Светодиодный дисплей ардуино. Светодиодная матрица и управление ей в Arduino

Два года назад, когда я только начал заниматься мультикоптерами, мне пришлось сделать небольшой . Поскольку квадрокоптер задумывался сугубо автономным, все что требовалось от этого пульта - это управлять беспилотником во время испытаний и настройки.

В принципе, пульт со всеми возложенными на него задачами справлялся вполне успешно . Но были и серьезные недостатки.

1. Батарейки в корпус никак не влазили, поэтому приходилось их приматывать к корпусу изолентой:)
2. Настройка параметров была вынесена на четыре потенциометра, которые оказались очень чувствительными к температуре. В помещении настраиваешь одни значения, выходишь на улицу - а они уже другие, уплыли.
3. У Arduino Nano, которую я использовал в пульте, есть всего 8 аналоговых входов. Четыре были заняты настроечными потенциометрами. Один потенциометр служил газом. Два входа были подключены к джойстику. Оставался свободен только один выход, а параметров для настройки гораздо больше.
4. Единственный джойстик был вовсе не пилотным. Управление газом с помощью потенциометра тоже весьма угнетало.
5. А еще пульт не издавал никаких звуков, что иногда бывает крайне полезно.

Чтобы устранить все эти недостатки, я решил кардинально переделать пульт. И железную часть, и софт. Вот что мне захотелось сделать:

• Сделать большой корпус, чтобы в него можно было запихнуть все что хочется сейчас (включая батарейки), и что захочется позже.
• Как-то решить проблему с настройками, не за счет увеличения числа потенциометров. Плюс, добавить возможность сохранения параметров в пульте.
• Сделать два джойстика, как на нормальных пилотных пультах. Ну и сами джойстики поставить православные.

Новый корпус

Идея чрезвычайно проста и эффективна. Вырезаем из оргстекла или другого тонкого материала две пластины и соединяем их стойками. Все содержимое корпуса крепится либо к верхней, либо к нижней пластине.

Элементы управления и меню

Чтобы управлять кучей параметров, нужно либо разместить на пульте кучу потенциометров и добавить АЦП, либо делать все настройки через меню. Как я уже говорил, настройка потенциометрами не всегда хорошая идея, но и отказываться от нее не стоит. Так что, решено было оставить в пульте четыре потенциометра, и добавить полноценное меню.

Чтобы перемешаться по меню, и менять параметры обычно используют кнопки. Влево, вправо, вверх, вниз. Но мне захотелось использовать вместо кнопок энкодер. Эту идею я подсмотрел у контроллера 3D-принтера.

Разумеется, за счет добавления меню, код пульта распух в несколько раз. Для начала я добавил всего три пункта меню: "Telemetry", "Parameters" и "Store params". В первом окне отображается до восьми разных показателей. Пока я использую только три: заряд батареи, компас и высота.

Во втором окне доступны шесть параметров: коэффициенты PID регулятора для осей X/Y,Z и корректировочные углы акселерометра.

Третий пункт позволяет сохранять параметры в EEPROM.

Джойстики

Над выбором пилотных джойстиков я долго не размышлял. Так получилось, что первый джойстик Turnigy 9XR я добыл у коллеги по квадрокоптерному делу - Александра Васильева, хозяина небезызвестного сайта alex-exe.ru . Второй такой же заказал напрямую на Hobbyking.

Первый джойстик был подпружинен в обоих координатах - для контроля рыскания и тангажа. Второй я взял такой же, чтобы затем переделать его в джойстик для управления тягой и вращением.

Питание

В старом пульте я использовал простой регулятор напряжения LM7805, который кормил связкой из 8 батареек AA. Жутко неэффективный вариант, при котором 7 вольт уходили на нагрев регулятора. 8 батареек - потому что под рукой был только такой отсек, а LM7805 - потому что в то время этот вариант мне представлялся самым простым, и главное быстрым.

Теперь же я решил поступить мудрее, и поставил достаточной эффективный регулятор на LM2596S. А вместо 8-ми AA батареек, установил отсек на два LiIon аккумулятора 18650.

Результат

Собрав все воедино, получился вот такой аппарат. Вид изнутри.

А вот с закрытой крышкой.

Не хватает колпачка на одном потенциометре и колпачков на джойстиках.

Наконец, видеоролик о том, как происходит настройка параметров через меню.

Итог

Физически пульт собран. Сейчас я занимаюсь тем, что дорабатываю код пульта и квадрокоптера, чтобы вернуть им былую крепкую дружбу.

По ходу настройки пульта, были выявлены недостатки. Во-первых, нижние углы пульта упираются в руки:(Наверное я немного перепроектирую пластины, сглажу углы. Во-вторых, даже дисплея 16х4 не хватает для красивого вывода телеметрии - приходится названия параметров сокращать до двух букв. В следующей версии девайса установлю точечный дисплей, либо сразу TFT матрицу.

Светодиодная матрица — это графический индикатор, который можно использовать для вывода простых изображений, букв и цифр. Подробно с устройством матричных индикаторов мы познакомились на . Тогда же стало понятно, что группировать несколько матриц вместе задача не из простых. На каждый новый ряд или колонку матриц нужно добавлять новый сдвиговый регистр вместе с проводами и резисторами, а по-хорошему еще и микросхему ULN2003.

К счастью, инженеры давно уже разработали специализированные микросхемы для управления разного рода индикаторами. В этом уроке мы рассмотрим матричный модуль с микросхемой MAX7219. Как станет понятно позже, работать с таким модулем одно удовольствие.

1. Модуль светодиодной матрицы с микросхемой MAX7219

Модуль представляет из себя плату с микросхемой, необходимой для неё обвязкой и, собственно, матричным индикатором. Обычно индикатор не впаивают в плату, а вставляют в разъем. Это сделано для того, чтобы группу модулей можно было сначала закрепить на какой то поверхности винтами, а затем вставить в них матрицы.

А вот так модуль выглядит уже с матрицей.

У модуля есть пять выводов на каждой стороне. С одной стороны данные входят в модуль, с другой стороны данные выходят из модуля и передаются в следующий. Это позволяет соединять матрицы у цепочку.

Входной разъем:

• VCC, GND — питание;
• DIN — вход данных;
• CLK — синхроимпульс.

Выходной разъем:

• VCC, GND — питание;
• DOUT — выход данных;
• CS — выбор модуля (chip select);
• CLK — синхроимпульс.

Работает модуль от напряжения 5 Вольт.

Подключение

Подключаем матричный модуль к контроллеру Ардуино Уно по следующей схеме:

Светодиодная матрицы 8×8 с MAX7219	VCC	GND	CIN	CS	CLK
Ардуино Уно	+5V	GND	11	9	13

Принципиальная схема

Внешний вид макета

2. Вывод пикселей с помощью библиотеки Max72xxPanel

Для управления микросхемой MAX7219 воспользуемся библиотекой Max72xxPanel . Скачать её можно по ссылкам в конце урока.

Установим библиотеку и напишем небольшую программу, которая будет выводить на дисплей всего одну точку с координатами x=3 и y=4. Точка будет мигать с периодом 600 миллисекунд.

#include #include #include int pinCS = 9; int numberOfHorizontalDisplays = 1; // количество матриц по-горизонтали int numberOfVerticalDisplays = 1; // количество матриц по-вертикали Max72xxPanel matrix = Max72xxPanel(pinCS, numberOfHorizontalDisplays, numberOfVerticalDisplays); void setup() { matrix.setIntensity(4); // яркость от 0 до 15 } void loop() { matrix.drawPixel(3, 4, HIGH); // зажигаем пиксель с координатами {3,4} matrix.write(); // вывод всех пикселей на матрицу delay(300); matrix.drawPixel(3, 4, LOW); // гасим пиксель matrix.write(); delay(300); }

Как уже говорилось ранее, матричные модули с микросхемой MAX7219 можно легко объединять. Именно для этой цели в начале программы мы задаем количество матриц по-горизонтали и по-вертикали. В данном случае используется одна матрица, так что оба этих параметра будут равны 1.

Важно отметить, что после включения и выключения пикселей с помощью функции drawPixel , необходимо вызвать функцию write . Без функции write, пиксели не высветятся на матрице!

Теперь напишем программу, которая отобразит на матрице смайл из прошлого . Смайл зашифруем с помощью массива из восьми байт. Каждый байт массива будет отвечать за строку матрицы, а каждый бит в байте за точку в строке.

#include #include #include int pinCS = 9; int numberOfHorizontalDisplays = 1; // количество матриц по-горизонтали int numberOfVerticalDisplays = 1; // количество матриц по-вертикали Max72xxPanel matrix = Max72xxPanel(pinCS, numberOfHorizontalDisplays, numberOfVerticalDisplays); const byte data = { 0b00111100, 0b01000010, 0b10100101, 0b10000001, 0b10100101, 0b10011001, 0b01000010, 0b00111100 }; void setup() { matrix.setIntensity(7); // яркость от 0 до 15 matrix.fillScreen(LOW); // очистка матрицы for (int y = 0; y < 8; y++) { for (int x = 0; x < 8; x++) { // зажигаем x-й пиксель в y-й строке matrix.drawPixel(x, y, data[y] & (1<

Примечание. В библиотеке Max72xxPanel есть функция setRotation, которая задает ориентацию изображения на матрице. Например, если мы захотим повернуть смайл на 90 градусов, нужно будет сразу после вызова функции setIntensity вызвать setRotation с соответствующими аргументами:

matrix.setRotation(0, 1);

первый параметр — это индекс матрицы, в нашем случае он равен нулю; второй параметр — количество поворотов на 90 градусов.

3. Вывод текста с помощью библиотеки Adafruit-GFX-Library

Подобным же образом можно выводить на матрицу и любой другой символ, например, букву. Но чтобы иметь возможность отображать любую букву английского алфавита, нам необходимо будет определить в программе целых 26 восьмибайтных массива! Это очень муторно, и разумеется кто-то это уже сделал до нас.

В популярной библиотеке Adafruit-GFX-Library помимо функций для работы с графикой и текстом, имеется и база латинских букв в верхнем и нижнем регистрах, а также все знаки препинания и прочие служебные символы. Ссылка на библиотеку есть в конце урока.

Отобразить символ на матрице можно с помощью функции drawChar .

drawChar(x, y, символ, цвет, фон, размер);

Первые два параметра функции отвечают за координаты верхнего левого угла символа. Третий параметр — это сам символ. Цвет символа в нашем случае будет равен 1 или HIGH, так как матрица двухцветная. Фон равен 0 или LOW. Последний параметр «размер» сделаем равным 1.

Напишем программу, которая будет по-очереди выводить на матрицу все буквы фразы: «HELLO WORLD!».

#include #include #include int pinCS = 9; int numberOfHorizontalDisplays = 1; int numberOfVerticalDisplays = 1; Max72xxPanel matrix = Max72xxPanel(pinCS, numberOfHorizontalDisplays, numberOfVerticalDisplays); String tape = "HELLO WORLD!"; int wait = 20; void setup() { matrix.setIntensity(7); // яркость от 0 до 15 } void loop() { for (int i = 0 ; i < tape.length(); i++) { matrix.fillScreen(LOW); matrix.drawChar(0, 0, tape[i], HIGH, LOW, 1); matrix.write(); } delay(wait); }

Примечание. В библиотеке Adafruit_GFX имеется множество функций для работы с графикой. Например, drawCircle(3, 3, 2, HIGH) начертит окружность с центром {3,3} и радиусом 2. Последний параметр — цвет, но в случае монохромной матрицы он равен 1 или HIGH. Функция drawLine(0, 0, 3, 6, HIGH) начертит отрезок между точками {0,0} и {3,6}.

3. Программа. Бегущая строка на max7219

Чтобы отобразить сразу несколько букв нам потребуется соединить в цепочку несколько светодиодных матриц. Как уже говорилось ранее, делается это очень просто. Схема для подключения шести модулей будет выглядеть следующим образом.

Принципиальная схема

Внешний вид макета

Программа

Бегущую строку будем делать путем сдвига координат букв. Для вывода буквы в нужных координатах используем всё ту же функцию drawChar.

#include #include #include int pinCS = 9; int numberOfHorizontalDisplays = 6; // теперь у нас по-горизонтали 6 матриц int numberOfVerticalDisplays = 1; // а по-вертикали, по-прежнему, одна Max72xxPanel matrix = Max72xxPanel(pinCS, numberOfHorizontalDisplays, numberOfVerticalDisplays); String tape = "сайт"; // текст, который будет плыть int wait = 20; // время между крайними перемещениями букв int spacer = 1; // расстояние между буквами int width = 5 + spacer; // размер шрифта void setup() { matrix.setIntensity(7); // яркость } void loop() { for (int i = 0 ; i < width * tape.length() + matrix.width() - 1 - spacer; i++) { matrix.fillScreen(LOW); int letter = i / width; int x = (matrix.width() - 1) - i % width; int y = (matrix.height() - 8) / 2; // center the text vertically while (x + width - spacer >= 0 && letter >= 0) { if (letter < tape.length()) { matrix.drawChar(x, y, tape, HIGH, LOW, 1); } letter--; x -= width; } matrix.write(); delay(wait); } }

Загружаем программу на Ардуино Уно и наблюдаем бегущую строку!

Задания

1. Электронные часы. Собрать схему из четырех светодиодных матриц и модуля часов реального времени. Написать программу для Ардуино, которая будет выводить часы и минуты на дисплей из матриц.
2. Игра змейка. Собрать из четырех светодиодных матриц дисплей разрешением 16×16 пикселей. Реализовать на Ардуино такую известную игру, как «змейка» (или «питон»). В схему необходимо добавить четыре кнопки для управления направлением движения, а также зуммер для сигнализации события съедания яблок.

Заключение

Соединяя вместе матричные модули на max7219 можно собирать достаточно большие дисплеи и использовать их в Ардуино-проектах, где требуется вывод ярких изображений. Светодиодные дисплеи, в отличие от жидкокристаллических, устойчивы к низким температурам. Например, бегущую строку из матриц можно размещать на улице даже в 30-градусный мороз.

Кроме одноцветных матричных модулей на max7219 существуют и другие подобные устройства. Например, трехцветные светодиодные дисплеи с разрешением 32×16 и даже 64×32 пикселей. О таких модулях поговорим в следующих уроках и статьях.

Полезные ссылки

1. Библиотека Max72xxPanel :

2. Библиотека Adafruit-GFX-Library .

Светодиодная матрица – удобное средство для отображения информации: во-первых, она ярче обычных TFT-дисплеев, во-вторых, больше по размеру, что в ряде случаев имеет преимущества (если нам не надо отображать фотографии).

При желании без особых затруднений можно найти готовую сборку – матрица 1088 (или любая подобная, 8×8 светодиодов) и в комплекте с ней контроллер MAX7219. Эта небольшая микросхема способна самостоятельно управлять не только отображением светодиодов, но и менять их яркость (для всей матрицы, а не по светодиодам), а также она «знает», как вывести цифры на семисегментный индикатор. Это означает, что разработчику будет меньше работы. Управление достаточно простое, по интерфейсу SPI по трём проводам – выбор устройства, данные и синхронизация.

Также часто такие сборки объединяют в блоки по 4 последовательно, получается мини-дисплей размером 32×8 пикселей, что достаточно удобно – можно отобразить слово длиной до 5 букв. Стоит отметить, что эта сборка умеет передавать данные дальше по цепочке, и 4 штуки последовательно – не предел. Я объединял 4 блока по 4 такие сборки, получался дисплей 128×8 (также можно получить 64×16 при соответствующей программной настройке, это просто), работавший без торможения и обновляющийся 50 раз в секунду. Хотя, в отличие от схемы , здесь программное обновление не нужно – за вывод информации отвечает контроллер на плате, дело программиста – указать, что выводить, а не как.

Для работы с такими сборками есть специальная библиотека для Arduino – Max72xxPanel, доступная на GitHub. Для её корректной работы также требуется подключение библиотек SPI и Adafruit_GFX, но это не проблема. Первая библиотека присутствует по умолчанию в дистрибутиве Arduino IDE, вторая доступна на GitHub.

Инициализируем матрицу

Для начала попробуем инициализировать нашу матрицу. Выводы питания VCC и GND соединяем с аналогичными на плате Arduino, DIN подключаем к выводу 11, CS – 9, CLK – 13. Учтите, что эта нумерация верна для платы Arduino UNO, для других моделей интерфейс SPI может находиться на выводах с другими номерами.

С этой сборкой удобнее работать, «повернув» её программно на 90 градусов. Фактически, у нас есть 4 блока по вертикали и 1 по горизонтали, но отображать будем, как будто она ориентирована горизонтально. Причина простая – 1 столбец занимает ровно 1 байт, удобнее строить изображение.

Пишем начальный программный код для инициализации:

#include #include #include #include #include #include int pinCS = 9; int hBlocks = 1; int vBlocks = 4; byte brightness = 1; Max72xxPanel matrix = Max72xxPanel(pinCS, hBlocks, vBlocks); void setup() { matrix.setIntensity(brightness); matrix.setRotation(0); matrix.fillScreen(LOW); matrix.write(); } void loop() { }

Нажимаем Ctrl+U, загружаем скетч в плату и смотрим на результат, точнее, на полностью погасший дисплей.

Так и должно быть, мы просто очистили его. Попробуйте сами изменить строку 18 следующим образом:

Matrix.fillScreen(HIGH);

В результате получим полностью светящуюся матрицу. Если светится тускло, увеличивайте яркость в строке 11, только постепенно и осторожно – у меня уже при значении 3 при взгляде на светодиоды ощущается дискомфорт и болят глаза. Так что с яркостью стоит начинать с минимума и плавно увеличивать.

Простейшую операцию мы выполнили, теперь давайте попробуем что-то написать.

Вывод статического изображения

Для примера возьмём слово из пяти букв, чтобы максимально заполнить матрицу. Можно, конечно, вывести по одному символу на матрицу, но для любой буквы хватает места 5*7 символов, поэтому с учётом интервала получится до 5 букв. Для примера возьмём слово «Старт».

Формируем изображение:

И модифицируем программный код, добавив туда массив с данными для включения определённых светодиодов (приводить не буду, скетч можно скачать для ознакомления по ссылке внизу). Рисовать будем по вертикали, старший бит – верхний ряд. Кроме этого, из кода можно исключить начальное заполнение матрицы, поскольку все светодиоды будут определены явно:

Void setup() { byte x, y; matrix.setIntensity(brightness); matrix.setRotation(0); for (y = 0; y < 32; y++) { for (x = 0; x < 8; x++) { matrix.drawPixel(x, y, leds[y] & (1<

Компилируем скетч, загружаем в плату и смотрим на результат:

В следующий раз сделаем на матрице бегущую строку и выведем надпись, которая не помещается по длине.

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< next_flick){ next_flick = tm + to_flick; line++; if(line == 8) line = 0; // передаем код строки fill(~(1<<(7-line))); // зажигаем точки в строке № line fill(data); // открываем защелку latchOn(); } }

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< next_flick){ next_flick = tm + to_flick; line++; if(line == 8) line = 0; fill(~(1<<(7-line))); fill(data); latchOn(); } tm = micros(); if(tm > next_switch){ next_switch = tm + to_switch; frame = !frame; } }

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.

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.