[아두이노] 2-Digit 7-Segment Display

IOT/아두이노|2019. 6. 13. 09:00

[아두이노] 2-Digit 7-Segment Display

지난 시간까지 해서 시간에 대해서 여러가지 원리에 대해서 살펴 보았습니다. 오늘은 7-Segment Display을 이용하여 지난 시간에 공부했던 코딩 결과를 출력해보는 시간을 갖도록 하죠. 원래는 4-Digit 7-Segment Display를 회로도를 만들어서 실험한 결과를 보여드릴려고 했는데 회로도를 너무 복잡하고 지져분하게 표현하면 가독성이 떨어지기 때문에 간단히 2개로 2-Digit 7-Segment Display로 구성하고 출력 원리만 설명하면 될 것 같아서 회로도를 최소화 했습니다. 실제 실험을 하신다면 이 원리를 기반으로 4-Digit 7-Segment Display로 실험하셔도 됩니다.


1. 7-Segment 복습

너무 오래전에 이야기 했던 거라 간단히 복습차원으로 설명할께요. 각 post 연계를 하면서도 해당 post는 독립적인 내용을 담고 있어야 해서 어쩔 수 없이 중복된 복습 내용을 간단히 소개하도록 하게 합니다.


위 그림처럼 a,b,c,d,e,f,g,dp 핀과 com1,2핀으로 기본 구성되어 있습니다.


  • 애노드 : com1,2 중 하나에 Vcc가 공급되고 나머지 a,b,c,d,e,f,g,dp에 0V(gnd)상태가 되면 LED에 불이 들어옴
  • 캐소드 : com1,2 중 하나에 Gnd에 연결되면 나미저 a,b,c,d,e,f,g,dp에 5V(Vcc)상태가 되면 LED에 불이 들어옴

이 두 개념만 가지고 있으면 됩니다. LED은 +,-가 연결되어 불이 들어오기 때문에 7-Segment도 한쪽이 +면 반대쪽이 -가 되어야 불이 들어옵니다. 어떤 원리인지 아시겠지요.

참고로, 실험은 애노드 2-Digit 7-Segment Display 회로도로 구성했습니다. 실제로 4-Digit 7-Segment Display를 구매 하시면 캐소드 부품으로 실험 하실 꺼에요. 혹시, 자신이 쓰는 부품이 다를 수 있으니 부품에 대한 데이터시트를 꼭 확인하시고 실험하세요. 왜! 불이 안들어오지 하는 이유가 대부분 핀 연결을 반대로 하는 경우가 대부분입니다. 그리고, 왜! 숫자가 정상적으로 안나오지 하면 애노드와 캐소드는 a,b,c,d,e,f,g,dp 핀 값이 반대 값을 갖기 때문에 반대 LED에 불이 들어오는 경우입니다. 꼭! 제대로 확인하시고 실험하시기 바랍니다.

2. 2-Digit 7-Segment Display 원리(애노드형)

2-Digit 7-Segment Display or 4-Digit 7-Segment Display 의 원리는 동일합니다. 같은 a,b,c,d,e,f,g,dp핀을 공유하고 Vcc핀은 각각의 7-Segment의 전원을 공급하는 별도 핀으로 나눠주면 2개든 4개든 상관없이 동시에 제어가 가능합니다.


위 그림처럼 각각 D1의 7-Segment와 D2의 7-Segment에 HIGH 되면 a,b,c,d,e,f,g,dp핀이 LOW가 되면 LED에 불이 들어오는데 D1, D2가 동시에 HIGH되면 2개의 7-Segment에는 동일한 문자가 출력됩니다. 2개의 7-Segment에 서로 다른 문자가 출력되게 할려면 각 D1, D2의 전원 공급의 시간차를 두고 a,b,c,d,e,f,g,dp핀을 제어하면 됩니다. 즉, 전류 공급에 의한 일시적 잔상효과를 이용한 방법이지요.

두개의 7-Segment에 시간차 전원 공급으로 문자를 출력하게 함으로서 서로 다른 문자를 출력할 수 있게 됩니다. 여기서, 주의할 점은 시간차의 값이 크면 동시에 출력되는 효과를 볼 수 없으며 시간차를 최소화 하여 잔상효과로 동시에 2개의 7-Segment에 문자가 출력되는 듯한 착시효과가 나타나게 시간차를 잘 조절하셔야 합니다.

//D1 출력
digitalWrite(D1, HIGH); 
for(int i=0;i<7;i++){
   digitalWrite(segPin[i], D1문자LED값);        
}
digitalWrite(segPin[7], dp);
delayMicroseconds(1000);
digitalWrite(D1, LOW); 

//D2 출력
digitalWrite(D2, HIGH); 
for(int i=0;i<7;i++){
   digitalWrite(segPin[i], D2문자LED값);        
}
digitalWrite(segPin[7], dp);
delayMicroseconds(1000);
digitalWrite(D2, LOW);

이렇게 delayMicroseconds(1000)의 시간만큼 D1, D2 LED에 전원을 공급하게 됩니다. 이 명령문이 교대로 loop()함수로 반복하면 D1과 D2가 동시에 문자를 출력하는 효과가 발생합니다. (1초는 100만 마이크로 초)

참고로, 짧은 시간차를 이용하기 위해서 delay()함수 대신 delayMicroseconds()함수를 사용했네요.

같은 a,b,c,d,e,f,g,dp핀을 공유하면서 D1, D2의 전원 공급의 시간차로 서로 다른 문자를 출력할 수 있게 됩니다. 만약에 4-Digit 7-Segment Display 이면 D1, D2, D3, D4로 각각 시간차를 두고 전원을 공급한다면 4개의 문자가 동시에 출력되는 듯한 착시효과로 동시에 4개의 서로다른 문자를 출력하는 것 같은 결과를 얻게 됩니다.

3. 2-Digit 7-Segment Display 회로도

  • 준비물 : 7-Segment 2개, 330옴 2개, 아두이노우노
  • 내용 : 애노드형 방식으로 핀은 연결하는데 a,b,c,d,e,f,g,dp은 원하는 디지털핀에 연결하시오.


혹시, 위 그림이 복잡해 보이시면 사전학습 Post [아두이노] 7 Segment LED 제어 의 글을 보시면 애노드형으로 한개짜리 7-Segment로 구성된 회로도가 있을 꺼에요. 그걸 보시고 한개 더 중복해서 연결하시면 됩니다.

4. 숫자 카운트 코딩(0~99)

위의 2-Digit 7-Segment Display 원리의 코딩을 기반으로 숫자를 카운트 해 볼까요.

1) LED 숫자 패턴 만들기

//a,b,c,d,e,f,g
byte segValue[10][7] = { //애노드형
   {0,0,0,0,0,0,1}, //0
   {1,0,0,1,1,1,1}, //1
   {0,0,1,0,0,1,0}, //2
   {0,0,0,0,1,1,0}, //3
   {1,0,0,1,1,0,0}, //4
   {0,1,0,0,1,0,0}, //5
   {0,1,0,0,0,0,0}, //6
   {0,0,0,1,1,1,1}, //7
   {0,0,0,0,0,0,0}, //8
   {0,0,0,0,1,0,0}  //9  
};

D1의 숫자를 만든다면 D1이 Vcc면 a,b,c,d,e,f,g의 핀이 0일때 불이 들어옵니다

0의 숫자를 만들려면 LED에 불은 g핀을 제외한 나머지가 다 0이 되어야 합니다.

0 => 0,0,0,0,0,0,1

나머지 숫자도 이런식으로 만들면 됩니다, 참고로 저장변수공간을 줄일려면 아예 7개의 값을 byte형으로 만드셔도 됩니다.

0 => 0,0,0,0,0,0,1 =>OB00000010

이렇게 해서 10개의 byte 배열변수로 만들면 저장공간을 대폭 줄일 수 있습니다. 이해를 돕기 위해서 그냥 개별적으로 저장공간에 하나의 상태값만 저장되게 코딩하겠습니다. 'OB00000010'으로 표현하면 bitRead()함수로 각각 해당 위치의 값을 읽어와서 해당 LED에 불이 들어오게 제어하는 코딩을 하면 되는데 이 부분은 여러분들에게 숙제로 남겨두겠습니다.

2) millis()함수로 시간값 쪼개기

시간 함수에 대해서 지난 시간에 꽤 오래 동안 몇일에 걸쳐 이야기를 했기 때문에 생략하고 간단히 코딩으로 소개하는 수준으로 넘어가겠습니다.

readTime = millis()/1000; //초단위로 만듬
d1 = readTime%10; //1의 자리
d2 = (readTime/10)%10; //10의 자리

millis()함수로 읽은 타이머 시간값을 1000으로 나눠서 초단위로 시간값으로 readTime변수에 저장합니다. 이 초 값을 지난시간에 배웠던 방식으로 1의 자리와 10의 자리로 분리해 내서 d1, d2의 해당 숫자를 저장합니다.

3) 숫자 출력

위 2-Digit 7-Segment Display 원리에서 Segment의 숫자를 출력하기 위해서 코딩부분을 따로 외부 사용자정의 함수로 빼서 아래와 같이 segOutput()함수로 만들었습니다. d은 digit 위치이고, Number은 출력되는 숫자, dp은 Segment의 왼쪽 사이드에 있는 dot LED의 상태값입니다.

//LED 출력
void segOutput(int d, int Number, int dp){ 
  segClear();
  digitalWrite(digitPin[d], HIGH); 
  for(int i=0;i<7;i++){
     digitalWrite(segPin[i], segValue[Number][i]);        
  }
  digitalWrite(segPin[7], dp);
  delayMicroseconds(1000);
  digitalWrite(digitPin[d], LOW); 
}

코딩에 보시면 segClear()함수가 있는데 이것 역시 사용자 정의 함수로 제가 만든 함수입니다. 함수단어명을 유심히 보면 Segment를 뭔가 Clear한다는 의미를 담고 있는 걸 보실 수 있을거에요. 즉, LED를 초기화 상태로 되돌리는 함수를 하나 더 만들었습니다.

그 이유는, 연속으로 각 Segment에 숫자를 출력하면 한쪽 Segment의 값이 유지된 상태에서 다른 Segment에 LED에 불이 들어오게 할때 기존에 남아 있는 a,b,c,d,e,f,g,dp핀의 상태값이 유지된 상태에서 전류가 일시적으로 공급되어 양쪽 Segment에 일부 핀에 전류가 동시 공급되는 현상이 발생합니다. 그래서 잔상으로 두 Segment의 일부 LED에 불이 겹쳐서 나오게 됩니다. 그렇기 때문에 각 Segment에 불이 들어오게 하기전에 초기화 작업을 해줘야 겹치는 LED의 문제를 해결 할 수 있습니다.

void segClear(){
  for(int i=0;i<8;i++){
    digitalWrite(segPin[i], HIGH);        
  }
}

이렇게 간단하게 a,b,c,d,e,f,g,dp핀 HIGH 상태로 초기화 하시면 됩니다.

4) 전체소스

//a,b,c,d,e,f,g 상태값
byte segValue[10][7] = { //애노드형
   {0,0,0,0,0,0,1}, //0
   {1,0,0,1,1,1,1}, //1
   {0,0,1,0,0,1,0}, //2
   {0,0,0,0,1,1,0}, //3
   {1,0,0,1,1,0,0}, //4
   {0,1,0,0,1,0,0}, //5
   {0,1,0,0,0,0,0}, //6
   {0,0,0,1,1,1,1}, //7
   {0,0,0,0,0,0,0}, //8
   {0,0,0,0,1,0,0}  //9  
};

byte segPin[8]={2,3,4,5,6,7,8,9}; //사용핀{a,b,c,d,e,f,g,dp} 순서대로임
byte digitPin[2] = {A0,A1}; //segment 위치 핀

unsigned long readTime=0; //현재시간
int d1 = 0; //1의 자리
int d2 = 0; //10의 자리

void setup() {
  for(int i=0;i<10;i++){
    pinMode(segPin[i], OUTPUT);
  }
  pinMode(digitPin[0], OUTPUT);
  pinMode(digitPin[1], OUTPUT);    
  digitalWrite(digitPin[0], LOW); 
  digitalWrite(digitPin[1], LOW);      
}

void loop() {  
  //시간 갱신
  readTime = millis()/1000;
  d1 = readTime%10; //1의 자리
  d2 = (readTime/10)%10; //10의 자리
  
  segOutput(1,d1,1); //1의 자리
  if(readTime>=10) segOutput(0,d2,1); //10의 자리  
}
//LED 초기화
void segClear(){ 
  for(int i=0;i<8;i++){
    digitalWrite(segPin[i], HIGH);        
  }
}
//LED 출력
void segOutput(int d, int Number, int dp){ 
  segClear();
  digitalWrite(digitPin[d], HIGH); 
  for(int i=0;i<7;i++){
     digitalWrite(segPin[i], segValue[Number][i]);        
  }
  digitalWrite(segPin[7], dp);
  delayMicroseconds(1000);
  digitalWrite(digitPin[d], LOW); 
}

5. 결과



마무리

2-Digit 7-Segment Display를 만들어 보았습니다. 방식은 애노드형으로 회로도를 구성해 보았는데 지끔까지 아두이오 post에서 한번이상은 거론했던 내용들이라서 이전 post를 보셨던 분들은 복습의 시간이 되었을 듯 싶네요.

오늘의 핵심은,

digitalWrite(digitPin[d], HIGH); 
  for(int i=0;i<7;i++){
     digitalWrite(segPin[i], segValue[Number][i]);        
  }
  digitalWrite(segPin[7], dp);
  delayMicroseconds(1000);
digitalWrite(digitPin[d], LOW);

위 코딩은 2-Digit 7-Segment Display에 숫자를 출력하기 위한 핵심 코딩입니다. 이부분만 이해하신다면 어떤 숫자나 문자든 쉽게 2-Digit 7-Segment Display에 출력할 수 있게 됩니다.

다시 보시면,

digitalWrite(digitPin[d], HIGH); 
숫자 LED 출력;
delayMicroseconds(1000);
digitalWrite(digitPin[d], LOW);

이 로직으로 애노드형이기 때문에 digitPin[d]은 특정 위치의 7-Segment이고 전원을 공급 HIGH로 시작합니다. 전원이 공급될 때 출력 LED의 상태 LOW가 결정되고 그 상태를 delayMicroseconds(1000)의 딜레이시간동안 유지합니다. 즉, 해당 숫자가 딜레이시간만큼 전원이 공급된다는 의미이지요. 그리고 나서 digitPin[d] 전원공급 해체 LOW로 하나의 숫자를 7-Segment에 출력시키는 최소 시간의 로직이 됩니다.

이걸 기반으로 여러개의 7-Segment에 숫자들을 출력하여 동시에 출력되는 듯한 착시효과를 부여하게 됩니다. 몇줄 안되는 이 로직을 꼭 기억해 주세요. 이걸 이해하시게 되면 나중에 스톱워치, 시계, 온도계 등 과 같은 여러 숫자값을 출력하는 장치로 활용할 수 있습니다. 지난 시간에 시간에 관한 여러가지 원리를 배웠는데 그 결과를 7-Segment에 출력할 수 있습니다.

한번 오늘 배운 회로도를 가지고 지난 시간에 배웠던 것들을 한번 적용해 보셨으면 합니다. 저도 몇가지 가상과 실제로 실험하여 post를 할 예정입니다. 어떤 값을 출력할지는 아직 결정되지 않았고 아마도 시간 관련해서 출력하는 장치로 실험을 할 것 같습니다. 여러분들도 한번 오늘 배운 내용을 토대로 어떤 부품의 출력장치로 사용할지 상상의 나래를 펼쳐 보세요.


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