sekunden zwischen den Zahlen hinzu.
```
while True:
    for num in range(10):
        shift_out(SEGMENT_CODES[num])
        utime.sleep(0.5)
```

Verständnis der Segmentcodes

Jeder Segmentcode entspricht den zu beleuchtenden Segmenten für eine bestimmte Ziffer. Hier ist die Zuordnung der Segmente zu den einzelnen Ziffern:

0: Segments a, b, c, d, e, f (code 0x3F)
1: Segments b, c (code 0x06)
2: Segments a, b, g, e, d (code 0x5B)
3: Segments a, b, c, d, g (code 0x4F)
4: Segments b, c, f, g (code 0x66)
5: Segments a, c, d, f, g (code 0x6D)
6: Segments a, c, d, e, f, g (code 0x7D)
7: Segments a, b, c (code 0x07)
8: Segments a, b, c, d, e, f, g (code 0x7F)
9: Segments a, b, c, d, f, g (code 0x6F)

Weitere Experimente

Hexadezimale Zeichen anzeigen:

Erweitern Sie die SEGMENT_CODES-Liste um die Buchstaben A-F für die hexadezimale Darstellung. Zum Beispiel hat der Buchstabe ‚A‘ den Segmentcode 0x77.
Einen Zähler erstellen:

Ändern Sie den Code so, dass ein Zähler hoch- oder herunterzählt. Verwenden Sie Tasten, um die angezeigte Zahl zu erhöhen oder zu verringern.
Mehrere Anzeigen steuern:

Nutzen Sie zusätzliche 74HC595-Schieberegister, um mehrere 7-Segment-Anzeigen zu steuern. Implementieren Sie Multiplexing, um mehrere Anzeigen mit minimalem GPIO-Aufwand zu verwalten.

Fazit

In dieser Lektion haben Sie gelernt, wie Sie ein 7-Segment-Display mit einem 74HC595-Schieberegister verwenden, um Zahlen mit dem Raspberry Pi Pico 2 darzustellen. Durch das Verständnis der Steuerung der einzelnen Segmente über Binärcodes und die Nutzung des Schieberegisters können Sie effizient mehrere Ausgaben mit einer begrenzten Anzahl an GPIO-Pins verwalten.