Подключение к ардуино светодиодной матрицы. Вывод пикселей с помощью библиотеки Max72xxPanel. Изменение адреса на шине I2C
Напрямую с выводов общего назначения. Проблема, которую нам тогда предстояло решить, заключалась в ограниченном количестве управляемых выводов у контроллера Ардуино. Апогеем же наших изысканий стало использование динамической индикации для . Теперь пришло время еще немного усложнить задачу: учимся работать со светодиодной матрицей.
1. Матричный индикатор
Как мы уже знаем, сегментные индикаторы, будь то шкалы или цифры, состоят из отдельных светодиодов, соединенных вместе. Например, у группы светодиодов могут быть соединены все катоды. Такой индикатор имеет приписку «с общим катодом», в противном случае — «с общим анодом».
А что будет, если мы разместим светодиоды не в виде цифры или шкалы, а в виде сетки? Получится уже вполне себе графический индикатор. То есть такой, на котором можно отобразить не только число, но и какое-то изображение.
Такая сетка называется матричным индикатором, а в случае использования светодиодов — светодиодной матрицей. Разрешение матричного индикатора — это количество точек по горизонтали и вертикали. Например, самые распространенные индикаторы имеют разрешение 8×8 точек.
Если требуется светодиодная матрица с большим разрешением, то её просто-напросто составляют из нескольких 8×8 индикаторов. Как это делать, мы увидим позже. А пока разберемся как соединяются все 64 светодиода внутри матрицы.
Конечно, можно бы было как и в случае семисегментного индикатора соединить все светодиоды общим катодом или анодом. В этом случае нам бы потребовалось либо 64 вывода контроллера, либо 8 сдвиговых регистров. Оба варианта весьма расточительны.
Более правильный вариант — объединить светодиоды в группы по 8 штук с общим катодом. Пусть это будут столбцы матрицы. Затем, параллельные светодиоды в этих столбцах объединить снова в группы по 8 штук уже с общим анодом. Получится вот такая схема:
Предположим, стоит задача зажечь светодиод R6C3. Для этого нам потребуется подать высокий уровень сигнала на вывод R6, а вывод C3 соединить с землей.
Не выключая эту точку, попробуем зажечь другую — R3C7. Положительный контакт питания соединим с R3 и землю с C7. Но в таком случае строки R6 и R3 будут пересекаться с колонками C3 и C7 не в двух, а в четырех местах! Следовательно и зажжется не две, а четыре точки. Проблема!
Очевидно, что помочь сможет всё та же . Если мы будем включать точки R6C3 и R3C7 по-очереди очень быстро, то сможем использовать персистентность зрения — способность интерпретировать быстро сменяющиеся изображения как одно целое.
2. Светодиодная матрица и сдвиговые регистры
В нашем уроке мы будем подключать к Ардуино Уно самую простую светодиодную матрицу 8×8 красного свечения. Нумерация выводов начинается с нижнего левого угла. При этом, нумерация ног 1-16 не связана никакой логикой с нумерацией колонок и строк C и R.
Ориентируясь на урок про динамическую индикацию, попробуем использовать в схеме управления матричным индикатором 8-битные сдвиговые регистры. Один регистр подключим к выводам индикатора, отвечающим за колонки, а второй к выводам строк.
Принципиальная схема
Важное замечание №1. Необходимо, чтобы резисторы в этой схеме были на линиях, идущих от первого сдвигового регистра. Этот сдвиговый регистр отвечает за колонки. При таком подключении, каждый резистор будет задавать ток только для одного светодиода на каждом шаге динамического алгоритма. Следовательно, все светодиоды будут светиться равномерно.
Важное замечание №2. Указанная выше схема носит сугубо ознакомительный характер. Правильнее будет включить в разрыв между вторым регистром и матрицей дополнительную силовую микросхему, например транзисторную сборку ULN2003.
3. Программа
Чтобы было веселей, попробуем высветить на индикаторе смайлик. Как уже было сказано, для вывода изображения на матрицу воспользуемся динамической индикацией. А именно, будем высвечивать нашу картинку построчно. Сначала зажжем нужные колонки в самой верхней строке, затем во второй, в третьей, и так все 8 строк.
За колонки у нас будет отвечать первый сдвиговый регистр, а за строки второй. Следовательно, вывод строки будет состоять из двух последовательных записей в регистр: сначала передаем код строки, затем код точек в этой строке.
В этой программе мы также воспользуемся ускоренной версией функции digitalWrite. Это необходимо для того, чтобы процесс динамической индикации проходил очень быстро. В противном случае, мы увидим заметное мерцание матрицы.
Исходный код
Const byte data_pin = PD2;
const byte st_pin = PD3;
const byte sh_pin = PD4;
unsigned long tm, next_flick;
const unsigned int to_flick = 500;
byte line = 0;
const byte data = {
0b00111100,
0b01000010,
0b10100101,
0b10000001,
0b10100101,
0b10011001,
0b01000010,
0b00111100
};
void latchOn(){
digitalWriteFast(st_pin, HIGH);
digitalWriteFast(st_pin, LOW);
}
void fill(byte d){
for(char i=0; i<8; i++){
digitalWriteFast(sh_pin, LOW);
digitalWriteFast(data_pin, d & (1<
Основная часть этой программы, включая переменные data_pin, sh_pin, st_pin, next_flick, to_flick и функцию fill уже известны нам из уроков про и про .
Массив data хранит восемь строк нашей картинки. Для экономии памяти мы записали каждую комбинацию точек в бинарном виде.
Функция latchOn открывает защелку регистра. Это нужно делать только после заполнения обоих сдвиговых регистров.
После загрузки программы на Ардуино, на индикаторе появится смайл.
4. Анимация на светодиодной матрице
А теперь доработаем программу таким образом, чтобы изображение на индикаторе менялось каждые пол секунды. Для этого вспомним еще раз .
Const byte data_pin = PD2;
const byte st_pin = PD3;
const byte sh_pin = PD4;
unsigned long tm, next_flick, next_switch;
const unsigned int to_flick = 500;
const unsigned long to_switch = 500000;
byte line = 0;
byte frame = 0;
const byte data = {
{ 0b00111100,
0b01000010,
0b10100101,
0b10000001,
0b10100101,
0b10011001,
0b01000010,
0b00111100
},
{ 0b00111100,
0b01000010,
0b10100101,
0b10000001,
0b10000001,
0b10111101,
0b01000010,
0b00111100
}};
void latchOn(){
digitalWriteFast(st_pin, HIGH);
digitalWriteFast(st_pin, LOW);
}
void fill(byte d){
for(char i=0; i<8; i++){
digitalWriteFast(sh_pin, LOW);
digitalWriteFast(data_pin, d & (1<
Загружаем программу на Ардуино и наблюдаем результат.
5. Масштабирование светодиодной матрицы
Светодиодная матрица с разрешением 8×8 подойдет для отображения двух цифр или простого символа. Если требуется вывести на индикатор какое-то более или менее полезное изображение, необходимо объединить матрицы. Делается это с помощью добавления новых сдвиговых регистров как по вертикали, так и по горизонтали.
Следует отметить, что быстродействия контроллера Ардуино Уно в связке со сдвиговыми регистрами хватит разве что на дисплей 16×16. Дальнейшее увеличение размеров светодиодного дисплея приведет к появлению заметного мерцания.
Задания
- Гипноз. Запрограммировать контроллер таким образом, чтобы на светодиодной матрице с периодом в 1 секунду появлялись концентрические окружности с постоянно увеличивающимся радиусом.
- Игра змейка. Реализовать на светодиодной матрице 8×8 такую известную игру, как змейка. В схему необходимо добавить четыре кнопки для управления направлением движения, а также зуммер для сигнализации события съедания яблок (или что там ест змея…).
- Электронный уровень. Добавить в схему акселерометр. Написать программу, которая будет отображать на светодиодной матрице точку, координаты которой зависят от наклона всего устройства. Например, когда устройство зафиксировано параллельно земле (перпендикулярно вектору гравитации), то точка находится в центре. При наклоне электронного уровня влево, точка пропорционально смещается право.
Заключение
Собрав схему управления матрицей, у многих может возникнуть вопрос: «Ну неужели за 30 лет никто не придумал более простого способа работы с матрицей?» На самом деле, придумали. Существуют специализированные микросхемы для работы с разными типами дисплеев, в том числе и для работы со светодиодной матрицей. В одном из следующих уроков мы научимся управлять индикатором с помощью микросхемы MAX7219. Такой способ позволит нам легко объединять несколько матриц с один большой дисплей, без необходимости сильно усложнять электрическую схему.
В этом примере мы используем светодиодную матрицу, на которой будем включать-выключать светодиоды и отображать ASCII символы.
В конце гайда приведено видел с результатом работы, так что не поленитесь - загляните. Уверен, вас впечатлит и вы тут же приметесь за дело.
Необходимые материалы
Для данного небольшого проекта вам понадобятся следующие компоненты:
- плата Arduino Uno;
- модуль матричного дисплея с красными светодиодами MAX7219;
- 5 коннекторов папа-мама;
В данном примере используется плата Arduino Uno, но вы можете использовать любую аналогичный или совместимый микроконтроллер.
Найти модуль матричного дисплея не составит труда. Китайцы уже давно и больших количествах продают из на eBay и Aliexpress. Кроме того, на многих радиорынках Украины и России они тоже есть в наличии. В состав этих модулей входят: 8х8 светодиодная матрица (красного цвета), чип MAX7219 для управления светодиодами, коннекторы, один резистор на 10 кОм, конденсатор на 100 нФ, электролитический конденсатор 10 uF, монтажная плата, на которой все это устанавливается. Можно заказать собранный модуль, можно самому распаять все компоненты. Зависит от вас.
ВАЖНО: матричный светодиодный дисплей является общим катодом. Модуль не работает матрицами, которые имеют общий анод!
Библиотека Arduino для работы с матричным светодиодным дисплеем
Светодиодная матрица (LED matrix) управляется с помощью чипа MAX7219 и библиотеки Arduino .
Самая потрясающая вещь в этой библиотеке - это возможность подключения до 8 матриц и реализовать большой дисплей (более детально будет рассмотрено в отдельном туториале)
Библиотека LedControl library была дополнена некоторыми новыми методами для упрощения отображения символов и строк. Новая версия библиотеки доступна для скачивания по ссылкам:
Для интегрирования библиотеки в вашу Arduino IDE:
Распакуйте файл библиотеки, который вы только что скачали;
Убедитесь, что вы закрыли все открытые окна Arduino IDE;
Найди папку libraries внутри папки, где у вас установлена Arduino IDE (смотрите на рисунке ниже);
Скопируйте разархивированную папку LedControlMS (папку со всем ее содержимым) в папку libraries.
Если все прошло хорошо, вы можете вновь открыть Arduino IDE. В меню File -> Examples должна появится вкладка под названием LedControlMS с четырьмя файлами внутри.
Если у вас возникли дополнительные вопросы по установке библиотек в Arduino IDE, ознакомьтесь со статьей Библиотеки Arduinoгде рассмотрены все возможные сложности и порядок установки библиотек Arduino. Да и вообще, что это такое - библиотеки.
После установки библиотеки можно подключать LED матрицу к плате Arduino .
На модуле светодиодной матрицы есть два набора контактов. В этом проекте мы будем использовать только контакты на вход, которые расположены ближе к чипу MAX 7219.
Есть пять контактов, которые надо подключить к соответствующим пинам Arduino.. Подключаем с помощью коннекторов папа-мама:
На рисунке ниже коннекторы имеют цвета, приведенные в пояснениях. Так что можете смело перепроверить подключение с помощью рисунка.
Пример скетча для Arduino
Библиотека LedControl library может работать как с 7-ми сегментными светодиодными дисплеями, так и со светодиодными матрицами. В нашем случае будут использоваться методы для работы со светодиодными матрицами.
Обновленная библиотека, которая была создана для Makespace Madrid позволяет определять алфавит/шрифт символов, которые отображаются на светодиодном матричном дисплее. Кроме того, включено два новых метода: writeString и displayChar. Практические примеры работы различных методов вы можете увидеть в примере MakeSpace_LEDMatrix, который включен в состав библиотеки.
Открыть скетч можно выбрав в Arduino IDE File -> Examples -> LedControlMS -> MakeSpace_ LEDMatrix
Можете загрузить пример на вашу плату Arduino и повосхищаться результатом.
Примечание 1: если у вас на ПК стоит старая версия Arduino IDE (0.x), вам придется изменить расширение скетчей, которые входят в состав библиотеки. Измените расширение файлов с.ino на.pde (MakeSpace_ LEDMatrix.ino -> MakeSpace_ LEDMatrix.pde). В таком случае ваша Arduino IDE сможет прочитать и открырь эти файлы (возможно, вам опять таки надо будет закрыть окно Arduino IDE и только после этого изменить расширение файла).
Примечание 2: перед загрузкой скетча убедитесь, что вы выбрали корректный COM-порт.
Резутьтат!
Обещанный результат на видео ниже:
Если все прошло успешно, ваша светодиодная матрица начнет отрабатывать последовательность операций, включая/выключая светодиоды и отображая различные символы. Уверен, вы с легкостью сможете сопоставить код в скетче с действиями, которые отрабатывает матричный дисплей на базе MAX 7219. Дальше предлагаю вам изменять скетч, экспериментировать с представлеными в библиотеке методами и отображать ваши собственные идеи с помощью матричного дисплея.
В помощь прилагаю ниже в PDF файле некоторые данные о светодиодах, строках и колонках, которые пронумерованы и зашиты в библиотеку LEDControl library. Не бойтесь ошибок! Именно ошибки часто ускоряют процесс обучения!
Оставляйте Ваши комментарии, вопросы и делитесь личным опытом ниже. В дискуссии часто рождаются новые идеи и проекты!
Материалы:
- светодиоды 144 шт
- резисторы 24 шт (определяется по типу светодиодов, в этом случае 91 Ом)
- счетчик десятичный 4017
- резисторы 6 шт (номинал 1 кОм)
- транзисторы 6 шт 2N3904
- Длинная макетная плата
- Arduino
- регистры сдвига 3 шт (74HC595)
- штыревые разъёмы
Шаг 1: Как работает:
Обычно информация в светодиодной матрице разбивается на мелкие части, которые после передаются друг за другом. Таким образом, экономится большое количество выводов на Arduino, и программа становится достаточно простой.
На каждом регистре числится 8 выходов, используется всего 3 вывода Arduino для контролирования огромного числа сдвиговых регистров.
Как было сказано ранее, сканирование происходит с помощью этого счётчика 4017, через подключение одного ряда к земле за один раз и отправке данных через резисторы в колонки.
Шаг 2: Схема
Единственные элементы не указанные на схеме - это резисторы ограничения тока, так как их номинал напрямую зависит от того какого типа светодиоды используются. Поэтому их величина должна быть вычислена самостоятельно.
Для расчёта величин 24 резисторов можно воспользоваться калькулятором
Для начала смотрят спецификацию светодиода, для того чтобы узнать их прямое напряжение и их прямой ток. Информацию можно узнать сразу при покупке. Схема работает от напряжения 5В. Соответственно необходим источник питания с таким же напряжением.
Также добавлен макет платы управления, который изготовлен с помощью инструментального средства Willard 2.0.
Шаг 3: пайка
Пайка такого большого количества светодиодов задача ни из лёгких если не знаешь наверняка как это делается правильно.
Автор сгибает вниз положительный вывод светодиодов по направлению к остальным выводам, и делается ряд, после чего отрезается неприменимая часть вывода, и пытается сделать эти соединения максимально низкими. Эта процедура делается для каждого положительного вывода.
На данном этапе отрицательные выводы соединены в колонку и их спаивание неудобно, так как у них на пути положительный ряд. Поэтому отрицательный вывод сгибается на 90 градусов, и делается мост над положительным рядом к следующему отрицательному выводу, и так для всех остальных светодиодов.
Сдвиговые регистры и оставшиеся компоненты можно припаиваются на усмотрение каждого отдельно.
Шаг 4: программирование
Пришло время к последнему этапу проекта.
Автор до этого писал несколько похожих программ. Поэтому ему пришлось только добавить программу, которая будет получать слово или же целое предложение от монитора IDE arduino и затем отображает его на матрице. Код, конечно же, можно создать свой или изменить этот на своё усмотрение.
В архиве приложен excel файл, для возможности создания своих знаков или символов.
Как это сделать:
Создаётся нужный знак пиксель за пикселем (ничего сложного в этом нет), и копируется выходная строка - #define {OUTPUT LINE}
Наконец доехали из поднебесной матричные модули. Каждый модуль состоит из микросхемы MAX7219 (), светодиодной матрицы, в обвязке стоят один конденсатор и один резистор.
Управляется MAX7219 по интерфейсу SPI.
Микросхемы в кластере соединены последовательно. Читал в интернете, что максимально возможное последовательное подключение допускает всего 8 штук MAX7219. Не верьте. 16 модулей соединил, и все прекрасно работает.
Модули, представленные на Али, бывают в нескольких вариантах исполнения. Наибольшей популярностью пользуются 2 вида: с микросхемой в DIP и в SOIC корпусах. Модуль с DIP-микросхемой большего размера и не так удобен при соединении в кластер. Соединять придется кучей проводов.
Модули с микросхемой в SOIC-корпусе имеют размер светодиодной матрицы и соединяются пайкой или джамперами. Получается красиво и аккуратно.
Наиболее известными библиотеками для работы с матрицами и кластерами являются MAX72xx Panel от Марка Райса и Parola от MajicDesigns : первая библиотека проще в использовании, вторая посложнее с бОльшими возможностями. Распишу подробнее.
MAX72xx Panel
При использовании MAX72xx Panel обязательна установка библиотеки Adafruit GFX .
Для русификации текста необходимо будет скачать ЭТОТ ФАЙЛ и заменить стандартный файл glcdfont.c в каталоге Arduino/Libraries/Adafruit-GFX-Library-master. Также в этом файле описаны, кроме нужных букв и цифр, куча всяких символов. Далеко не все они могут пригодиться. Картинка ниже поясняет как формируются символы.
При необходимости Вы можете создать свои символы и заменить ими любые неиспользуемые в файле. Практически все точечные шрифты, используемые в различных библиотеках, сформированы подобным образом.
Итак, библиотеки MAX72xx Panel и Adafruit GFX установлены, файл glcdfont.c заменен. Запускаем Arduino IDE, открываем ФАЙЛ . В скетче есть функция utf8rus. Она обеспечивает перекодировку таблицы символов для русского языка. Она нужна только для нормального вывода из программы, то есть в программе нужный текст пишется на русском. Если текст вводится через СОМ-порт, то коррекция кодов символа происходит в функции Serial_Read. В IDE и в консоли разработчики использовали разные кодировки.
В начале файла присутствуют строки необходимые для работы библиотеки.
int numberOfHorizontalDisplays = 1;
int numberOfVerticalDisplays = 16;
У меня модули с микросхемой в SOIC-корпусе. У них есть небольшая особенность. Матрица у модулей установлена повернутой на 90 градусов. Это плата за удобство соединения. Если запустить скетчи, идущие в комплекте с библиотеками, они будут выводить текст снизу вверх в каждом модуле. Текст будет выводится зигзагами. Для лечения этого недуга библиотеке надо "сказать", что вертикальных дисплеев 16 (физически они расположены горизонтально). И потом в void Setup указать библиотеке строку
matrix.setRotation(matrix.getRotation() + 1);
Она программно перевернет каждую матрицу. И отображаться все будет нормально.
У модулей с DIP-корпусом микросхем такого нет. Там все красиво, кроме кучи проводов.
Библиотека MAX72xx Panel довольно скромная. Визуальных эффектов вывода нет. Кластер воспринимается как одно целое. Намного лучше дела обстоят с MD Parola.
Parola от MajicDesigns.
Обладатели модулей с микросхемой в SOIC-корпусе также столкнутся с проблемой ориентации модулей в кластере. Только выглядит это немного по-другому нежели в MAX72xx. Здесь модули окажутся как бы не в своей очереди.
Скетч HelloWorld из образцов в комплекте с библиотекой.
Программно в скетче мне не удалось вылечить этот недуг. Я вылечил его по-другому. В файле Adruino/libraries/MD_MAX72xx_lib.h в конце нужно найти строки как на картинке.
И исправить в выделенной строке выделенную 1 на 0. Сохранить файл. Arduino IDE можно не перезагружать. Заливаем, смотрим.
Теперь можно использовать 24 эффекта анимации. Анимация запускается командой P.displayText(«Текст для вывода», «выравнивание текста», скорость, задержка показа, эффект появления, эффект исчезновения). Как видите, настроек достаточно много.
И самый смак - деление кластера на виртуальные зоны. С зонами работать не очень сложно. Скетч не выкладываю, он есть в образцах, идущих с библиотекой. Теперь выводить часы в начале кластера и бегущую строку с новостями на оставшихся модулях можно без проблем, почти.
Как вы уже догадываетесь проблема с кириллическими буквами. Она тоже решаема. Рядом с предыдущим файлом в той же директории лежит файлик MD_MAX72xx_font.cpp. Это файл шрифта. Символы в нем сформированы аналогично файлу шрифта GFX библиотеки. Есть небольшое отличие. Здесь размер символа может быть меньше 5 точек. В библиотеке Adafruit GFX восклицательный знак, например, занимает также 5 точек шириной, как и любой другой символ, только используется один ряд точек. Остальные не светятся, но используются под символ. В Parola тот же восклицательный знак занимает также один ряд точек, только рядом не пустые точки, а могут стоять соседние символы. Понятнее будет разобраться по картинке.
Дополнить файл кириллическими символами аналогично файлу из первой рассмотренной библиотеки пока времени нет. Если кто-нибудь это сделает и пришлет мне файл, я добавлю его к этой статье, и Вам будут благодарны и я, и гости моего сайта.
Итог. Библиотека MAX72xx Panel от Марка Райса проста в использовании и понимании, но с бедным функционалом.
Библиотека Parola от MajicDesigns посложнее и ее возможностей хватит практически для любого применения.
