Луч своими руками из светодиодной матрицы. Динамическая индикация

Светодиодные дисплеи-матрицы 8х8 бывают различных размеров и с ними интересно работать. Большие промышленные сборки имеют размер около 60 х 60 мм. Однако, если вы ищете намного большие LED матрицы, их найти трудно.

В этом проекте мы будем строить реально большую светодиодную матрицу LED дисплея, который составлен из нескольких крупных 8х8 светодиодных модулей, последовательно соединенных друг с другом. Каждый из этих модулей по размеру около 144 х 144 мм.

Особенность этого дисплея заключается в том, что при необходимости можно смотреть на фон позади него. Это дает свободу в творческом использовании этих дисплеев, например размещение их спереди от стеклянных панелей, чтоб была возможность увидеть происходящее позади дисплея.

Для этого проекта мы будем использовать 10 мм . Вы можете использовать и другие размеры. Обычно доступны размеры 3 мм, 5 мм, 8 мм, и 10 мм.

Хотя дисплей не предназначен для работы с любым микроконтроллером, мы будем использовать популярные платы Arduino и подключать его через SPI используя только 3 сигнальных провода.

Чтобы построить этот проект, требуются базовые знания электроники и пайки компонентов, а также некоторые знания по использованию Arduino. Прошивка .

Здесь нужно спаять светодиоды вместе, используя длинные ножки светодиодов. Вы можете использовать любой размер и цвет LED, но длина ноги (более 23 мм) должна быть достаточной, чтобы согнуть и спаять их между собой. Светодиоды расположены в виде матрицы 8х8, где катоды спаяны между собой для строк, а для столбцов - аноды.

Драйвер MAX7219 управляет динамической индикацией светодиодной матрицы. При проектировании, каждая светодиодная матрица 8х8 будет опираться на схему, используя следующие компоненты:

• 1 х MAX7219
• 1 х 10 мкф 16В электролитический конденсатор
• 1 х 0.1 UF керамический конденсатор
• 1 х 12 кОм резистор (0,25 ВТ)
• 1 х 24-контактное гнездо DIP IC

Обратите внимание, что вам может понадобиться выбрать другое значение резистора для работы с LED, что будете использовать. Этот резистор ограничивает максимальный ток на MAX7219, который на выходе будет подаваться на светодиоды.

А это видео показывает наглядно, как происходит монтаж светодиодной матрицы, электронной платы управления и простой тест, чтобы запустить её с помощью популярной платы Ардуино UNO/Nano.

Одним из важных достоинств данного преобразователя - он практически не нуждается в настройке, вся настройка сводится к подбору частотозадающего конденсатора микросхемы, им настраивают на нужную частоту, при увеличении емкости этого конденсатора частота уменьшается, при увеличении-повышается.

Преимущества светодиодов неоспоримы, сегодня они везде, в том числе и часах. Что представляют себя часы на светодиодных матрицах, о плюсах и недостатках разберем в рамках статьи. В конце статьи представлено подробное пошаговое руководство для изготовления устройства своими руками.

Что это такое

Часы на светодиодных матрицах - это электронные часы, в которых для индикации используются матрицы из множества светодиодов. Применение индикаторов другого типа - единственное их отличие.

Матрица - это набор светодиодов, собранных вместе в виде сетки с единым анодом или катодом. Как правило, разрешение таких индикаторов - количество точек по вертикали и горизонтали - 8×8.

Почему же такие часы набирают популярность, преимущества:

1. Цена. Светодиодные матрицы дешевле семисегментных индикаторов аналогичных размеров.
2. Яркость. Светодиоды горят ярче, чем семисегментные индикаторы, их лучше видно в местах, освещенных солнечными лучами. Многие производители также предусматривают конструктивную защиту диода от воздействия солнца.
3. Функциональность. При помощи матрицы из светодиодов можно выводить не только цифры, но также различные буквы, знаки препинания, символы. При помощи набора LED-матриц можно выводить некоторую информацию в виде бегущей строки.

Светодиодные матрицы имеют и недостатки:

• Увеличенная сложность управления. Из-за большого количества элементов (в стандартной матрице их 64) управлять матричными индикаторами чем семисегментными. Для этого применяются микроконтроллеры, динамическая индикация и сдвиговые регистры.
• Угол обзора. Особенность светодиодов состоит в том, что они фокусируют свет в одном направлении. Это приводит к тому, что изображение на светодиодной матрице видно хорошо только под определенным углом.
• Непереносимость высоких температур. Нагревание снижает эффективность светодиодов и уменьшает срок службы.
• Перегорание отдельных светодиодов приведет к эффекту «битого пикселя» и ухудшению качества изображения.

Самодельные часы на светодиодных матрицах

Несмотря на большую популярность часов на светодиодных матрицах, в Рунете не так уж и много схем для их самостоятельного изготовления. Рассмотрим самую популярную.

Необходимые навыки для сборки устройства:

• изготовление печатных плат;
• пайка элементов: схема предполагает SMD-исполнение, это значит, что элементы будут устанавливаться прямо на поверхность платы;
• прошивка микроконтроллеров: в схеме используется МК ATMega16A;
• программирование МК: это не обязательно, поскольку для данного устройства уже имеется прошивка контроллера. Этот навык пригодится, если вы захотите изменить режим работы часов или расширить их функционал, например, добавив дополнительные элементы такие, как датчики температуры или влажности.

Из инструментов понадобятся:

• набор для изготовления плат;
• программатор МК;
• паяльник.

Рассмотрим подробнее схему устройства. Главным управляющим элементом является МК ATMega16A, он обеспечивает следующие возможности прибора:

1. Отсчет времени и календарь. Ведется даже при отключении питания.
2. Будильник. Здесь их 9 штук, можно запрограммировать на работу по дням недели.
3. Измерение температуры. Конструкция часов позволяет установить два датчика температуры для измерений в комнате и на улице.
4. Режим бегущей строки. Выдает следующую информацию: день недели, месяц, год, температура.
5. Коррекция хода часов.

Большая часть функций возложена на микроконтроллер, что позволяет максимально разгрузить схему и использовать минимальное количество элементов.

В устройстве используется лишь две микросхемы: микроконтроллер и сдвиговый регистр TPIC6B595, также можно подключить два датчика температуры DS18B20 - один уличный, и второй комнатный.

Для индикации используются три светодиодные матрицы 8×8. В качестве диода D1 лучше использовать диод Шоттки. Диод в схеме обеспечивает переход на аварийное питание, а диод Шоттки обладает наименьшим падением напряжения и высокой скоростью переключения.

Процесс изготовления:

О некоторых особенностях при сборке часов на светодиодной матрице с ATMega 16A доступно рассказывается в следующем видео.

Часы на светодиодных матрицах имеют много преимуществ перед приборами с другим типом индикации: дешевле, не засвечиваются солнцем, с их помощью можно вывести большее количество информации. Существует большое количество моделей часов на led матрицах, и каждый найдет для себя девайс с требуемым функционалом. Также такие часы несложно изготовить самому, как вы увидели из пошагового руководства выше, это не требует особенных инструментов или специальных навыков.

Если вам вдруг понадобилась светодиодная матрица нестандартного размера или формы, то вы всегда сможете собрать ее собственными руками. Мы рассмотрим изготовление матрицы из ультрафиолетовых диодов, создав при этом своеобразный детектор подлинности денег. Это позволит вам проверять подлинность валюты, купленной у знакомых или на улице и быть уверенным в том, что вас не обманули.

В данном видео мы предлагаем вам посмотреть процесс создания такой светодиодной матрицы.

Для работы нам необходимо подготовить следующее:
- макетная плата;
- 100 светодиодов;
- паяльник;
- 100 резисторов;
- скотч;
- кусачки;

Подготовив все необходимое, приступаем к изготовлению светодиодной матрицы с размерами 100х100 мм.

Для питания светодиодов мы будем использовать напряжение в 5 В, резисторы используем с номиналом 470 Ом, это необходимо для задания нужной величины тока в 20 мА, проходящей через каждый светодиод.

Чтобы максимально упростить задачу создания светодиодной матрицы, соединим все светодиоды параллельно. Однако, при таком соединении очень важно помнить, что каждый светодиод должен иметь свой токоограничивающий резистор.

Сначала припаиваем на плату светодиоды. Для удобства закрепляем каждую состоящую из них линию скотчем, чтобы у нас была возможность перевернуть плату и запаять сразу все линию светодиодов.

Расставляем все светодиоды на плате. Обратите внимание, что эти радиоэлементы имеют анодный и катодный выводы. Чтобы не ошибиться - более длинный вывод имеет знак «+». Закрепляем их скотчем, чтобы временно зафиксировать их на месте.

Теперь переворачиваем нашу плату, с обратной стороны которой находятся выводы всех светодиодов и начинаем их друг за другом не спеша припаивать.

После запаивания первого ряда, чтобы выводы уже припаянных светодиодов не мешали дальнейшей работе можно откусить при помощи кусачек. Скотч убираем.

После того, как все светодиоды припаяны, их выводы откусаны, начинаем расставлять резисторы. Они не имеют полярностей, поэтому не имеет значения какой стороной их ставить.

Иногда требуется подключить к микроконтроллеру несколько семисегментных индикаторов или светодиодную матрицу, при этом для отображения информации используется динамическая индикация. Суть динамической индикации заключается в поочередном выводе информации на индикаторы. Ниже на схеме представлен пример соединения нескольких семисегментных индикаторов (для примера с общим катодом) для реализации динамической индикации, вообще с учетом точки получается 8 сегментов, но по старинке их называют именно так. Все выводы (аноды) одноименных сегментов соединяют вместе, итого 8 линий которые через резисторы подключают к микроконтроллеру. Общий катод каждого индикатора подключают к микроконтроллеру через транзистор.


Алгоритм индикации следующий: сначала устанавливаем на линиях требуемые логические уровни в зависимости от того какие сегменты надо включить на первом индикаторе (индикация слево направо), при этом высокий логический уровень для включения, низкий для выключения сегмента. Далее подаем высокий логический уровень на базу транзистора VT1, тем самым общий катод первого индикатора подключается к общему проводу, в этот момент загораются те сегменты, на анодах которых присутствует логическая единица. Через определенное время (пауза) индикатор отключаем, подав низкий логический уровень на базу транзистора, затем снова меняем логические уровни на линиях в соответствии с выводимой информацией, предназначенной для второго индикатора, и подаем сигнал включения на транзистор VT2. Таким образом, по порядку в круговом цикле коммутируем все индикаторы, вот и вся динамическая индикация.

Для получения цельного изображения без мерцаний, переключение необходимо выполнять с большой скоростью, для исключения мерцания светодиодов частоту обновления необходимо устанавливать от 70 Гц и более, я обычно устанавливаю 100 Гц. Для вышерассмотренной конструкции пауза рассчитывается следующим образом: для частоты в 100 Гц период равен 10 мс, всего 4 индикатора, соответственно время свечения каждого индикатора устанавливаем на уровне 10/4=2,5 мс. Существуют многоразрядные семисегментные индикаторы в одном корпусе, в которых одноименные сегменты соединены внутри самого корпуса, естественно для их использования необходимо применять динамическую индикацию.

Для реализации динамической индикации необходимо воспользоваться прерываниями по переполнению одного из таймеров. Ниже представлен код с использованием таймера TMR0:

;Реализация динамической индикации для 4-х семисегментных индикаторов ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;; swapf STATUS,W ; clrf STATUS ; movwf STATUS_TEMP ; ; bcf ind1 ;выключение 1-го индикатора bcf ind2 ;выключение 2-го индикатора bcf ind3 ;выключение 3-го индикатора bcf ind4 ;выключение 4-го индикатора; incf shet,F ;инкремент регистра shet movlw .5 ;проверка содержимого регистра shet xorwf shet,W ;на равенство числу 5 btfss STATUS,Z ; goto met1 ;число в регистре shet не равно 5 movlw .1 ;число в регистре shet равно 5: запись числа 1 movwf shet ;в регистр shet ; met1 movlw .1 ;проверка содержимого регистра shet xorwf shet,W ;на равенство числу 1 btfss STATUS,Z ; goto met2 ;число в регистре shet не равно 1: переход на met2 movf datind1,W ;число в регистре shet равно 1: копирование movwf PORTB ;содержимого регистра datind1 в регистр PORTB bsf ind1 ;включение 1-го индикатора met2 movlw .2 ;проверка содержимого регистра shet xorwf shet,W ;на равенство числу 2 btfss STATUS,Z ; goto met3 ;число в регистре shet не равно 2: переход на met3 movf datind2,W ;число в регистре shet равно 2: копирование movwf PORTB ;содержимого регистра datind2 в регистр PORTB bsf ind2 ;включение 2-го индикатора goto exxit ;переход на метку exxit met3 movlw .3 ;проверка содержимого регистра shet xorwf shet,W ;на равенство числу 3 btfss STATUS,Z ; goto met4 ;число в регистре shet не равно 3: переход на met4 movf datind3,W ;число в регистре shet равно 3: копирование movwf PORTB ;содержимого регистра datind3 в регистр PORTB bsf ind3 ;включение 3-го индикатора goto exxit ;переход на метку exxit met4 movf datind4,W ;копирование содержимого регистра datind3 movwf PORTB ;в регистр PORTB bsf ind4 ;включение 4-го индикатора; movlw .100 ;запись числа 156 в регистр таймера TMR0 movwf TMR0 ; ; movwf STATUS ; swapf W_TEMP,F ; swapf W_TEMP,W ; ; ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;; ;Основная программа ................. movlw b"11010011" ;OPTION_REG, тем самым устанавливаем внутренний ;устанавливаем коэффициент предделителя 1:16 ; clrf shet ;обнуление регистра shet, перед запуском;прерываний по переполнению TMR0, выполняется; clrf datind1 ;очистка регистров вывода информации на clrf datind2 ;индикаторы, равнозначно выключению clrf datind3 ;индикаторов, так как индикаторы с общим clrf datind4 ;катодом; bcf INTCON,T0IF ;сброс флага прерывания по переполнению TMR0 bsf INTCON,T0IE ;разрешение прерываний по переполнению TMR0 bsf INTCON,GIE ;разрешение глобальных прерываний; movlw b"00000110" ;пример вывода числа 13,52 movwf datind1 ; movlw b"11001111" ; movwf datind2 ; movlw b"01101101" ; movwf datind3 ; movlw b"01011011" ; movwf datind4 ; ; ................. ; ................. ; ................. ; ; end ;конец всей программы;

;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;; ;Реализация динамической индикации для 4-х семисегментных индикаторов ;Частота тактового генератора для примера 4 МГц, машинный цикл 1 мкс org 0000h ;начать выполнение программы с адреса 0000h goto Start ;переход на метку Start ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;; ;Подпрограмма обработки прерываний org 0004h ;начать выполнение подпрограммы с адреса 0004h movwf W_TEMP ;сохранение значений ключевых регистров swapf STATUS,W ; movwf STATUS_TEMP ; bcf ind1 ;выключение 1-го индикатора bcf ind2 ;выключение 2-го индикатора bcf ind3 ;выключение 3-го индикатора bcf ind4 ;выключение 4-го индикатора incf shet,F ;инкремент регистра shet movlw .5 ;проверка содержимого регистра shet xorwf shet,W ;на равенство числу 5 btfss STATUS,Z ; goto met1 ;число в регистре shet не равно 5 movlw .1 ;число в регистре shet равно 5: запись числа 1 movwf shet ;в регистр shet met1 movlw .1 ;проверка содержимого регистра shet xorwf shet,W ;на равенство числу 1 btfss STATUS,Z ; goto met2 ;число в регистре shet не равно 1: переход на met2 movf datind1,W ;число в регистре shet равно 1: копирование movwf PORTB ;содержимого регистра datind1 в регистр PORTB bsf ind1 ;включение 1-го индикатора goto exxit ;переход на метку exxit met2 movlw .2 ;проверка содержимого регистра shet xorwf shet,W ;на равенство числу 2 btfss STATUS,Z ; goto met3 ;число в регистре shet не равно 2: переход на met3 movf datind2,W ;число в регистре shet равно 2: копирование movwf PORTB ;содержимого регистра datind2 в регистр PORTB bsf ind2 ;включение 2-го индикатора goto exxit ;переход на метку exxit met3 movlw .3 ;проверка содержимого регистра shet xorwf shet,W ;на равенство числу 3 btfss STATUS,Z ; goto met4 ;число в регистре shet не равно 3: переход на met4 movf datind3,W ;число в регистре shet равно 3: копирование movwf PORTB ;содержимого регистра datind3 в регистр PORTB bsf ind3 ;включение 3-го индикатора goto exxit ;переход на метку exxit met4 movf datind4,W ;копирование содержимого регистра datind3 movwf PORTB ;в регистр PORTB bsf ind4 ;включение 4-го индикатора exxit bcf INTCON,T0IF ;сброс флага прерывания по переполнению TMR0 movlw .100 ;запись числа 156 в регистр таймера TMR0 swapf STATUS_TEMP,W ;восстановление содержимого ключевых регистров swapf W_TEMP,F ; swapf W_TEMP,W ; retfie ;выход из подпрограммы прерывания ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;; ;Основная программа Start ................. ;первоначальная настройка регистров ................. ;специального назначения ................. bsf STATUS,RP0 ;запись двоичного числа 11010011 в регистр movlw b"11010011" ;OPTION_REG, тем самым устанавливаем внутренний movwf OPTION_REG ;источник тактового сигнала для TMR0 bcf STATUS,RP0 ;включаем предделитель перед TMR0 ;устанавливаем коэффициент предделителя 1:16 clrf shet ;обнуление регистра shet, перед запуском ;прерываний по переполнению TMR0, выполняется ;однократно, после включения питания clrf datind1 ;очистка регистров вывода информации на clrf datind2 ;индикаторы, равнозначно выключению clrf datind3 ;индикаторов, так как индикаторы с общим clrf datind4 ;катодом bcf INTCON,T0IF ;сброс флага прерывания по переполнению TMR0 bsf INTCON,T0IE ;разрешение прерываний по переполнению TMR0 bsf INTCON,GIE ;разрешение глобальных прерываний movlw b"00000110" ;пример вывода числа 13,52 movlw b"11001111" ; movlw b"01101101" ; movlw b"01011011" ; ................. ; ................. ; ................. ; end ;конец всей программы

В основной программе сначала настраиваем таймер с помощью регистра OPTION_REG, ранее я рассказывал про использование таймеров для . Далее очищаем регистр shet, предназначенный для введения счета от 1 до 4, для каждого индикатора. Этот регистр инкрементируется в подпрограмме обработки прерываний и там же корректируется (он будет считать от 1 до 4), поэтому данная очистка выполняется однократно после включения питания. По этому регистру будем определять, какой индикатор включать и выдавать данные соответствующие ему. Следующим шагом будет очистка регистров хранения информации, четыре регистра dataind1,2,3,4 соответствующие четырем индикаторам. Очистка равнозначна выключению индикаторов, так как в подпрограмме обработки прерываний, содержимое этих регистров передается в регистр PORTB, к которому подключены аноды индикаторов. Это необходимо для того чтобы на индикаторах не высвечивался всякий мусор после разрешения прерываний, в принципе этого можно и не делать, если сразу записывать правильную информацию для вывода. Далее сбрасываем флаг прерывания по переполнению таймера, разрешаем прерывания по переполнению TMR0, и наконец, разрешаем глобальные прерывания.

В подпрограмме обработки прерываний, первым делом выключаем все индикаторы (подав низкие логические уровни на базы транзисторов), потому что неизвестно какой из них включен. Производим инкремент регистра shet, с проверкой на равенство числу 5, при наличии такого совпадения записываем в регистр число 1, так как необходимо вести счет от 1 до 4. Далее проверяем, какое именно число лежит в регистре shet, по которому загружаем в PORTB данные из регистров хранения информации (dataind) для соответствующего индикатора и включаем его. После чего сбрасываем флаг прерывания по переполнению TMR0, записываем число 100 в таймер (ниже приведен расчет этого значения), для временной задержки и выходим из обработчика прерываний. При первом прерывании включается первый индикатор, во втором прерывании второй и так по круговому циклу. В основной программе остается только загружать данные в регистры хранения информации для каждого индикатора. В подпрограмме прерываний не забываем сохранять и восстанавливать значения ключевых регистров, об этом я писал в статье про .

Для вывода чисел лучше использовать знакогенератор в виде таблицы данных. Например, чтобы вывести число 3456 на индикаторы, его необходимо разбить на разряды, при этом лучше использовать отдельные регистры для хранения чисел разрядов (от 0 до 9), далее прогнать эти регистры через знакогенератор, получив тем самым правильные байты (загружаемые в регистры dataind) для зажигания соответствующих сегментов.

Частоту тактового генератора примем за 4 МГц, машинный цикл 1 мкс. Частота обновления каждого индикатора пускай составит 100 Гц (период T=10 мс), соответственно необходимая временная задержка равна 10/4 = 2,5 мс. Коэффициент предделителя для TMR0 устанавливаем равным 1:16, при этом максимально возможная задержка равна 256х16 = 4096 мкс, а нам требуется пауза в 2,5 мс. Рассчитаем число для записи в TMR0: 256-((256х2,5)/4,096) = 256-156,25 = 99,75. После округления получим число 100.

Ниже можно скачать модель для программы Proteus, прошивку и исходник с реализацией динамической индикации на 4-х разрядный индикатор с общим катодом с применением микроконтроллера PIC16F628A. Для примера на индикатор выводятся числа 0000; 0001; 0002; 13,52; 9764.

Теперь рассмотрим подключение матрицы с разрешением 8х8 точек (светодиодов). Структуру матрицы обычно рассматривают в виде строк и столбцов. На картинке ниже в каждом столбце соединены катоды всех светодиодов, а в каждой строке аноды. Строки (8 линий, аноды светодиодов) через резисторы подключают к микроконтроллеру. Каждый столбец (катоды светодиодов) подключают к микроконтроллеру через 8 транзисторов. Алгоритм индикации такой же, сначала устанавливаем необходимые логические уровни на строках, в соответствии с тем, какие светодиоды должны гореть в столбце, далее подключаем первый столбец (индикация слева направо). Через определенную паузу выключаем столбец, и изменяем логические уровни на строках для отображения второго столбца, далее подключаем второй столбец. И так поочередно коммутируем все столбцы. Ниже представлена схема подключения матрицы к микроконтроллеру.


Всего для подключения такой матрицы потребуется 16 выводов микроконтроллера, что весьма немало, поэтому для сокращения управляющих линий лучше использовать последовательные сдвиговые регистры.

Самым распространенным последовательным регистром является микросхема 74НС595, которая содержит в себе сдвиговый регистр для загрузки данных, и регистр хранения через который данные передаются на выходные линии. Загружать данные в него просто, устанавливаем логический 0 на входе тактирования SH_CP, далее устанавливаем требуемый логический уровень на входе данных DS, после чего переключаем вход тактирования в 1, при этом происходит сохранение значения уровня (на входе DS) внутри сдвигового регистра. Одновременно с этим происходит сдвиг данных на один разряд. Снова сбрасываем вывод SH_CP в 0, устанавливаем требуемый уровень на входе DS и поднимаем SH_CP в 1. После полной загрузки сдвигового регистра (8 бит), устанавливаем в 1 вывод ST_CP, в этот момент данные передаются в регистр хранения и поступают на выходные линии Q0…Q7, после чего сбрасываем вывод ST_CP. Во время последовательной загрузки, данные сдвигаются от Q0 до Q7. Вывод Q7’ подключен к последнему разряду сдвигового регистра, этот вывод можно подключить на вход второй микросхемы, таким образом можно загружать данные сразу в две и более микросхемы. Вывод OE переключает выходные линии в третье (высокоомное) состояние, при подаче на него логической 1. Вывод MR предназначен для сброса сдвигового регистра, то есть установка низких логических уровней на выходах триггеров регистра, что эквивалентно загрузке восьми нулей. Ниже представлена диаграмма загрузки данных в микросхему 74НС595, установка значения 11010001 на выходных линиях Q0…Q7, при условии, что изначально там были нули:


Рассмотрим подключение матрицы 8×8 к микроконтроллеру PIC16F628A с помощью двух сдвиговых регистров 74HC595, схема представлена ниже:


Данные загружаются в микросхему DD2 (управление логическими уровнями на строках, аноды светодиодов) затем через вывод Q7’ передаются в DD3 (управление столбцами), соответственно сначала загружаем байт для включения столбца, затем байт с логическими уровнями на строках. К выходным линиям DD3 подключены транзисторы коммутирующие столбцы матрицы (катоды светодиодов). Ниже приведен код программы для вывода изображения на матрицу:

;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;; ;Реализация динамической индикации для матрицы с разрешением 8х8 ;Частота тактового генератора для примера 4 МГц, машинный цикл 1 мкс org 0000h ;начать выполнение программы с адреса 0000h goto Start ;переход на метку Start ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;; ;Подпрограмма обработки прерываний org 0004h ;начать выполнение подпрограммы с адреса 0004h movwf W_TEMP ;сохранение значений ключевых регистров swapf STATUS,W ; clrf STATUS ; movwf STATUS_TEMP ; ; movwf FSR_osn ;в регистр FSR_osn movf FSR_prer,W ;восстановление ранее сохраненного значения movwf FSR ;регистра FSR из регистра FSR_prer ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;; ;загрузка содержимого регистра stolb в микросхему movf stolb,W ;копирование содержимого регистра stolb movwf var ;в регистр var met2 btfsc var,0 ;устанавливаем вывод ds в соответствии с btfss var,0 ; bcf ds ; bcf sh_cp ; rrf var,F ;сдвиг регистра var вправо, для подготовки;следующего бита goto met2 ;scetbit не равен нулю: переход на метку met2 ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;; ;загрузка содержимого регистра INDF в микросхему;74HC595 (последовательный сдвиговый регистр) movf INDF,W ;копирование содержимого регистра INDF movwf var ;в регистр var movlw .8 ;запись числа 8 в регистр scetbit, для отсчета movwf scetbit ;переданных битов met1 btfsc var,7 ;устанавливаем вывод ds в соответствии с bsf ds ;значением 7-го бита регистра var btfss var,7 ; bcf ds ; bsf sh_cp ;тактируем вывод sh_cp, для защелкивания данных bcf sh_cp ; rlf var,F ;сдвиг регистра var влево, для подготовки;следующего бита decfsz scetbit,F ;декремент с условием регистра scetbit goto met1 ;scetbit не равен нулю: переход на метку met1 ; bsf st_cp ;тактируем вывод st_cp, для передачи загруженных bcf st_cp ;байтов на выходные линии микросхем 74HC595 ; bcf STATUS,C ;сброс бита C регистра статус перед сдвигом rrf stolb,F ;сдвиг влево регистра stolb ; incf FSR,F ;инкремент регистра FSR, подготовка следующего;регистра для отправки данных на 74HC595 decfsz shet,F ;декремент с условием регистра shet goto exxit ;регистр shet не равен 0: переход на exxit movlw data1 ;регистр shet равен 0: запись адреса первого movwf FSR ;регистра хранения иннформации в регистр FSR movlw .8 ;запись числа 8 в регистр shet, для ведения movwf shet ;счета столбцов ; exxit bcf INTCON,T0IF ;сброс флага прерывания по переполнению TMR0 movlw .124 ;запись числа 124 в регистр таймера TMR0 movwf TMR0 ; ; movf FSR,W ;сохранение текущего значения регистра FSR movwf FSR_prer ;в регистр FSR_prer movf FSR_osn ,W ;восстановление ранее сохраненного значения movwf FSR ;регистра FSR из регистра FSR_osn ; swapf STATUS_TEMP,W ;восстановление содержимого ключевых регистров movwf STATUS ; swapf W_TEMP,F ; swapf W_TEMP,W ; ; retfie ;выход из подпрограммы прерывания;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;; ;Основная программа Start ................. ;первоначальная настройка регистров................. ;специального назначения................. bsf STATUS,RP0 ;запись двоичного числа 11010011 в регистр movlw b"11010010" ;OPTION_REG, тем самым устанавливаем внутренний movwf OPTION_REG ;источник тактового сигнала для TMR0 bcf STATUS,RP0 ;включаем предделитель перед TMR0 ;устанавливаем коэффициент предделителя 1:8 ; movlw .8 ;запись числа 8 в регистр shet, перед запуском movwf shet ;прерываний по переполнению TMR0, выполняется;однократно, после включения питания movlw b"10000000" ;запись двоичного числа 10000000 в movwf stolb ;регистр stolb, для включения 1-го столбца;выполняется однократно, после включения питания; movlw data1 ;запись адреса первого регистра (регистры хранения movwf FSR_prer ;информации) в регистр FSR_prer, выполняется;однократно, после включения питания; movlw .8 ;очистка 8-ми регистров вывода информации на movwf tmp ;матрицу, равнозначно выключению movlw data1 ;матрицы movwf FSR ; met3 clrf INDF ; incf FSR,F ; decfsz tmp,F ; goto met3 ; ; bcf INTCON,T0IF ;сброс флага прерывания по переполнению TMR0 bsf INTCON,T0IE ;разрешение прерываний по переполнению TMR0 bsf INTCON,GIE ;разрешение глобальных прерываний; m1 movlw data1 ;пример вывода буквы R movwf FSR ; movlw b"00000000" ; movwf INDF ; incf FSR,F ; movlw b"01111111" ; movwf INDF ; incf FSR,F ; movlw b"00001001" ; movwf INDF ; incf FSR,F ; movlw b"00011001" ; movwf INDF ; incf FSR,F ; movlw b"00101001" ; movwf INDF ; incf FSR,F ; movlw b"01000110" ; movwf INDF ; incf FSR,F ; movlw b"00000000" ; movwf INDF ; incf FSR,F ; movlw b"00000000" ; movwf INDF ; ; ................. ; ................. ; ................. ; ; end ;конец всей программы;

;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;; ;Реализация динамической индикации для матрицы с разрешением 8х8 ;Частота тактового генератора для примера 4 МГц, машинный цикл 1 мкс org 0000h ;начать выполнение программы с адреса 0000h goto Start ;переход на метку Start ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;; ;Подпрограмма обработки прерываний org 0004h ;начать выполнение подпрограммы с адреса 0004h movwf W_TEMP ;сохранение значений ключевых регистров swapf STATUS,W ; movwf STATUS_TEMP ; movf FSR,W ;сохранение текущего значения регистра FSR movwf FSR_osn ;в регистр FSR_osn movf FSR_prer,W ;восстановление ранее сохраненного значения movwf FSR ;регистра FSR из регистра FSR_prer ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;; ;74HC595 (последовательный сдвиговый регистр) movf stolb,W ;копирование содержимого регистра stolb movwf var ;в регистр var movlw .8 ;запись числа 8 в регистр scetbit, для отсчета movwf scetbit ;переданных битов met2 btfsc var,0 ;устанавливаем вывод ds в соответствии с bsf ds ;значением 7-го бита регистра var bsf sh_cp ;тактируем вывод sh_cp, для защелкивания данных rrf var,F ;сдвиг регистра var вправо, для подготовки ;следующего бита decfsz scetbit,F ;декремент с условием регистра scetbit goto met2 ;scetbit не равен нулю: переход на метку met2 ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;; ;74HC595 (последовательный сдвиговый регистр) movf INDF,W ;копирование содержимого регистра INDF movwf var ;в регистр var movlw .8 ;запись числа 8 в регистр scetbit, для отсчета movwf scetbit ;переданных битов met1 btfsc var,7 ;устанавливаем вывод ds в соответствии с bsf ds ;значением 7-го бита регистра var bsf sh_cp ;тактируем вывод sh_cp, для защелкивания данных rlf var,F ;сдвиг регистра var влево, для подготовки ;следующего бита decfsz scetbit,F ;декремент с условием регистра scetbit goto met1 ;scetbit не равен нулю: переход на метку met1 bsf st_cp ;тактируем вывод st_cp, для передачи загруженных bcf st_cp ;байтов на выходные линии микросхем 74HC595 bcf STATUS,C ;сброс бита C регистра статус перед сдвигом rrf stolb,F ;сдвиг влево регистра stolb incf FSR,F ;инкремент регистра FSR, подготовка следующего ;регистра для отправки данных на 74HC595 decfsz shet,F ;декремент с условием регистра shet goto exxit ;регистр shet не равен 0: переход на exxit movlw data1 ;регистр shet равен 0: запись адреса первого movwf FSR ;регистра хранения иннформации в регистр FSR movlw .8 ;запись числа 8 в регистр shet, для ведения movwf shet ;счета столбцов movlw b"10000000" ;запись двоичного числа 10000000 в movwf stolb ;регистр stolb, для включения 1-го столбца exxit bcf INTCON,T0IF ;сброс флага прерывания по переполнению TMR0 movlw .124 ;запись числа 124 в регистр таймера TMR0 movf FSR,W ;сохранение текущего значения регистра FSR movwf FSR_prer ;в регистр FSR_prer movf FSR_osn ,W ;восстановление ранее сохраненного значения movwf FSR ;регистра FSR из регистра FSR_osn swapf STATUS_TEMP,W ;восстановление содержимого ключевых регистров swapf W_TEMP,F ; swapf W_TEMP,W ; retfie ;выход из подпрограммы прерывания ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;; ;Основная программа Start ................. ;первоначальная настройка регистров ................. ;специального назначения ................. bsf STATUS,RP0 ;запись двоичного числа 11010011 в регистр movlw b"11010010" ;OPTION_REG, тем самым устанавливаем внутренний movwf OPTION_REG ;источник тактового сигнала для TMR0 bcf STATUS,RP0 ;включаем предделитель перед TMR0 ;устанавливаем коэффициент предделителя 1:8 movlw .8 ;запись числа 8 в регистр shet, перед запуском movwf shet ;прерываний по переполнению TMR0, выполняется ;однократно, после включения питания movlw b"10000000" ;запись двоичного числа 10000000 в movwf stolb ;регистр stolb, для включения 1-го столбца Информация с логическими уровнями для строк каждого столбца, хранится в 8-ми регистрах хранения информации, обращение к которым выполняется через . Адресу первого регистра присвоено название data1. Кроме первоначальной записи регистров shet и stolb, необходимо записать в регистр FSR_prer адрес первого регистра хранения информации (регистр – data1, запись в FSR_prer выполняется однократно, далее корректируется в обработчике), только после этого разрешать прерывания по переполнению TMR0. Перед разрешением прерываний, желательно очистить регистры хранения информации, данная операция производится с помощью дополнительного регистра tmp (в качестве счетчика) и косвенной адресации, очистка равнозначна выключению матрицы. В подпрограмме обработки прерываний загружаем в микросхему DD2 содержимое регистра stolb (при первом входе в обработчик после разрешения прерываний, в регистре лежит число 10000000, как было сказано выше). Загрузка начинается с младшего бита регистра stolb, который сдвигается в направлении от Q0 к Q7 (внутри микросхемы DD2) по мере загрузки, алгоритм загрузки был рассмотрен выше, так что думаю, разобраться в коде не составит труда. Далее загружаем в DD2 содержимое регистра INDF, это один из регистров хранения информации, адрес которого находится в FSR (при первом входе в обработчик после разрешения прерываний в FSR лежит адрес первого регистра хранения информации с названием data1). Загрузка начинается со старшего бита регистра INDF. После загрузки рассмотренных 2-х байтов, тактируем вывод st_cp, тем самым загруженные данные передаются на выходные линии микросхем DD2, DD3. Таким образом, при первом входе в обработчик коммутируется первый столбец матрицы, в котором загораются светодиоды, на анодах которых присутствует высокий логический уровень, в соответствии с содержимым регистра data1 (первый регистр хранения информации). Далее сдвигаем регистр stolb вправо на один бит, для того чтобы подготовить к коммутации второй столбец матрицы при следующем входе в обработчик прерываний. Перед сдвигом необходимо очистить флаг C регистра STATUS, так как сдвиг происходит через этот флаг, и его состояние не известно на момент сдвига. После сдвига, инкрементируем регистр FSR, подготавливая следующий регистр хранения информации (после регистра data1) с логическими уровнями строк для второго столбца. Далее декрементируем с условием регистр shet, и если он не равен нулю, сбрасываем флаг прерывания по переполнению TMR0, производим запись числа в таймер, и выходим из обработчика прерываний. При следующем входе в обработчик включится второй столбец матрицы и так далее. При обнулении регистра shet (после коммутации 8-го столбца), в него записывается число 8 для очередного цикла коммутации столбов, кроме этого корректируется значение регистра stolb, в регистр FSR записывается адрес первого регистра хранения информации (data1). Выполним расчет временной задержки для таймера TMR0, частота тактового генератора 4 МГц, машинный цикл 1 мкс. Чтобы избежать мерцания светодиодов, примем частоту обновления каждого столбца в 100Гц (период T=10 мс), временная задержка равна 10/8 = 1,25 мс. Коэффициент предделителя TMR0 установим равным 1:8, при этом максимально возможная задержка равна 256х8 = 2048 мкс. Для паузы в 1,25 мс таймер должен отсчитать (256х1,25)/2,048 = 156,25 раз, округляя получим 156 отсчетов. Соответственно в таймер необходимо записать число 256-156 = 100. Но это не совсем правильное значение, так как на выполнение подпрограммы обработки прерываний затрачивается некоторое время, в данном случае на это уходит около 190 мкс, в перерасчете с учетом коэффициента предделителя получаем 190/8 = 23,75 или 24 отсчета. Правильное значение для записи в TMR0 равно: 100+24=124. В основной программе записываем 8 регистров хранения информации, в соответствии с тем, что хотим вывести на матрицу. Ниже представлена схема поясняющая вывод информации на матрицу для вышерассмотренного кода. Кроме сдвиговых регистров существуют специализированные драйвера для вывода информации на семисегментные индикаторы и светодиодные матрицы, в этом случае динамическую индикацию реализует сам драйвер, остается только отправлять на него данные для отображения. Один из таких популярных драйверов я рассмотрел в статье про . Ниже по ссылке можно скачать прошивку и исходник для микроконтроллера PIC16F628A, с реализацией динамической индикации на матрице 8х8 с применением двух сдвиговых регистров 74HC595, схема подключения была рассмотрена выше. На матрицу поочередно выводятся буквы R, L, цифра 46, смайлик, и просто узор в виде креста, эта анимация продемонстрирована в видеоролике ниже. с метками , . Читать .

Сборка бегущей строки на базе светодиодной матрицы и Arduino – это несложная задача, которую можно выполнить даже в домашних условиях. Чтобы заставить буквы перемещаться на светодиодном табло не нужно быть программистом и владеть углублёнными знаниями электроники. В данной статье разберем, как собрать бегущую строку из готовых светодиодных матриц и Arduino Nano.

Что потребуется?

Для реализации идеи потребуется совсем немного деталей:

• два светодиодных модуля, состоящих из четырёх матриц 8 на 8 пикселей;
• держатель для батарейки типоразмера «Крона»;
• батарейка на 9 вольт (CR-9V, ER-9V или их аналоги);
• двухконтактный переключатель;
• соединительные провода;
• плата Arduino Nano;
• термоклей.

Схема

На печатной плате используемого светодиодного модуля расположено 4 матрицы размером 8 на 8 пикселей. Каждое светодиодное табло управляется интегральной микросхемой (ИМС) MAX7219. Данная ИМС представляет собой контроллер управления led-дисплеями, матрицами с общим катодом и дискретными светодиодами в количестве до 64 шт.

Для более комфортного восприятия информации, выводимой на светодиодное табло, рекомендуется устанавливать несколько модулей. Для этого их объединяют в последовательно включенные группы, то есть выход первого модуля (out) подключают к входу второго модуля (in). Данная сборка состоит из двух модулей (16 матриц), длины которых вполне хватит для удобного прочтения целых предложений.

Сборка

Матричный модуль может иметь штырьковое соединение или контакты на плате в виде печатных проводников. От этого зависит способ их соединения. В первом случае для получения надежного электрического контакта задействуют жгут из проводков с коннекторами, а во втором придётся установить и запаять перемычки.

Но сначала необходимо объединить оба модуля в единое целое с помощью термоклея. Термопластичный клей не проводит электрический ток, а значит, его можно смело наносить на печатную плату. Клей наносят с торцов обеих плат, прижимают и оставляют на несколько минут. После затвердевания выходные контакты первого блока подключают к входным контактам второго блока по схеме:

• VCC – VCC
• GND – GND
• D IN – D OUT
• CS – CS
• CLK – CLK

С обратной стороны печатной платы с помощью термоклея прикрепляют Arduino Nano, отсек для батарейки и выключатель. Детали располагают таким образом, чтобы можно было удобно ими пользоваться.
На следующем этапе производят подключение Arduino со светодиодным модулем, подсоединяя провода на вход первой матрицы. В зависимости от варианта исполнения модуля, операцию выполняют через разъёмное соединение или путем пайки по приведенной схеме:

• VCC – 5V
• GND – GND
• D IN – PIN 11
• CS – PIN 10
• CLK – PIN 13.

На заключительной стадии сборки необходимо подключить питание от батарейки. Для этого минусовой контакт (черный провод) из отсека для кроны подключается на вывод GND Arduino. Плюсовой контакт (красный провод) соединяют с выключателем, а затем с выводом №30 Arduino, предназначенный для подачи питающего напряжения от нерегулируемого источника. В тестовом режиме сделанная своими руками бегущая строка может быть запитана через микро USB от компьютера.
Убедившись в надежности креплений и качестве электрических соединений, приступают к сборке корпуса. Его можно сделать из алюминиевого или пластикового профиля, так как элементы схемы не греются. Цвет, размеры, степень защиты и крепление корпуса зависят от будущего назначения устройства. В простейшем случае подойдёт защитный экран из строительного пластикового углового профиля с вырезом под выключатель.

Программирование бегущей строки

Бегущая строка из Arduino и светодиодных модулей под управлением MAX7219 практически готова. Настало время перейти к заключающей, программной части. На компьютере должно быть установлено программное обеспечение (ПО) для используемого Arduino и драйвер к нему. Далее необходимо скачать две библиотеки и скетч (специальную программу, которая будет загружаться и выполняться процессором Arduino). Установку библиотек производят при закрытом Arduino IDE в папку «Documents – Arduino – Libraries». Затем скачивают и запускают скетч и проверяют наличие библиотек и корректность других данных.

Настройка скетча:

• «number of horizontal displays» указывают количество строк, в нашем случае 1;
• «number of vertical displays» указывают количество матриц, в нашем случае 8;
• «string tape» указывают надпись, выводимую на дисплей;
• «int wait» задают скорость вывода в миллисекундах.

После проверки введенных данных остаётся щелкнуть мышкой на кнопку «загрузить». Затем отключиться от ПЭВМ, вставить батарейку и произвести запуск устройства.

В заключение хочется добавить, что бегущая строка своими руками собирается довольно быстро даже без навыков работы с Arduino. Поэтому бояться этой замысловатой платы не стоит. Также стоит отметить, что сделать бегущую строку можно длиннее, увеличив количество светодиодных матриц.

Читайте так же