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兒童電子學(VIII)：七段LED顯示器

作者 : Giovanni Di Maria，EEWeb特約作者

本文分析一種由單個LED二極體所構成的更複雜元件，即7段LED顯示器。它的功能是再現十個數字和字母表中的一些字母。

在之前的文章中，我們探討了將LED二極體用作小光源的行為，瞭解到保護電阻對點亮這種元件的重要性。在本文中，我們將分析一種由單個LED二極體所構成的更複雜有用的元件，即7段LED顯示器。它的功能是再現十個數字和字母表中的一些字母。

什麼是7段LED顯示器？

7段顯示器是能夠顯示數字0到9 (0、1、2、3、4、5、6、7、8、9)以及一些圖形和字母符號的發光元件。

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這種元件是根據待顯示數字的形狀，經由點亮七個燈段來進行顯示的。這種方案簡單明瞭，價格合理。

由於其多功能性，這種元件使用已有幾十年了。數字和字母經由開啟七個LED燈段，相互適當組合而進行顯示(參見圖1中的操作圖)。該元件廣泛用於手錶、測量儀器、收音機等；近年來已被液晶顯示器(LCD)所取代，因為後者的能耗要低幾千倍。但是，7段LED顯示器是不可替代的——因為這種元件能夠自我發光，所以可以在絕對黑暗的環境中看到。一個LED二極體對應一個段，必須用一個小的保護電阻來驅動。從接線圖可以看出，在結構上，它還多了一個LED二極體，呈點狀，也就構成了小數點。它的工作原理與其他七個LED完全相同。

圖1：7段LED顯示器及其接線圖、封裝和接腳排列。

為了形成數字和一些字母，必須向顯示器的各個端子提供電壓，從而創建各種內部LED二極體的發光組合。特別是必須啟動以下顯示器輸入：

數字0：a、b、c、d、e、f段；
數字1：b、c段；
數字2：a、b、d、e、g段；
數字3：a、b、c、d、g段；
數字4：b、c、f、g段；
數字5：a、c、d、f、g段；
數字6：a、c、d、e、f、g段；
數字7：a、b、c段；
數字8：a、b、c、d、e、f、g段；
數字9：a、b、c、d、f、g段。

其他可以組成的字母有：A、b、C、d、E、F。有些必須大寫，有些必須小寫。最終，只有七個燈段可用。

讓我們打開數字6！

我們現在準備點亮顯示器，例如，讓它顯示數字6。從上面的清單中，可以看到數字6是由a、c、d、e、f和g六個段的組合形成的。因此，就可以創建圖2所示的接線圖。至於與公共端(COM)的連接，使用上端或下端就無所謂。在本例中，沒有使用小數點，因此不需要將其連接到電路；“b”段的端子也不需要連接。電路可立即工作，一旦連接電池，構成數字6的段就立即亮起。有趣的是，每個七段顯示器所消耗的電流與打開LED的數量相等。換言之，顯示器顯示數字“1”時能耗最低，而顯示器顯示數字“8”時能耗最高。市場為用戶提供了不同類型的顯示器，包括可顯示的位元數和顏色範圍。

圖2：如何在顯示器上創建和打開數字6。

建構手動可編程LED顯示器

可以建構一個小型的手動可編程顯示器原型以獲得更多的電子經驗。在這種情況下，我們要瞭解麵包板，這是一種特殊的穿孔板，可以在其上放置電子元件而無需進行任何焊接。電子元元件可以透過插入由剛性電線組成的電氣跳線相互連接。接線看起來很複雜，但實際上非常簡單，遵循圖3中所示的元件排列就足夠了。

圖3：簡單的手動可程式設計顯示器。

該電路由9V電池供電。它的電流通過七個保護電阻，這次的值為470Ω；然後會遇到控制單個顯示器段的開關。如果開關閉合，電流流過後到達顯示器。否則，就不會有電子迴圈、光段保持關閉。組合開關的不同位置，可以形成所有的數字、字母表中的一些字母，甚至一些花哨的符號。

敢於冒險的孩子們還可以使用大量的LED二極體，當然還有更強大的電源，來建構更寬的顯示器。這需要以下電子元元件，如圖4的接線圖所示：

9V電池；
7個220Ω電阻器；
21個普通紅色LED二極體。

在實務方面，需要一個巨大的顯示器，每段包含三個LED二極體，總共有21個發光元件。LED可以安裝在紙板、木頭或塑膠支架上。在前側，應只能看到LED二極體的頭部，而連接則應隱藏在該結構的後部。在這種情況下，實現也很簡單。只需要最大程度地注意整個佈線系統的正確與否以及結構的設計即可。

圖4：巨型顯示器接線圖。

總結

電子學有助於引起孩子們的好奇心和學習更多知識的欲望。循序漸進的成長路徑能夠讓孩子們以愉快而輕鬆的方式熟悉這一研究領域的基礎知識。最好在遵守所有安全程式並僅使用電池和電池為電路供電的同時進行任何類型的實驗。

編譯：Franklin

(參考原文：Electronics for Kids: Part 8 – Seven-segment LED Display，by Giovanni Di Maria)

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