Ардуино: управление светодиодной матрицей 8×8

На предыдущих уроках мы научились управлять группой из восьми светодиодов при помощи сдвигового регистра. Это оказалось немного сложнее, чем зажигать 1-2 светодиода 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 управления сразу тремя индикаторами-цифрами. Теперь пришло время еще немного усложнить задачу: учимся работать со светодиодной матрицей.

Список необходимых компонентов

Для выполнения всех экспериментов в данном уроке, кроме самой светодиодной матрицы, потребуются: Ардуино-совместимый контроллер, сдвиговый регистр, макетная плата и немного проводов вилка-вилка. Необходимые компоненты можно добавить в корзину прямо здесь, и затем оформить заказ в нашем интернет-магазине.

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 динамическая индикация. 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.

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.

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[8] = {
    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<<i));
        digitalWriteFast(sh_pin, HIGH);
    }
}

void setPinFast(byte pin){
    DDRD |= _BV(pin);
}

void digitalWriteFast(byte pin, byte sig){
    if( sig )
        PORTD |= _BV(pin);
    else
        PORTD &= ~_BV(pin);
}

void setup() {
    setPinFast(data_pin);
    setPinFast(st_pin);
    setPinFast(sh_pin);
}

void loop() {
    tm = micros();
    if( tm > 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[line] );
        // 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 сдвиговый регистр и про динамическую индикацию.

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.

Анимация на светодиодной матрице

А теперь доработаем программу таким образом, чтобы изображение на индикаторе менялось каждые пол секунды. Для этого вспомним еще раз урок про выполнение действий по таймеру.

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[2][8] = {
{ 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<<i));
        digitalWriteFast(sh_pin, HIGH);
    }
}

void setPinFast(byte pin){
    DDRD |= _BV(pin);
}

void digitalWriteFast(byte pin, byte sig){
    if( sig )
        PORTD |= _BV(pin);
    else
        PORTD &= ~_BV(pin);
}

void setup() {
    setPinFast(data_pin);
    setPinFast(st_pin);
    setPinFast(sh_pin);

}

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

Загружаем программу на Ардуино и наблюдаем результат.

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.

К размышлению

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.

1. У нас в RobotClass как раз есть такой модуль с I2C интерфейсом. Легко подключается к Ардуино. Познакомиться с этим модулем можно на уроке «Модуль матрицы 8×8 с I2C интерфейсом от ROC«.

2. В одном из следующих уроков мы также научимся управлять индикатором с помощью микросхемы MAX7219. Такой способ позволяет легко объединять несколько матриц в один большой дисплей, без необходимости сильно усложнять электрическую схему.