Matriz de LED usando registros de cambio: 7 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:44

Este instructivo está destinado a ser una explicación más completa que otros disponibles en línea. En particular, esto proporcionará más explicación de hardware de la que está disponible en el LED Marquee instructable por led555.

Metas

Este instructable presenta los conceptos relacionados con los registros de cambios y los controladores del lado alto. Al ilustrar estos conceptos con una matriz de LED de 8x8, espero brindarle las herramientas necesarias para adaptarse y expandirse al tamaño y diseño que requiere su proyecto.

Experiencia y habilidades

Calificaría este proyecto como de dificultad media:

• Si ya tiene experiencia en la programación de microcontroladores y trabajando con LED, este proyecto debería ser bastante fácil de completar y escalar a arreglos de luces más grandes.
• Si recién está comenzando con microcontroladores y ha encendido uno o dos LED, debería poder completar este proyecto con la ayuda de nuestro amigo Google.
• Si tiene poca o ninguna experiencia con microcontroladores o programación, esto probablemente esté más allá de lo que debería estar metiéndose. Pruebe algunos otros proyectos para principiantes y vuelva cuando tenga más experiencia escribiendo programas para microcontroladores.

Descargo de responsabilidad y crédito

Primero, no soy ingeniero eléctrico. Si ve algo que está mal o no es una buena práctica, hágamelo saber y haré la corrección. ¡Hágalo bajo su propio riesgo! Debe saber lo que está haciendo o puede causar daños a su computadora, su microcontrolador e incluso a usted mismo. He aprendido mucho de Internet, particularmente de los foros en: https://www.avrfreaks.net. un conjunto de fuentes que vino con la biblioteca C universal ks0108. Compruébalo aquí:

Paso 1: Partes

Lista de partes

Partes generales

Para hacer una cuadrícula de LED de 8x8 y controlarlos, necesitará:

• 64 LED de su elección
• 8 resistencias para los LED
• 1 Registro de turnos para las columnas
• 1 Matriz de controladores para las filas
• 8 resistencias para cambiar la matriz de controladores
• 1 microcontrolador
• 1 fuente de reloj para microcontrolador
• 1 placa de creación de prototipos
• 1 fuente de alimentación
• Conectar cable

Partes específicas utilizadas aquí

Para este instructable utilicé lo siguiente:

• 64 LED verdes (pieza de Mouser n. ° 604-WP7113GD)
• 8 resistencias de 220ohm 1/4 vatios para los LED (pieza de Mouser # 660-CFS1 / 4CT52R221J)
• 1 controlador LED HEF4794 con registro de desplazamiento (pieza de Mouser n.o 771-HEF4794BPN)
• 1 Matriz de controladores de fuente de alta corriente y alto voltaje mic2981 (pieza de Digikey n. ° 576-1158-ND)
• 8 resistencias de 3.3kohm 1/4 vatios para cambiar la matriz de controladores (Radio Shack parte # 271-1328)
• 1 microcontrolador Atmel ATmega8 (pieza de Mouser n.o 556-ATMEGA8-16PU)
• 1 cristal de 12 MHz para la fuente de reloj del microcontrolador (pieza de Mouser n. ° 815-AB-12-B2)
• 1 placa de creación de prototipos de 2200 orificios (pieza de Radio Shack n. ° 276-147)
• Fuente de alimentación ATX convertida: consulte este instructivo
• Cable de conexión de núcleo sólido de 22 AWG (pieza Radio Shack # 278-1221)
• Placa de pruebas sin soldadura (Radio Shack parte # 276-169 (ya no está disponible, intente: 276-002)
• AVR Dragon (pieza de Mouser n. ° 556-ATAVRDRAGON)
• Dragon Rider 500 de Ecros Technologies: vea este instructivo

Notas sobre las piezas

Controladores de fila y columna: probablemente la parte más difícil de este proyecto es elegir los controladores de fila y columna. En primer lugar, no creo que un registro de desplazamiento estándar 74HC595 sea una buena idea aquí porque no pueden manejar el tipo de corriente que queremos enviar a través de los LED. Es por eso que elegí el controlador HEF4794, ya que puede hundir fácilmente la corriente presente cuando los 8 leds están en una fila encendidos. El registro de cambio está presente en el lado bajo (el pin de tierra de los leds). Necesitaremos un controlador de fila que pueda generar suficiente corriente para unir varias columnas. El mic2981 puede suministrar hasta 500 mA. La única otra pieza que he encontrado que realiza esta tarea es el UDN2981 (pieza digikey # 620-1120-ND) que es la misma pieza de un fabricante diferente. Por favor envíeme un mensaje si conoce otros controladores de alto nivel que funcionarían bien en esta aplicación. Matriz LED: esta matriz es de 8x8 porque los controladores de fila y columna tienen 8 pines cada uno. Se puede construir una matriz de LED más grande uniendo múltiples matrices y se discutirá en el paso de "conceptos modulares". Si desea una matriz grande, solicite todas las piezas necesarias a la vez. Hay matrices LED de 8x8, 5x7 y 5x8 disponibles en un paquete conveniente. Estos deberían ser fáciles de sustituir por una matriz de bricolaje. Ebay es una buena fuente de estos. Mouser tiene algunas unidades 5x7 disponibles, como la pieza n. ° 604-TA12-11GWA. Usé LED verdes baratos porque solo estoy jugando y divirtiéndome. Gastar más en LED de alto brillo y alta eficiencia puede permitirle producir una pantalla de aspecto mucho más espectacular … ¡Aunque esto es lo suficientemente bueno para mí! Hardware de control: La matriz está controlada por un microcontrolador Atmel AVR. Necesitará un programador para esto. Debido a que estoy creando un prototipo, estoy usando Dragon Rider 500 para el cual he escrito instrucciones de ensamblaje y uso. Esta es una herramienta fácil para la creación de prototipos y la recomiendo encarecidamente.

Paso 2: la matriz

Construiré mi propia matriz LED para este proyecto usando leds de 5 mm y una placa de prototipos de Radio Shack. Cabe señalar que puede comprar módulos LED de matriz de puntos de 8x8 de varias fuentes, incluido eBay. Deberían funcionar bien con este instructable.

Consideraciones de construcción

Alineación Los LED deben estar alineados para que miren en la misma dirección en el mismo ángulo. Encontré que la opción más fácil para mí era colocar el cuerpo del LED al ras del tablero y sujetarlo allí con un pequeño trozo de plexiglás y una abrazadera. Puse algunos LED en su lugar a un par de pulgadas de la fila en la que estaba trabajando para asegurarme de que el plexiglás estuviera paralelo con la placa de prototipos. Filas y columnas Necesitamos tener una conexión común para cada fila y para cada columna. Debido a nuestra elección de controlador de fila y columna, necesitamos tener el ánodo (cable positivo del LED) conectado por fila y el cátodo (cable negativo del LED) conectado por columna. Cables de control Para este prototipo, estoy usando un cable de conexión de núcleo sólido (un solo conductor). Será muy fácil interactuar con una placa de pruebas sin soldadura. No dude en utilizar un tipo de conector diferente para adaptarse a su proyecto.

Construyendo la Matrix

1. Coloque la primera columna de LEDS en la placa de creación de prototipos. Verifique que su polaridad para cada LED sea correcta, esto será muy difícil de arreglar si se da cuenta más tarde. Suelde ambos cables del LED a la placa. Verifique que estén alineados correctamente (no en ángulos extraños) y corte los cables del cátodo. Asegúrese de no sujetar el cable del ánodo, lo necesitaremos más adelante, así que déjelo apuntando hacia arriba. Retire el aislamiento de un trozo de alambre de núcleo sólido. Suelde este trozo de cable a cada cátodo justo al nivel de la placa.

• Clavé esto en cada extremo, luego volví y agregué un poco de soldadura en cada unión.
• Este cable debe pasar más allá de su último LED para facilitar la interfaz cuando agreguemos cables de control.

5. Repita las partes 1-4 hasta que tenga todos los LED en su lugar y todos los buses de columna soldados. Para crear un bus de fila, doble varios de los cables del ánodo en un ángulo de 90 grados para que toquen los otros cables del ánodo en la misma fila.

• Hay imágenes detalladas de esto a continuación.
• Tenga cuidado de que no entren en contacto con los buses de columna, creando un cortocircuito.

7. Suelde los cables en cada unión y corte el exceso de cables del ánodo.

Deje el último ánodo pegado al último LED. Esto se utilizará para conectar los cables de control del controlador de fila

8. Repita las partes 6 y 7 hasta que se hayan soldado todos los buses de filas. Conecte los cables de control.

• Usé alambre de núcleo sólido rojo para las filas y negro para las columnas.
• Conecte un cable para cada columna y uno para cada fila. Esto se puede hacer fácilmente al final de cada autobús.

Importante

Esta matriz de LED no tiene resistencias limitadoras de corriente. Si prueba esto sin resistencias, probablemente quemará sus LED y todo este trabajo será en vano.

Paso 3: el hardware de control

Necesitamos controlar las columnas y las filas de nuestra matriz de LED. La matriz se ha construido de modo que los ánodos (lado de voltaje del LED) constituyen las filas y los cátodos (lado de tierra del LED) forman las columnas. Esto significa que nuestro controlador de fila necesita generar corriente y nuestro controlador de columna necesita hundirlo. Para ahorrar en pines, estoy usando un registro de desplazamiento para controlar las columnas. De esta manera puedo controlar un número casi ilimitado de columnas con solo cuatro pines de microcontrolador. Es posible usar solo tres si el pin de habilitación de salida está vinculado directamente al voltaje. He seleccionado el controlador LED HEF4794 con registro de desplazamiento. Esta es una mejor opción que un 74HC595 estándar, ya que puede hundir fácilmente la corriente presente cuando los 8 LED están encendidos a la vez. En el lado alto (fuente de corriente para las filas), estoy usando un micrófono 2981. El esquema muestra un UDN2981, creo que estos dos son intercambiables. Este controlador puede generar hasta 500 mA de corriente. Debido a que solo manejamos 1 fila a la vez, esto brinda muchas oportunidades de expansión, hasta 33 columnas para este chip (más sobre eso en el paso de "conceptos modulares").

Construyendo el hardware de control

Para este instructable, acabo de ampliar este circuito. Para una solución más permanente, querrá grabar su propia placa de circuito o utilizar una placa de prototipos. Conductor de fila

• Coloque el mic2981 (o UDN2981) en la placa de pruebas
• Conecte el pin 9 al voltaje (esto es confuso en el esquema)
• Conecte el pin 10 a tierra (esto es confuso en el esquema)
• inserte resistencias 3k3 conectando a los pines 1-8
• Conecte desde el puerto D del ATmega8 (PD0-PD8) a las 8 resistencias
• Conecte los cables de control de 8 filas de la matriz de LED a los pines 11-18 (tenga en cuenta que he conectado la fila más baja de LED al pin 18 y la fila más alta al pin 11).

2. Controlador de columna

• Coloque el hef4794 en la placa de pruebas
• Conecte el pin 16 al voltaje
• Conecte el pin 8 a tierra
• Conecte resistencias de 220 ohmios a los pines 4-7 y 11-14.
• Conecte los cables de control de 8 columnas de la matriz de LED a las 8 resistencias que acaba de conectar.
• Conecte el Pin1 (Latch) a PC0 del ATmega8
• Conecte el Pin2 (Datos) a la PC1 del ATmega8
• Conecte el Pin3 (Reloj) a la PC2 del ATmega8
• Conecte el Pin15 (Habilitar salida) a la PC3 del ATmega8

3. Reloj de cristal

Conecte un cristal de 12 MHz y cargue los condensadores como se muestra en el esquema

4. ISP

Conecte el encabezado de programación como se muestra en el esquema

5. Condensador de filtrado y resistencia de pull-up

• Es mejor filtrar el voltaje suministrado al ATmega8. Utilice un condensador de 0,1 uf entre los pines 7 y 8 del ATmega8
• El pin de reinicio no debe dejarse flotando, ya que puede provocar reinicios aleatorios. Use una resistencia para conectarlo al voltaje, cualquier valor aproximado a 1k debería ser bueno. He usado una resistencia de 10k en el esquema.

6. Asegúrese de que está utilizando una potencia regulada de + 5v. Depende de usted diseñar el regulador.

Paso 4: software

El truco

Sí, como todo, hay truco. El truco es que nunca hay más de 8 LED iluminados a la vez. Para que esto funcione bien, se necesita un poco de programación astuta. El concepto que he elegido es utilizar una interrupción de temporizador. Así es como funciona la interrupción de pantalla en inglés simple:

• El temporizador cuenta hasta cierto punto, cuando se alcanza, se ejecuta la rutina de servicio de interrupción.
• Esta rutina decide qué fila es la siguiente que se mostrará.
• La información de la siguiente fila se busca en un búfer y se traslada al controlador de columna (esta información no está "bloqueada", por lo que aún no se muestra).
• El controlador de fila está apagado, no hay LED encendidos actualmente.
• El controlador de la columna está "bloqueado", por lo que la información que cambiamos en dos pasos hace que se muestre la información actual.
• El controlador de fila proporciona información actual a la nueva fila que estamos mostrando.
• La rutina del servicio de interrupción finaliza y el programa vuelve al flujo normal hasta la siguiente interrupción.

Esto sucede muy, muy rápidamente. La interrupción se lanza cada 1 mseg. Esto significa que estamos actualizando toda la pantalla aproximadamente una vez cada 8 mseg. Esto significa una frecuencia de visualización de alrededor de 125 Hz. Existe cierta preocupación con respecto al brillo porque esencialmente estamos ejecutando los LED en un ciclo de trabajo de 1/8 (están apagados 7/8 del tiempo). En mi caso, obtengo una pantalla suficientemente brillante sin parpadeo visible. La pantalla LED completa está mapeada en una matriz. Entre interrupciones, la matriz se puede cambiar (tenga en cuenta la atomicidad) y aparecerá en la pantalla durante la siguiente interrupción. de este instructable. He incluido el código fuente (escrito en C y compilado con AVR-GCC) así como el archivo hexadecimal para programar directamente. He comentado todo el código, por lo que debería poder usar esto para aclarar cualquier pregunta sobre cómo obtener datos en el registro de turno y cómo está funcionando la actualización de fila. Tenga en cuenta que estoy usando un archivo de fuente que vino con el biblioteca C universal ks0108. Esa biblioteca se puede encontrar aquí:

Shift Registers: cómo

Decidí agregar un poco sobre cómo programar con registros de turno. Espero que esto aclare las cosas para aquellos que no han trabajado con ellos antes. Lo que hacen Los registros de desplazamiento toman una señal de un cable y envían esa información a muchos pines diferentes. En este caso, hay un cable de datos que toma los datos y 8 pines que se controlan según los datos que se hayan recibido. Para mejorar las cosas, hay un pin de salida para cada registro de desplazamiento que se puede conectar al pin de entrada de otro registro de desplazamiento. Esto se llama cascada y hace que el potencial de expansión sea una perspectiva casi ilimitada. Los registros de Control PinsShift tienen 4 pines de control:

• Latch: este pin le dice al registro de desplazamiento cuándo es el momento de cambiar a los datos recién ingresados
• Datos: los 1 y 0 le indican al registro de desplazamiento qué pines activar se reciben en este pin.
• Reloj: este es un pulso enviado desde el microcontrolador que le dice al registro de desplazamiento que tome una lectura de datos y avance al siguiente paso en el proceso de comunicación.
• Habilitar salida: este es un interruptor de encendido / apagado, Alto = Encendido, Bajo = Apagado

Hacer que cumpla sus órdenes: Aquí hay un curso intensivo sobre el funcionamiento de los pines de control anteriores: Paso 1: Establezca Latch, Data y Clock en valores bajos.

Establecer el Latch bajo le dice al registro de desplazamiento que estamos a punto de escribir en él

Paso 2: establezca el pin de datos en el valor lógico que desea enviar al registro de cambios Paso 3: establezca el pin del reloj en alto, indicando al registro de cambios que lea el valor actual del pin de datos

Todos los demás valores actualmente en el registro de cambio se moverán 1 lugar, dejando espacio para el valor lógico actual del pin de datos

Paso 4: Establezca el pin del reloj en bajo y repita los pasos 2 y 3 hasta que todos los datos se hayan enviado al registro de desplazamiento.

El pin del reloj debe estar bajo antes de cambiar al siguiente valor de datos. Cambiar este pin entre alto y bajo es lo que crea el "pulso de reloj" que el registro de desplazamiento necesita saber cuándo pasar al siguiente paso del proceso

Paso 5: Establecer Latch alto

Esto le dice al registro de cambio que tome todos los datos que se han cambiado y los use para activar los pines de salida. Esto significa que no verá datos a medida que ingresan; no ocurrirá ningún cambio en los pines de salida hasta que el Latch esté en alto

Paso 6: Establezca Habilitar salida en alto

• No habrá salida de pin hasta que Enable Output esté configurado en alto, sin importar lo que esté sucediendo con los otros tres pines de control.
• Este alfiler siempre se puede dejar en alto si lo desea.

Conexión en cascada Hay dos pines que puede utilizar para la conexión en cascada, Os y Os1. Os es para relojes de aumento rápido y Os1 es para relojes de aumento lento. Enganche este pin al pin de datos del siguiente registro de desplazamiento y el desbordamiento de este chip se introducirá en el siguiente.

Abordar la pantalla

En el programa de ejemplo, he creado una matriz de 8 bytes llamada row_buffer . Cada byte corresponde a una fila de la pantalla de 8x8, siendo la fila 0 la inferior y la fila 7 la superior. El bit menos significativo de cada fila está a la derecha, el bit más significativo a la izquierda. Cambiar la pantalla es tan fácil como escribir un nuevo valor en esa matriz de datos, la rutina del servicio de interrupción se encarga de actualizar la pantalla.

Programación

La programación no se discutirá en detalle aquí. Le advertiría que no use un cable de programación DAPA, ya que creo que no podrá programar el chip una vez que esté funcionando a 12MHz. Todos los demás programadores estándar deberían funcionar (STK500, MKII, Dragon, programadores en paralelo / en serie, etc.). Fusibles: asegúrese de programar los fusibles para usar el crystalhfuse de 12 MHz: 0xC9lfuse: 0xEF

En acción

Una vez que programe el chip, la pantalla debería mostrar un "¡Hola mundo!". Aquí hay un video de la matriz LED en acciones. La calidad del video es bastante baja, ya que hice esto con la función de video de mi cámara digital y no con un video o cámara web adecuados.

Paso 5: conceptos modulares

Este proyecto es escalable. El único factor limitante verdadero será la cantidad de corriente que pueda proporcionar su fuente de alimentación. (La otra realidad es cuántos LED y cambios de registro tienes disponibles).

Matemáticas

Estoy manejando los LED a aproximadamente 15mA (5V-1.8vDrop / 220ohms = 14.5mA). Esto significa que puedo conducir hasta 33 columnas con el controlador mic2981 (500mA / 15mA = 33.3). Dividido por 8 podemos ver que esto nos permite encadenar 4 registros de desplazamiento. También tenga en cuenta que no es necesario que las 32 columnas se extiendan de izquierda a derecha. En su lugar, podría crear una matriz de 16x16 que esté cableada de la misma manera que lo haría con una matriz de 8x32. Esto se solucionaría cambiando 4 bytes…. los dos primeros se desplazarían hasta los leds de la novena fila, los dos segundos bytes se desplazarían a la primera fila. Ambas filas se obtendrían mediante un pin en el controlador de fila.

Registros de cambio en cascada

Los registros de desplazamiento utilizados son registros de desplazamiento en cascada. Esto significa que cuando cambia los datos, el desbordamiento aparece en el pin Os. Se vuelve muy útil ya que un conjunto de registros de desplazamiento se pueden conectar entre sí, pin Os a pin de datos, agregando 8 columnas con cada nuevo chip. Todos los registros de desplazamiento se conectarán a los mismos pines Latch, Clock y Enable Output en el microcontrolador. El efecto de "cascada" se crea cuando el O del primer registro de desplazamiento está conectado al pin de datos del segundo. Será necesario modificar la programación para reflejar el mayor número de columnas. Tanto el búfer que almacena la información como la función que cambia la información para cada columna deben actualizarse para reflejar el número real de columnas. A continuación se muestra un esquema de esto como ejemplo.

Controladores de varias filas

El controlador de fila (mic2981) puede generar suficiente corriente para impulsar 32 columnas. ¿Qué pasa si quieres más de 32 columnas? Debería ser posible utilizar varios controladores de fila sin utilizar más pines de microcontrolador. Necesitamos que los controladores de fila generen suficiente corriente para encender los LED. Si está utilizando más columnas de las que es posible iluminar a la vez, los controladores de fila adicionales pueden suministrar la corriente necesaria. Se utilizan los mismos pines de entrada del microcontrolador, por lo que no es necesario alterar el escaneo de las filas. En otras palabras, cada controlador controla las filas de un bloque de 8x32. Aunque 64 columnas pueden tener la misma ubicación de fila FÍSICA, dividimos los buses de fila en dos, usando un controlador para las 8 filas de las primeras 32 columnas y un segundo controlador para las 8 filas de las segundas 32 columnas y así sucesivamente. A continuación se muestra un esquema de esto como ejemplo: Posibles errores: 1. No utilice varios controladores de fila con el mismo número de columnas. Hacerlo significaría que cada pin de registro de cambio estaría activando más de un LED a la vez. Debe tener un conjunto de 8 resistencias (3k3) para cada controlador de fila, un conjunto para controladores de múltiples filas no funcionará ya que no proporcionará la corriente necesaria para cambiar las puertas.

Por ejemplo

Decidí ampliar la matriz que construí antes. He agregado 7 filas más para un total de 15, ya que eso es todo lo que puedo colocar en este protoboard. También acabo de enterarme de un concurso que Instructables está haciendo llamado "Let it Glow". Aquí hay un video de mi opinión sobre eso. Una vez más, la cámara digital que usé para tomar el video no le hace justicia. Esto se ve muy bien para el ojo humano, especialmente donde todos los LED parpadean, pero no se ve tan bien en el video. Disfrute: el código fuente para esta pantalla más grande se incluye a continuación.

Paso 6: Conclusión

Posibles adiciones

I2CI ha dejado los pines de la interfaz de dos cables (I2C) sin usar en este diseño. Hay varias perspectivas interesantes que pueden utilizar estos dos pines. La adición de una EEPROM I2C permitirá el almacenamiento de mensajes mucho más grandes. También existe la posibilidad de diseñar programación para convertir el mega8 en un controlador de pantalla compatible con I2C. Esto abriría la posibilidad de tener un dispositivo USB habilitado para mostrar datos en su matriz de LED pasándolos por el bus I2C. Entrada Hay muchos pines sobrantes que podrían usarse para botones o un receptor de infrarrojos. Esto permitiría programar mensajes a través de un sistema de menú. Pantalla Para este instructable, solo implementé un par de funciones de pantalla. Uno simplemente escribe caracteres en la pantalla, el otro desplaza caracteres en la pantalla. Lo importante que debe recordar es que lo que ve en las luces está representado en una matriz de datos. Si se le ocurren formas inteligentes de cambiar la matriz de datos, las luces cambiarán de la misma manera. Algunas oportunidades tentadoras incluyen la creación de un medidor gráfico a partir de las columnas. Esto podría usarse como analizador de señales con estéreo. El desplazamiento se puede implementar de arriba hacia abajo o de abajo hacia arriba, incluso de izquierda a derecha. ¡Buena suerte, diviértete!

Paso 7: seguimiento

Después de dejar el circuito del controlador en la placa durante meses, finalmente diseñé y grabé algunas placas de circuito para armar este prototipo. Todo salió muy bien, no creo que hubiera nada que hubiera hecho de otra manera.

Características de la placa de circuito

• Los registros de cambio están en tableros separados que se pueden conectar en cadena para aumentar el tamaño de la pantalla.
• La placa controladora tiene su propio regulador de potencia, por lo que puede funcionar con cualquier fuente de alimentación que proporcione 7v-30v (la batería de 9v o la fuente de banco de 12v funcionan bien para mí).
• Cabezal ISP de 6 pines incluido para que el microcontrolador se pueda reprogramar sin quitarlo de la placa.
• Cabezal de 4 pines disponible para uso futuro del bus I2C. Esto podría usarse para que una eeprom almacene más mensajes o incluso para convertirlo en un dispositivo esclavo controlado por otro microcontrolador (¿alguien tiene un ticker RSS?)
• En el diseño se incluyen 3 pulsadores momentáneos. Puedo modificar el firmware en el futuro para incluir el uso de estos botones.

Montaje

Dame plexiglás, soportes angulares, tornillos para metales de 6x32, tuercas y arandelas, así como un juego de grifos para roscar agujeros y puedo crear cualquier cosa.

Segundo premio en Let It Glow!