7セグメントディスプレイの使い方：Arduinoで数字を表示する、アノードコモンとカソードコモンの違い

7セグメントディスプレイは、数字の「8」の形に並べた7本の棒状のLEDと小さな点でできたシンプルな表示器です。デジタル時計、電子レンジのタイマー、スコアボード、ガソリンスタンドの給油機などに使われています。安くてとても明るく、遠くからでも読みやすいのが特長です。Arduinoのプロジェクトでは、カウンター、サイコロ、ストップウォッチ、時計を作るための定番の出力部品のひとつです。

7セグメントディスプレイはどう動く？

セグメントにはアルファベットの名前が付いています。上のaから時計回りに、b（右上）、c（右下）、d（下）、e（左下）、f（左上）と続き、真ん中の棒がg、点がdpです。各セグメントは実際にはそれぞれ独立したLEDで、どれを点けるかによって違う数字ができます。たとえば「1」ではbとcだけが点き、「8」では7本すべてが点きます。

カソードコモンかアノードコモンか？

RGB LEDと同じく、すべてのセグメントの片側は共通ピンにまとめられています。カソードコモンのディスプレイでは共通ピンをGNDにつなぎ、セグメントにHIGHを与えると点きます。アノードコモンのディスプレイでは共通ピンを5Vにつなぎ、セグメントにLOWを与えると点きます。外から見ると同じなので、どちらかを調べるには、共通ピンをGNDにつなぎ、セグメントのピンを220 Ωの抵抗を通して5Vに当ててみます。セグメントが点けばカソードコモンです。点かなければ、接続を逆にしてもう一度試してください。

ピン配置とArduinoへの配線

一般的な10ピンの1桁ディスプレイでは、表示面を手前に向けたとき、左下から反時計回りにピン番号が振られています。真ん中の2本のピン（3と8）が共通端子で、内部でつながっています。下の表は、ディスプレイのピンと、この記事のコードで使うArduinoのピンの両方を示しています。

Arduinoで0から9まで数える

各数字でどのセグメントを点けるかをビットとして配列に保存すると、コードが短くなります。下の例では、各バイトのいちばん左のビットがセグメントa、いちばん右のビットがセグメントgです。showDigit()関数はこれらのビットを1つずつ読み取ってピンに書き込みます。アノードコモンのディスプレイを使う場合は、COMMON_ANODEをtrueにするだけです。

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桁ディスプレイとダイナミック点灯

4桁のディスプレイには、32本の独立したセグメントピンがあるわけではなく、ピンは12本だけです。全桁で共有する8本のセグメント線（a〜gとdp）と、どの桁を点けるかを選ぶ4本のピンです。セグメント線が共有されているので、同じ瞬間に桁ごとに違う数字を表示することはできません。解決策はダイナミック点灯（マルチプレクス）です。1桁目だけを数ミリ秒点け、次に2桁目、3桁目、4桁目と点けていきます。このサイクルを1秒に50回より速く繰り返すと、目には4桁すべてが同時に点いているように見えます。このスキャンを自分で書くより、SevSegライブラリを使うほうがずっと簡単です。

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}

TM1637モジュール：2本の線だけで4桁

12本の配線と絶え間ないスキャンが大変そうなら、TM1637モジュールがおすすめです。ドライバチップがダイナミック点灯を自分で行い、ArduinoはCLKとDIOピンを通してどの数字を表示するかを伝えるだけです。ほとんどの製品には、時計を作るための真ん中のコロン（:）もあります。ライブラリマネージャからAvishay Orpaz作のTM1637ライブラリをインストールしてください。下のコードは、コロン付きで分と秒を表示します。

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}

ESP32とRaspberry Pi Picoで7セグメントディスプレイを使う

1桁のディスプレイはESP32やPicoに直接つなげます。ピンの出力が3.3 Vなのでセグメントが少し暗くなるため、100〜150 Ωのような小さめの抵抗を使ってください。TM1637モジュールも3.3 Vで動き、ESP32では同じArduinoのライブラリで使えます。MicroPythonを使うPicoでは、tm1637.pyファイル（mcauser氏のライブラリ）をPicoにコピーするだけです。

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セグメント、LCD、OLEDのどれを選ぶ？

数字だけを表示できればよく、遠くからの読みやすさが大事なら、7セグメントディスプレイにかなうものはありません。文字や単位、メニューが必要ならI2C LCDディスプレイの使い方を見てみてください。

7セグメントディスプレイのプロジェクトアイデア

• 電子サイコロ：ボタンを押すと1〜6のランダムな数字を表示します。
• ボタンカウンター：1つのボタンで増え、もう1つのボタンでリセットされるカウンターを作ります。
• デジタル時計：TM1637とRTCモジュールで、停電しても時刻を保つ時計を作ります。
• カウントダウン：ボードゲームや実験に使える、時間を設定できるタイマーです。
• 温度表示：DHT11で測った温度を大きな数字で表示します。
• 反応速度テスト：LEDが点いてからボタンを押すまでの速さをミリ秒で表示します。

よくあるミスと直し方

• どのセグメントもまったく点かない：共通ピンのつなぎ先が違います。アノードコモンのディスプレイをGNDにつないでいる可能性があります。
• 数字がめちゃくちゃに見える：セグメントとArduinoのピンの対応が違っています。セグメントを1つずつ点けて確認してください。
• 一部の数字が暗い：共通ピンに抵抗が1本だけ付いています。セグメントごとに別の抵抗を使ってください。
• 4桁ディスプレイで1桁しか点かない、またはちらつく：loop()にdelay()があるか、スキャンの頻度が足りていません。
• 点くべきセグメントが消え、ほかが点いている：アノードコモンとカソードコモンを取り違えています。COMMON_ANODEを変えてください。
• ピンが足りない：TM1637モジュール、MAX7219ドライバ、または74HC595シフトレジスタでピン数を減らしてください。

各セグメントが実はLEDだと知ることが、7セグメントディスプレイを理解するカギです。基本についてはLEDとは？を見てみてください。BlueGraysアプリには、0〜9のカウント、ボタンカウンター、サイコロ、4桁のデジタル時計、爆弾アニメーションのプロジェクトが回路図とコード付きでステップごとに載っています。