注釈
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5.3 4桁7セグメントディスプレイで時間カウンターを作成する
このレッスンでは、 4桁7セグメントディスプレイ を使用して、Raspberry Pi Pico 2 でシンプルな時間カウンターを作成する方法を学びます。ディスプレイは1秒ごとにカウントアップし、経過秒数を表示します。
必要なもの
このプロジェクトでは、以下のコンポーネントが必要です。
以下のリンクからキットを購入すると便利です。
名称 |
このキットに含まれるアイテム |
リンク |
|---|---|---|
Newton Lab Kit |
450+ |
また、以下のリンクから個別に購入することもできます。
番号 |
コンポーネント |
数量 |
リンク |
|---|---|---|---|
1 |
1 |
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2 |
Micro USB ケーブル |
1 |
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3 |
1 |
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4 |
数本 |
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5 |
4(220Ω) |
||
6 |
1 |
||
7 |
1 |
4桁7セグメントディスプレイの理解
4桁7セグメントディスプレイは、4つの個別の7セグメントディスプレイが1つのモジュールに統合されたものです。各桁は同じセグメント制御ライン（ a ～ g および dp ）を共有しますが、各桁には独自の 共通カソード 制御があります。この構成により、どの桁をアクティブにするかを制御できます。
異なる数字を各桁に表示するためには、 マルチプレクシング という技術を使用します。これは、桁ごとに高速で切り替えて更新することで、すべての桁が同時に表示されているように見せる技術です。これは視覚残像の原理を利用したものです。
回路図
この回路の配線の基本原理は 5.1 74HC595シフトレジスタの使用方法 とほぼ同じですが、異なる点は、Q0～Q7が4桁7セグメントディスプレイのa～gピンに接続されることです。
さらに、G10～G13は、どの7セグメントディスプレイを動作させるかを制御します。
配線図
セグメント接続（220Ω抵抗を通して）:
Q0 → セグメント a
Q1 → セグメント b
Q2 → セグメント c
Q3 → セグメント d
Q4 → セグメント e
Q5 → セグメント f
Q6 → セグメント g
Q7 → セグメント **dp**（小数点）
共通カソード接続（桁選択ピン）:
桁1（左端桁）: GP10 に接続
桁2: GP11 に接続
桁3: GP12 に接続
桁4（右端桁）: GP13 に接続
コードの記述
注釈
5.3_time_counter.inoをnewton-lab-kit/arduino/5.3_time_counterフォルダから開くことができます。または、以下のコードを Arduino IDE にコピーしてください。
Raspberry Pi Pico 2 ボードを選択し、適切なポートを選択して「アップロード」をクリックしてください。
// Define the connection pins for the shift register
#define DATA_PIN 18 // DS (Serial Data Input)
#define LATCH_PIN 19 // STCP (Storage Register Clock)
#define CLOCK_PIN 20 // SHCP (Shift Register Clock)
// Define the digit control pins for the 4-digit 7-segment display
const int digitPins[4] = { 10, 11, 12, 13 }; // DIG1, DIG2, DIG3, DIG4
// Segment byte maps for numbers 0-9
const byte digitCodes[10] = {
// Pgfedcba
0b00111111, // 0
0b00000110, // 1
0b01011011, // 2
0b01001111, // 3
0b01100110, // 4
0b01101101, // 5
0b01111101, // 6
0b00000111, // 7
0b01111111, // 8
0b01101111 // 9
};
unsigned long previousMillis = 0; // Stores the last time the display was updated
unsigned int counter = 0; // Counter value
void setup() {
// Initialize the shift register pins
pinMode(DATA_PIN, OUTPUT);
pinMode(LATCH_PIN, OUTPUT);
pinMode(CLOCK_PIN, OUTPUT);
// Initialize the digit control pins
for (int i = 0; i < 4; i++) {
pinMode(digitPins[i], OUTPUT);
digitalWrite(digitPins[i], HIGH); // Turn off all digits
}
}
void loop() {
unsigned long currentMillis = millis();
// Update the counter every 1000 milliseconds (1 second)
if (currentMillis - previousMillis >= 1000) {
previousMillis = currentMillis;
counter++; // Increment the counter
if (counter > 9999) {
counter = 0; // Reset counter after 9999
}
}
// Display the counter value
displayNumber(counter);
}
void displayNumber(int num) {
// Break the number into digits
int digits[4];
digits[0] = num / 1000; // Thousands
digits[1] = (num / 100) % 10; // Hundreds
digits[2] = (num / 10) % 10; // Tens
digits[3] = num % 10; // Units
// Display each digit
for (int i = 0; i < 4; i++) {
digitalWrite(digitPins[i], LOW); // Activate digit
shiftOutDigit(digitCodes[digits[i]]);
delay(5); // Small delay for multiplexing
digitalWrite(digitPins[i], HIGH); // Deactivate digit
}
}
void shiftOutDigit(byte data) {
// Send data to the shift register
digitalWrite(LATCH_PIN, LOW);
shiftOut(DATA_PIN, CLOCK_PIN, MSBFIRST, data);
digitalWrite(LATCH_PIN, HIGH);
}
コードをアップロードすると、4桁7セグメントディスプレイが「0000」からカウントを開始し、1秒ごとに1ずつ増加します。 カウントの進行は次のようになります：0000、0001、0002、...、9999、その後0000にリセットされます。
コードの理解
制御ピンの定義:
DATA_PIN (DS): 74HC595にシリアルデータを送信LATCH_PIN (STCP): シフトレジスタのデータを出力ピンに固定CLOCK_PIN (SHCP): シフトレジスタへのデータ送信を制御
#define DATA_PIN 18 // DS (シリアルデータ入力) #define LATCH_PIN 19 // STCP (ストレージレジスタクロック) #define CLOCK_PIN 20 // SHCP (シフトレジスタクロック)
桁制御ピンの定義:
各桁の共通カソードは個別のGPIOピンに接続されます。
LOW に設定するとその桁が有効になり、HIGH で無効になります。
const int digitPins[4] = {10, 11, 12, 13}; // DIG1, DIG2, DIG3, DIG4
セグメントのバイトマップ作成:
各バイトは、共通カソードの7セグメントディスプレイに表示する数字 (0～9) のセグメントを表します。
各ビットはセグメント a から g および dp に対応しています。
const byte digitCodes[10] = { 0b00111111, // 0 0b00000110, // 1 0b01011011, // 2 0b01001111, // 3 0b01100110, // 4 0b01101101, // 5 0b01111101, // 6 0b00000111, // 7 0b01111111, // 8 0b01101111 // 9 };
セットアップ関数:
DATA_PIN、LATCH_PIN、CLOCK_PINを出力ピンとして設定。すべての桁制御ピンを
HIGHに設定し、最初はすべての桁を無効化。
void setup() { // シフトレジスタのピンを初期化 pinMode(DATA_PIN, OUTPUT); pinMode(LATCH_PIN, OUTPUT); pinMode(CLOCK_PIN, OUTPUT); // 桁制御ピンの初期化 for (int i = 0; i < 4; i++) { pinMode(digitPins[i], OUTPUT); digitalWrite(digitPins[i], HIGH); // 初期状態で全桁をオフ } }
ループ関数:
millis()を使用し、プログラムをブロックせずに経過時間を追跡。counterを1秒ごとに増加し、9999を超えたらリセット。
void loop() { unsigned long currentMillis = millis(); // 1000ミリ秒 (1秒) ごとにカウンターを更新 if (currentMillis - previousMillis >= 1000) { previousMillis = currentMillis; counter++; // カウントを増加 if (counter > 9999) { counter = 0; // 9999を超えたらリセット } } // カウンター値を表示 displayNumber(counter); }
数値の表示:
counterの値を千の位、百の位、十の位、一の位に分割。各桁を順番にアクティブにし、対応するセグメントデータを送信後、非アクティブに。
高速で桁を切り替えることで、すべての桁が同時に点灯しているように見せる。
void displayNumber(int num) { // 数値を個々の桁に分解 int digits[4]; digits[0] = num / 1000; // 千の位 digits[1] = (num / 100) % 10; // 百の位 digits[2] = (num / 10) % 10; // 十の位 digits[3] = num % 10; // 一の位 // 各桁を順番に表示 for (int i = 0; i < 4; i++) { digitalWrite(digitPins[i], LOW); // 現在の桁を有効化 // 現在の桁に対応するセグメントデータを送信 shiftOutDigit(digitCodes[digits[i]]); delay(5); // マルチプレクシングのための短い遅延 digitalWrite(digitPins[i], HIGH); // 現在の桁を無効化 } }
セグメントデータのシフト出力:
74HC595シフトレジスタにセグメントデータを送信。
shiftOut()を使用して、最上位ビット (MSBFIRST) から1ビットずつ送信。LATCH_PINをトグルして出力ピンにデータをラッチ。
void shiftOutDigit(byte data) { // シフトレジスタにデータを送信 digitalWrite(LATCH_PIN, LOW); shiftOut(DATA_PIN, CLOCK_PIN, MSBFIRST, data); digitalWrite(LATCH_PIN, HIGH); }
さらなる実験
リセットボタンを追加する:
ボタンをPicoに接続し、押したらカウンターがリセットされるようにします。
異なるデータを表示する:
センサーの値 (温度や光の強さ) を表示するようにコードを変更できます。
ストップウォッチを作成する:
スタート、ストップ、リセット機能を追加し、ストップウォッチとして使用できるようにします。
結論
このプロジェクトでは、シフトレジスタを使用して4桁7セグメントディスプレイを制御する方法を学びました。 millis() を利用して適切なタイミング管理を行い、表示の滑らかさを損なうことなく正確な時間カウンターを実現しました。