Светодиодная матрица с использованием регистров сдвига: 7 шагов (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:54

Это руководство должно быть более полным объяснением, чем другие доступные в Интернете. Примечательно, что это предоставит более подробное объяснение аппаратного обеспечения, чем доступно в светодиодной области, управляемой led555.

Цели

В этом руководстве представлены концепции, связанные со сдвиговыми регистрами и драйверами высокого уровня. Проиллюстрировав эти концепции светодиодной матрицей 8x8, я надеюсь предоставить вам инструменты, необходимые для адаптации и расширения к размеру и компоновке, которые требуются вашему проекту.

Опыт и навыки

Я бы оценил этот проект как средний:

• Если у вас уже есть опыт программирования микроконтроллеров и работы со светодиодами, вам будет довольно легко выполнить этот проект и масштабировать его до более крупных массивов источников света.
• Если вы только начинаете работать с микроконтроллерами и мигнули один или два светодиода, вы сможете завершить этот проект с помощью нашего друга Google.
• Если у вас мало или совсем нет опыта работы с микроконтроллерами или программированием, это, вероятно, выходит за рамки того, чем вы должны заниматься. Попробуйте еще несколько проектов для начинающих и вернитесь, когда у вас появится больше опыта в написании программ для микроконтроллеров.

Отказ от ответственности и кредит

Во-первых, я не инженер-электрик. Если вы обнаружите, что что-то не так или что-то не так, сообщите мне, и я внесу исправления. Делайте это на свой страх и риск! Вы должны знать, что делаете, иначе вы можете повредить свой компьютер, микроконтроллер и даже себя. Я многому научился в Интернете, особенно на форумах по адресу: https://www.avrfreaks.net Я использую набор шрифтов, поставляемый с универсальной библиотекой C. ks0108. Проверьте это здесь:

Шаг 1: Детали

Список деталей

Общие части

Чтобы сделать сетку из светодиодов 8х8 и управлять ими, вам понадобятся:

• 64 светодиода на ваш выбор
• 8 резисторов для светодиодов
• 1 Регистр сдвига для столбцов
• 1 Массив драйверов для строк
• 8 резисторов для переключения массива драйверов
• 1 микроконтроллер
• 1 источник тактовой частоты для микроконтроллера
• 1 макетная плата
• 1 блок питания
• Монтажный провод

Конкретные детали, используемые здесь

Для этого руководства я использовал следующее:

• 64 зеленых светодиода (деталь Mouser № 604-WP7113GD)
• 8 резисторов 220 Ом 1/4 Вт для светодиодов (деталь Mouser № 660-CFS1 / 4CT52R221J)
• 1 драйвер светодиода HEF4794 со сдвиговым регистром (номер по каталогу Mouser 771-HEF4794BPN)
• 1 mic2981 Высоковольтный источник высокого тока, драйверная матрица (Digikey part # 576-1158-ND)
• 8 резисторов 3,3 кОм 1/4 Вт для переключения массива драйверов (часть Radio Shack # 271-1328)
• 1 микроконтроллер Atmel ATmega8 (номер в каталоге Mouser 556-ATMEGA8-16PU)
• 1 кристалл 12 МГц для источника тактовой частоты микроконтроллера (деталь Mouser # 815-AB-12-B2)
• 1 макетная плата на 2200 отверстий (часть Radio Shack # 276-147)
• Преобразованный блок питания ATX: см. Эту инструкцию
• Соединительный провод со сплошным сердечником 22-awg (часть Radio Shack # 278-1221)
• Макетная плата без пайки (часть Radio Shack # 276-169 (больше не выпускается, попробуйте: 276-002)
• AVR Dragon (Деталь Mouser № 556-ATAVRDRAGON)
• Dragon Rider 500 от Ecros Technologies: см. Это руководство

Примечания относительно деталей

Драйверы строк и столбцов. Вероятно, самая сложная часть этого проекта - это выбор драйверов строк и столбцов. Во-первых, я не думаю, что стандартный сдвиговый регистр 74HC595 здесь является хорошей идеей, потому что он не может обрабатывать ток, который мы хотим передавать через светодиоды. Вот почему я выбрал драйвер HEF4794, поскольку он может легко поглотить текущий ток, когда все 8 светодиодов в одном ряду включены. Регистр сдвига присутствует на нижней стороне (вывод заземления светодиодов). Нам понадобится драйвер строки, который может обеспечивать достаточный ток для объединения нескольких столбцов. Mic2981 может обеспечивать ток до 500 мА. Единственная другая часть, которую я обнаружил, которая выполняет эту задачу, - это UDN2981 (часть digikey # 620-1120-ND), которая является той же частью от другого производителя. Пожалуйста, отправьте мне сообщение, если вы знаете другие драйверы высокого уровня, которые будут хорошо работать в этом приложении. Светодиодная матрица: это матрица 8x8, потому что драйверы строк и столбцов имеют по 8 контактов. Большая светодиодная матрица может быть построена путем соединения нескольких матриц вместе и будет обсуждаться на этапе «модульных концепций». Если вам нужен большой массив, заказывайте сразу все необходимые детали. В одной удобной упаковке доступны светодиодные матрицы 8x8, 5x7 и 5x8. Их должно быть легко заменить на самодельную матрицу. Ebay - хороший источник для них. Mouser предлагает несколько устройств 5x7, например, деталь № 604-TA12-11GWA. Я использовал дешевые зеленые светодиоды, потому что просто играю и получаю удовольствие. Потратив больше средств на высокоэффективные светодиоды с высокой яркостью, вы сможете получить гораздо более эффектный дисплей… этого для меня достаточно! Аппаратное обеспечение управления: матрица управляется микроконтроллером Atmel AVR. Для этого вам понадобится программист. Поскольку я создаю прототип, я использую Dragon Rider 500, для которого я написал инструкции по сборке и использованию. Это простой инструмент для создания прототипов, и я его очень рекомендую.

Шаг 2: Матрица

Я буду создавать свою собственную светодиодную матрицу для этого проекта, используя 5-миллиметровые светодиоды и макетную плату от Radio Shack. Следует отметить, что вы можете приобрести светодиодные модули с точечной матрицей 8x8 из нескольких источников, включая ebay. Они должны отлично работать с этим руководством.

Соображения по конструкции

Выравнивание Светодиоды необходимо выровнять так, чтобы они смотрели в одном направлении под одним и тем же углом. Я нашел, что самый простой вариант для меня - поставить корпус светодиода заподлицо с платой и удерживать его там с помощью небольшого куска оргстекла и зажима. Я установил несколько светодиодов на расстоянии пары дюймов от ряда, над которым работал, чтобы убедиться, что оргстекло параллельно макетной плате. Строки и столбцы: Нам нужно иметь общее соединение для каждой строки, а также для каждого столбца. Из-за того, что мы выбрали драйвер строки и столбца, нам необходимо, чтобы анод (положительный вывод светодиода) был подключен по строкам, а катод (отрицательный вывод светодиода) был подключен по столбцам. Контрольные провода Для этого прототипа я использую одножильный (одножильный) соединительный провод. Это будет очень просто сопрягать с макетной платой без пайки. Не стесняйтесь использовать другой тип соединителя в соответствии с вашим проектом.

Построение матрицы

1. Поместите первую колонку светодиодов в макетную плату. 2. Дважды проверьте правильность полярности каждого светодиода, это будет очень сложно исправить, если вы поймете это позже. Припаяйте оба вывода светодиода к плате. Убедитесь, что они выровнены правильно (не под странными углами), и отрежьте катодные выводы. Убедитесь, что вы не закрепили анодный вывод, он нам понадобится позже, поэтому оставьте его направленным вверх. Снимите изоляцию с куска одножильного провода. Припаяйте этот кусок провода к каждому катоду прямо на уровне платы.

• Я прикрепил это на каждом конце, затем вернулся и добавил немного припоя на каждом соединении.
• Этот провод должен проходить мимо вашего последнего светодиода, чтобы упростить интерфейс при добавлении проводов управления.

5. Повторяйте части 1–4, пока не установите все светодиоды и не припаяете все шины столбцов. Чтобы создать рядную шину, согните несколько анодных выводов под углом 90 градусов, чтобы они касались других анодных выводов в том же ряду.

• Ниже приведены подробные фотографии этого.
• Следите за тем, чтобы они не соприкасались с шинами колонки, создавая короткое замыкание.

7. Припаяйте выводы на каждом переходе и отрежьте лишние анодные выводы.

Оставьте последний анод торчать за последний светодиод. Он будет использоваться для подключения проводов управления драйвером ряда

8. Повторяйте части 6 и 7, пока не будут спаяны шины всех рядов. Присоедините провода управления.

• Я использовал красный одножильный провод для строк и черный для столбцов.
• Подключите по одному проводу для каждого столбца и по одному для каждого ряда. Это легко сделать в конце каждого автобуса.

Важный

В данной светодиодной матрице отсутствуют токоограничивающие резисторы. Если вы протестируете это без резисторов, вы, вероятно, сожжете свои светодиоды, и вся эта работа будет напрасной.

Шаг 3. Управляющее оборудование

Нам нужно управлять столбцами и строками нашей светодиодной матрицы. Матрица построена так, что аноды (сторона напряжения светодиода) составляют строки, а катоды (сторона заземления светодиода) составляют столбцы. Это означает, что нашему драйверу строки нужно подавать ток, а нашему драйверу столбца нужно его поглощать. Чтобы сэкономить на выводах, я использую сдвиговый регистр для управления столбцами. Таким образом, я могу управлять почти неограниченным количеством столбцов всего с четырьмя контактами микроконтроллера. Можно использовать только три, если вывод Enable Output напрямую связан с напряжением. Я выбрал драйвер светодиода HEF4794 со сдвиговым регистром. Это лучший вариант, чем стандартный 74HC595, поскольку он может легко поглотить текущий ток, когда все 8 светодиодов включены одновременно. На стороне высокого напряжения (источник тока для строк) я использую mic2981. На схеме показан UDN2981, я считаю, что они взаимозаменяемы. Этот драйвер может обеспечивать ток до 500 мА. Поскольку мы обрабатываем только 1 строку за раз, это дает много возможностей для расширения, до 33 столбцов для этого чипа (подробнее об этом в шаге «Модульные концепции»).

Создание управляющего оборудования

Для этой инструкции я только что сделал макет этой схемы. Для более надежного решения вы можете протравить собственную печатную плату или использовать макетную плату. Рядовой Драйвер

• Поместите mic2981 (или UDN2981) в макетную плату.
• Подключите контакт 9 к напряжению (это сбивает с толку на схеме)
• Подключите контакт 10 к земле (это сбивает с толку на схеме)
• вставьте резисторы 3k3, подключенные к контактам 1-8
• Подключите порт D ATmega8 (PD0-PD8) к 8 резисторам
• Подключите 8-рядные контрольные провода светодиодной матрицы к контактам 11-18 (обратите внимание, что я подключил самый нижний ряд светодиодов к контакту 18, а верхний ряд - к контакту 11).

2. Драйвер колонки

• Поместите hef4794 в макетную плату.
• Подключите контакт 16 к напряжению
• Подключите контакт 8 к земле
• Подключите резисторы 220 Ом к контактам 4-7 и 11-14.
• Подключите 8 проводов управления столбцами от светодиодной матрицы к 8 только что подключенным резисторам.
• Подключите Pin1 (защелка) к PC0 ATmega8.
• Подключите контакт 2 (данные) к ПК1 ATmega8.
• Подключите контакт 3 (часы) к ПК2 ATmega8.
• Подключите контакт 15 (включение выхода) к ПК3 ATmega8.

3. Часовой кристалл

Подключите кристалл 12 МГц и нагрузочные конденсаторы, как показано на схеме

4. Интернет-провайдер

Подключите программный заголовок, как показано на схеме

5. Фильтрующий конденсатор и подтягивающий резистор.

• Лучше всего фильтровать напряжение, подаваемое на ATmega8. Используйте конденсатор 0,1 мкФ между контактами 7 и 8 ATmega8.
• Штифт сброса не должен оставаться плавающим, так как это может вызвать случайный сброс. Используйте резистор, чтобы подключить его к напряжению, все около 1 кОм должно быть в порядке. В схеме я использовал резистор 10 кОм.

6. Убедитесь, что вы используете регулируемое напряжение +5 В. Вам решать, как спроектировать регулятор.

Шаг 4: Программное обеспечение

Хитрость

Да вроде все, есть прикол. Хитрость в том, что одновременно не может светиться более 8 светодиодов. Чтобы это работало хорошо, необходимо немного хитрого программирования. Я выбрал концепцию использования прерывания по таймеру. Вот как работает прерывание отображения на простом английском языке:

• Таймер отсчитывает до определенного момента, по достижении которого запускается процедура обслуживания прерывания.
• Эта процедура решает, какая строка будет следующей для отображения.
• Информация для следующей строки просматривается из буфера и перемещается в драйвер столбца (эта информация не «фиксируется», поэтому она еще не отображается).
• Драйвер строки выключен, светодиоды в данный момент не горят.
• Драйвер столбца "фиксируется", что позволяет отображать информацию, которую мы переместили на два шага назад, в текущую.
• Затем драйвер строки передает ток новой отображаемой строке.
• Подпрограмма обслуживания прерывания завершается, и программа возвращается в нормальный режим до следующего прерывания.

Это происходит очень-очень быстро. Прерывание генерируется каждые 1 мс. Это означает, что мы обновляем весь дисплей примерно раз в 8 мсек. Это означает, что частота отображения составляет около 125 Гц. Есть некоторая озабоченность по поводу яркости, потому что мы, по сути, запускаем светодиоды с рабочим циклом 1/8 (они выключены в 7/8 случаев). В моем случае я получаю достаточно яркий дисплей без видимого мигания. Полный светодиодный дисплей отображается в виде массива. В промежутках между прерываниями массив может быть изменен (помните об атомарности) и будет отображаться на дисплее во время следующего прерывания. Специфика написания кода для микроконтроллера AVR и того, как писать код для взаимодействия со сдвиговыми регистрами, выходит за рамки об этом поучительно. Я включил исходный код (написанный на C и скомпилированный с помощью AVR-GCC), а также шестнадцатеричный файл для непосредственного программирования. Я прокомментировал весь код, поэтому вы сможете использовать его, чтобы прояснить любые вопросы о том, как получить данные в регистр сдвига и как работает обновление строки. Обратите внимание, что я использую файл шрифта, который поставляется с ks0108 универсальная библиотека C. Эту библиотеку можно найти здесь:

Регистры сдвига: инструкции

Я решил добавить немного о том, как программировать со сдвиговыми регистрами. Я надеюсь, что это прояснит ситуацию для тех, кто раньше с ними не работал. Что они делают: Регистры сдвига принимают сигнал с одного провода и выводят эту информацию на множество разных контактов. В этом случае есть один провод данных, который принимает данные, и 8 контактов, которые управляются в зависимости от того, какие данные были получены. Чтобы все было лучше, для каждого регистра сдвига есть выход, который можно подключить к входному контакту другого регистра сдвига. Это называется каскадом и делает потенциал расширения практически неограниченным. Регистры Control PinsShift имеют 4 управляющих контакта:

• Защелка - этот вывод сообщает регистру сдвига, когда пришло время переключиться на вновь введенные данные.
• Данные - цифры 1 и 0, сообщающие регистру сдвига, какие выводы активировать, поступают на этот вывод.
• Часы - это импульс, отправляемый микроконтроллером, который сообщает регистру сдвига выполнить чтение данных и перейти к следующему этапу процесса связи.
• Включить выход - это переключатель вкл. / Выкл., High = On, Low = Off

Заставить его выполнять ваши приказы: Вот краткий курс по работе с вышеуказанными контрольными контактами: Шаг 1: Установите Latch, Data и Clock low

Установка Latch в низкий уровень сообщает регистру сдвига, что мы собираемся записать в него

Шаг 2: Установите вывод данных на логическое значение, которое вы хотите отправить в регистр сдвига Шаг 3: Установите вывод синхронизации в высокий уровень, сообщая регистру сдвига читать текущее значение вывода данных

Все остальные значения, находящиеся в настоящее время в регистре сдвига, переместятся на 1 место, освобождая место для текущего логического значения вывода данных

Шаг 4: Установите тактовый вывод на низкий уровень и повторяйте шаги 2 и 3, пока все данные не будут отправлены в сдвиговый регистр.

Перед переходом к следующему значению данных на тактовом выводе должен быть установлен низкий уровень. Переключение этого вывода между высоким и низким - это то, что создает «тактовый импульс», который необходим регистру сдвига, чтобы знать, когда перейти к следующему этапу процесса

Шаг 5: установите высокий уровень фиксации

Это указывает регистру сдвига, чтобы он взял все сдвинутые данные и использовал их для активации выходных контактов. Это означает, что вы не увидите данные по мере их поступления; никаких изменений на выходных контактах не произойдет, пока защелка не будет установлена в высокий уровень

Шаг 6: Установите высокий уровень разрешения выхода

• Выхода на вывод не будет, пока для параметра Enable Output не будет установлено высокое значение, независимо от того, что происходит с тремя другими выводами управления.
• При желании эту булавку всегда можно оставить высоко.

Каскадирование Есть два контакта, которые вы можете использовать для каскадирования, Os и Os1. Os - для быстро нарастающих часов, а Os1 - для медленно нарастающих часов. Подключите этот вывод к выводу данных следующего регистра сдвига, и переполнение этого чипа будет записано в следующий.

Обращение к дисплею

В программе-примере я создал массив из 8 байтов с именем row_buffer . Каждый байт соответствует одной строке дисплея 8x8, строка 0 является нижней, а строка 7 - верхней. Младший бит каждой строки находится справа, старший бит - слева. Изменить отображение так же просто, как записать новое значение в этот массив данных, процедура обслуживания прерывания позаботится об обновлении отображения.

Программирование

Программирование здесь подробно обсуждаться не будет. Я хотел бы предупредить вас, чтобы вы не использовали кабель для программирования DAPA, поскольку я считаю, что вы не сможете программировать чип, если он работает на частоте 12 МГц. Все остальные стандартные программаторы должны работать (STK500, MKII, Dragon, параллельные / последовательные программаторы и т. Д.). Предохранители: убедитесь, что предохранители запрограммированы на использование 12 МГц crystalhfuse: 0xC9lfuse: 0xEF

В действии

После программирования чипа на дисплее должно появиться сообщение «Hello World!». Вот видео светодиодной матрицы в действии. Качество видео довольно низкое, поскольку я сделал это с помощью функции видео моей цифровой камеры, а не с помощью надлежащего видео или веб-камеры.

Шаг 5: Модульные концепции

Этот проект масштабируемый. Единственным истинным ограничивающим фактором будет то, какой ток может обеспечить ваш блок питания. (Другая реальность - сколько светодиодов и регистров сдвига у вас есть).

Математика

Я управляю светодиодами примерно на 15 мА (5 В-1,8 В, падение / 220 Ом = 14,5 мА). Это означает, что я могу управлять до 33 колонок с драйвером mic2981 (500 мА / 15 мА = 33,3). Разделив на 8, мы видим, что это позволяет нам связать вместе 4 регистра сдвига. Также учтите, что не обязательно растягивать все 32 столбца слева направо. Вместо этого вы можете создать массив 16x16, который подключен так же, как массив 8x32. Это можно решить путем сдвига в 4 байта…. первые два переместятся полностью на светодиоды 9-й строки, вторые два байта переместятся в первую строку. Обе строки будут получены одним штырем на драйвере строки.

Каскадные регистры сдвига

Используемые регистры сдвига представляют собой каскадные регистры сдвига. Это означает, что при сдвиге данных на выводе Os появляется переполнение. Это становится очень полезным, поскольку набор регистров сдвига может быть соединен друг с другом, вывод Os на вывод данных, добавление 8 столбцов с каждым новым чипом. Все регистры сдвига будут подключаться к одним и тем же выводам Latch, Clock и Enable Output на микроконтроллер. Эффект "каскадирования" создается, когда Os первого регистра сдвига подключается к выводу данных второго. Программирование необходимо будет изменить, чтобы отразить увеличенное количество столбцов. И буфер, в котором хранится информация, и функция, которая сдвигает информацию для каждого столбца, должны быть обновлены, чтобы отразить фактическое количество столбцов. Схема этого приведена ниже в качестве примера.

Многорядные драйверы

Драйвер строки (mic2981) может обеспечивать ток, достаточный для управления 32 столбцами. Что делать, если вам нужно более 32 столбцов? Должна быть возможность использовать несколько драйверов строк без использования дополнительных выводов микроконтроллера. Нам нужны драйверы строк, чтобы обеспечить достаточный ток для включения светодиодов. Если вы используете больше столбцов, чем возможно за один раз, дополнительные драйверы строк могут обеспечить необходимый ток. Используются те же входные контакты микроконтроллера, поэтому нет необходимости изменять сканирование строк. Другими словами, каждый драйвер управляет строками для блока 8x32. Несмотря на то, что 64 столбца могут иметь одинаковое ФИЗИЧЕСКОЕ размещение строк, мы разделяем шины строк на две, используя один драйвер для 8 строк первых 32 столбцов и второй драйвер для 8 строк вторых 32 столбцов и так далее. Схема этого приведена ниже в качестве примера. Возможные ошибки: 1. Не используйте несколько драйверов строк с одинаковым количеством столбцов. Это будет означать, что каждый вывод регистра сдвига будет управлять более чем одним светодиодом одновременно. У вас должен быть набор из 8 резисторов (3k3) для каждого драйвера строки, один набор для нескольких драйверов строк не будет работать, поскольку он не будет обеспечивать необходимый ток для переключения ворот.

Например

Я решил расширить матрицу, которую построил ранее. Я добавил еще 7 строк, всего 15, так как это все, что я могу уместить на этой прототипной плате. Я также только что узнал о конкурсе, который проводит Instructables, под названием «Let it Glow». Вот видео с моей точки зрения. Опять же, цифровая камера, которую я использовал, чтобы снимать видео, не делает этого должным. Это выглядит великолепно для человеческого глаза, особенно там, где мигают все светодиоды, но не так хорошо на видео. Наслаждайтесь: исходный код для этого большего дисплея приведен ниже.

Шаг 6: Заключение

Возможные дополнения

I2CI оставил контакты двухпроводного интерфейса (I2C) неиспользованными в этой конструкции. Есть несколько интересных перспектив, которые могут использовать эти два контакта. Добавление I2C EEPROM позволит хранить гораздо большие сообщения. Также есть перспектива разработки программ, которые превратят mega8 в драйвер дисплея, совместимый с I2C. Это откроет возможность наличия USB-устройства для отображения данных на светодиодной матрице, передавая их по шине I2C. Вход: осталось много контактов, которые можно было бы использовать для кнопок или ИК-приемника. Это позволило бы запрограммировать сообщения через систему меню. Отображение Для этого я реализовал только пару функций отображения. Один просто выводит символы на дисплей, другой прокручивает символы на дисплее. Важно помнить, что то, что вы видите в свете, представлено в виде массива данных. Если вы придумаете отличные способы изменить массив данных, индикаторы будут меняться точно так же. Некоторые заманчивые возможности включают создание графического индикатора из столбцов. Его можно использовать как анализатор сигналов со стерео. Прокрутка может быть реализована сверху вниз или снизу вверх, даже слева направо. Удачи повеселиться!

Шаг 7: Дальнейшие действия

Оставив схему контроллера на макетной плате в течение нескольких месяцев, я, наконец, спроектировал и протравил несколько печатных плат, чтобы собрать этот прототип. Все получилось отлично, не думаю, что я бы что-то сделал иначе.

Особенности печатной платы

• Регистры сдвига находятся на отдельных платах, которые могут быть соединены последовательно для увеличения размера дисплея.
• На плате контроллера есть собственный регулятор мощности, поэтому он может работать от любого источника питания, обеспечивающего 7-30 В (батарея 9 В или настольный источник питания 12 В работают отлично для меня).
• В комплект входит 6-контактный разъем ISP, поэтому микроконтроллер можно перепрограммировать, не снимая его с платы.
• Доступен 4-контактный разъем для будущего использования шины I2C. Это можно было бы использовать для EEPROM для хранения большего количества сообщений или даже для того, чтобы сделать это ведомым устройством, управляемым другим микроконтроллером (тикер RSS?)
• В дизайн включены 3 кнопки мгновенного действия. Я могу настроить прошивку в будущем, чтобы включить использование этих кнопок.

сборка

Дайте мне оргстекло, угловые кронштейны, крепежные винты 6x32, гайки и шайбы, а также набор метчиков для резьбовых отверстий, и я могу создать что угодно.

Второй приз в конкурсе Let It Glow!