7-Segment-Anzeige verwenden: Zahlen anzeigen mit Arduino, gemeinsame Anode oder Kathode

Eine 7-Segment-Anzeige ist eine einfache Anzeige aus sieben balkenförmigen LEDs, die wie die Ziffer "8" angeordnet sind, plus einem kleinen Punkt. Digitaluhren, Mikrowellen-Timer, Anzeigetafeln und Zapfsäulen nutzen sie. Sie ist günstig, sehr hell und auch aus der Entfernung gut lesbar. In Arduino-Projekten ist sie eine der klassischen Ausgaben für Zähler, Würfel, Stoppuhren und Uhren.

Wie funktioniert eine 7-Segment-Anzeige?

Die Segmente werden mit Buchstaben bezeichnet: Oben beginnt a, dann folgen im Uhrzeigersinn b (oben rechts), c (unten rechts), d (unten), e (unten links) und f (oben links); der mittlere Balken ist g, der Punkt dp. Jedes Segment ist eigentlich eine eigene LED, und je nachdem, welche leuchten, entstehen verschiedene Ziffern. Für die "1" leuchten zum Beispiel nur b und c, für die "8" alle sieben.

Gemeinsame Kathode oder gemeinsame Anode?

Wie bei einer RGB-LED ist ein Ende aller Segmente an einem gemeinsamen Pin verbunden. Bei einer Anzeige mit gemeinsamer Kathode kommt der gemeinsame Pin an GND, und ein Segment leuchtet bei HIGH. Bei gemeinsamer Anode kommt der gemeinsame Pin an 5V, und ein Segment leuchtet bei LOW. Von außen sehen beide gleich aus; welche du hast, findest du heraus, indem du den gemeinsamen Pin mit GND verbindest und einen Segmentpin über 220 Ω an 5V hältst. Leuchtet das Segment, ist es eine gemeinsame Kathode; wenn nicht, dreh die Verbindung um und versuch es erneut.

Pinbelegung und Anschluss am Arduino

Bei gängigen einstelligen Anzeigen mit 10 Pins werden die Pins – mit der Vorderseite zu dir – unten links beginnend gegen den Uhrzeigersinn nummeriert. Die beiden mittleren Pins (3 und 8) sind der gemeinsame Anschluss und intern verbunden. Die Tabelle zeigt die Pins der Anzeige und die Arduino-Pins, die der Code in diesem Beitrag verwendet:

Mit dem Arduino von 0 bis 9 zählen

Speicherst du als Bits in einem Array, welche Segmente jede Ziffer einschaltet, bleibt der Code kurz. Im Beispiel unten ist das linke Bit jedes Bytes Segment a, das rechte Segment g. Die Funktion showDigit() liest die Bits einzeln und schreibt sie auf die Pins; bei einer Anzeige mit gemeinsamer Anode setzt du einfach COMMON_ANODE auf true.

1const int SEG_PINS[7] = {2, 3, 4, 5, 6, 7, 8};   // a, b, c, d, e, f, g
2const bool COMMON_ANODE = false;                 // ortak anotsa true / true for common anode
3
4// her rakam için a–g segmentleri (1 = yanar) / a–g segments per digit (1 = on)
5const byte DIGITS[10] = {
6  0b1111110, // 0
7  0b0110000, // 1
8  0b1101101, // 2
9  0b1111001, // 3
10  0b0110011, // 4
11  0b1011011, // 5
12  0b1011111, // 6
13  0b1110000, // 7
14  0b1111111, // 8
15  0b1111011  // 9
16};
17
18void showDigit(int n) {
19  for (int i = 0; i < 7; i++) {
20    bool on = DIGITS[n] & (1 << (6 - i));       // a en soldaki bit / a is the leftmost bit
21    digitalWrite(SEG_PINS[i], COMMON_ANODE ? !on : on);
22  }
23}
24
25void setup() {
26  for (int i = 0; i < 7; i++) pinMode(SEG_PINS[i], OUTPUT);
27}
28
29void loop() {
30  for (int n = 0; n <= 9; n++) {
31    showDigit(n);
32    delay(1000);
33  }
34}

4-stellige Anzeige und Multiplexing

Eine vierstellige Anzeige hat nicht 32 einzelne Segmentpins, sondern nur 12 Pins: 8 Segmentleitungen (a–g und dp), die alle Stellen gemeinsam nutzen, und 4 Pins, die auswählen, welche Stelle leuchtet. Weil die Segmentleitungen geteilt sind, kannst du nicht gleichzeitig verschiedene Ziffern auf verschiedenen Stellen anzeigen. Die Lösung heißt Multiplexing: Du lässt einige Millisekunden nur die 1. Stelle leuchten, dann die 2., die 3. und die 4. Wiederholt sich dieser Zyklus öfter als 50-mal pro Sekunde, sieht das Auge alle vier Stellen gleichzeitig. Statt das Scannen selbst zu schreiben, ist die Bibliothek SevSeg viel bequemer:

1#include "SevSeg.h"
2
3SevSeg sevseg;
4
5void setup() {
6  byte digitPins[] = {2, 3, 4, 5};                    // hane seçme pinleri / digit select pins
7  byte segmentPins[] = {6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13};  // a, b, c, d, e, f, g, dp
8  sevseg.begin(COMMON_CATHODE, 4, digitPins, segmentPins, true);  // dirençler segmentlerde / resistors on segments
9  sevseg.setBrightness(90);
10}
11
12void loop() {
13  sevseg.setNumber(millis() / 1000);   // geçen saniye / elapsed seconds
14  sevseg.refreshDisplay();             // sürekli çağrılmalı / must be called continuously
15}

Das TM1637-Modul: 4 Stellen über nur 2 Leitungen

Wenn dir 12 Kabel und ständiges Scannen zu mühsam sind, ist das TM1637-Modul genau richtig. Sein Treiberchip übernimmt das Multiplexing selbst; der Arduino teilt ihm über die Pins CLK und DIO nur mit, welche Zahl er zeigen soll. Die meisten Versionen haben in der Mitte zusätzlich einen Doppelpunkt (:) für Uhren. Installiere im Bibliotheksverwalter die Bibliothek TM1637 von Avishay Orpaz; der folgende Code zeigt Minuten und Sekunden mit Doppelpunkt:

1#include <TM1637Display.h>
2
3TM1637Display display(2, 3);   // CLK, DIO
4
5void setup() {
6  display.setBrightness(5);    // 0–7
7}
8
9void loop() {
10  int minutes = (millis() / 60000) % 60;
11  int seconds = (millis() / 1000) % 60;
12  // ortadaki iki noktayla dakika:saniye / minutes:seconds with the colon
13  display.showNumberDecEx(minutes * 100 + seconds, 0b01000000, true);
14  delay(200);
15}

7-Segment-Anzeige mit ESP32 und Raspberry Pi Pico

Eine einstellige Anzeige kannst du direkt an ESP32 oder Pico anschließen; da die Pins 3,3 V liefern, leuchten die Segmente etwas schwächer, nimm also kleinere Widerstände wie 100–150 Ω. Das TM1637-Modul läuft auch mit 3,3 V und wird am ESP32 mit derselben Arduino-Bibliothek genutzt. Für MicroPython auf dem Pico kopierst du einfach die Datei tm1637.py (die Bibliothek von mcauser) auf den Pico:

1import tm1637
2from machine import Pin
3import time
4
5tm = tm1637.TM1637(clk=Pin(16), dio=Pin(17))   # tm1637.py Pico'da olmalı / tm1637.py must be on the Pico
6tm.brightness(4)                               # 0–7
7
8count = 0
9while True:
10    tm.number(count)        # -999 … 9999
11    count += 1
12    time.sleep(1)

7-Segment, LCD oder OLED?

Musst du nur Zahlen zeigen und kommt es auf Lesbarkeit aus der Ferne an, ist die 7-Segment-Anzeige unschlagbar. Brauchst du Text, Einheiten und Menüs, lies I2C-LCD-Display verwenden.

Projektideen mit der 7-Segment-Anzeige

• Elektronischer Würfel: auf Tastendruck eine Zufallszahl von 1 bis 6 zeigen.
• Tasterzähler: ein Zähler, der mit einem Taster hochzählt und mit einem anderen zurücksetzt.
• Digitaluhr: eine Uhr mit TM1637 und RTC-Modul, die auch bei Stromausfall die Zeit behält.
• Countdown: ein einstellbarer Timer für Brettspiele oder Experimente.
• Temperaturanzeige: die mit einem DHT11 gemessene Temperatur in großen Ziffern anzeigen.
• Reaktionstest: in Millisekunden zeigen, wie schnell du nach dem Aufleuchten einer LED den Taster drückst.

Typische Fehler und ihre Lösungen

• Kein Segment leuchtet: Der gemeinsame Pin hängt am falschen Potenzial; vielleicht hast du eine Anzeige mit gemeinsamer Anode an GND angeschlossen.
• Ziffern sehen wirr aus: Die Zuordnung von Segmenten zu Arduino-Pins stimmt nicht; prüfe jedes Segment einzeln.
• Manche Ziffern sind dunkel: Ein einzelner Widerstand sitzt am gemeinsamen Pin; nimm für jedes Segment einen eigenen.
• Bei 4 Stellen leuchtet nur eine oder alles flackert: In loop() steht ein delay() oder es wird nicht oft genug gescannt.
• Die Segmente, die leuchten sollen, sind aus, die anderen an: Gemeinsame Anode und Kathode sind verwechselt; ändere COMMON_ANODE.
• Die Pins reichen nicht: Mit TM1637-Modul, MAX7219-Treiber oder 74HC595-Schieberegister die Pinzahl verringern.

Zu wissen, dass jedes Segment eigentlich eine LED ist, ist der Schlüssel zum Verständnis der 7-Segment-Anzeige; die Grundlagen findest du in Was ist eine LED? In der BlueGrays-App findest du Projekte zum Zählen von 0 bis 9, Tasterzähler, Würfel, 4-stellige Digitaluhr und Bomben-Animation Schritt für Schritt mit Schaltplänen und Code.