LED -matris med skiftregister: 7 steg (med bilder)

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:47

Detta instruerbara är tänkt att vara en mer fullständig förklaring än andra tillgängliga online. Detta kommer särskilt att ge mer hårdvaruförklaring än vad som är tillgängligt i LED Marquee som kan instrueras av led555.

Mål

Denna instruerbara presenterar de begrepp som är involverade i skiftregister och höga sidodrivrutiner. Genom att illustrera dessa koncept med en 8x8 LED -matris hoppas jag kunna ge dig de verktyg som behövs för att anpassa och expandera till den storlek och layout som ditt projekt kräver.

Erfarenhet och kompetens

Jag skulle betygsätta detta projekt som medelstort:

• Om du redan har erfarenhet av att programmera mikrokontroller och arbeta med lysdioder bör detta projekt vara ganska enkelt för dig att slutföra och skala till större ljusuppsättningar.
• Om du precis har börjat med mikrokontroller och har blinkat en eller två lysdioder borde du kunna slutföra detta projekt med hjälp av vår vän google.
• Om du har liten eller ingen erfarenhet av mikrokontroller eller programmering är detta förmodligen bortom vad du borde ge dig in i. Prova några andra nybörjarprojekt och kom tillbaka när du har lite mer erfarenhet av att skriva program för mikrokontroller.

Ansvarsfriskrivning och kredit

För det första är jag ingen elingenjör. Om du ser något som är fel eller inte är en bra metod, vänligen meddela mig så gör jag rättelsen. Gör detta på egen risk! Du borde veta vad du gör eller så kan du skada din dator, din mikrokontroller och till och med dig själv. Jag har lärt mig mycket av internet, särskilt från forumen på: https://www.avrfreaks.netJag använder ett teckensnitt som följde med ks0108 universal C -biblioteket. Kolla in det här:

Steg 1: Delar

Reservdelar

Allmänna delar

För att skapa ett 8x8 rutnät med lysdioder och styra dem behöver du:

• 64 lysdioder efter eget val
• 8 Motstånd för lysdioderna
• 1 Skiftregister för kolumnerna
• 1 Drivrutinsmatris för raderna
• 8 Motstånd för att byta drivrutinsmatris
• 1 mikrokontroller
• 1 klocka för mikrokontroller
• 1 prototypplatta
• 1 strömförsörjning
• Anslutningstråd

Specifika delar som används här

För denna instruerbara använde jag följande:

• 64 gröna lysdioder (Mouser-del #604-WP7113GD)
• 8 220ohm 1/4 watt motstånd för lysdioderna (Mouser-del #660-CFS1/4CT52R221J)
• 1 HEF4794 LED-drivrutin med skiftregister (Mouser-del #771-HEF4794BPN)
• 1 mikrofon2981 högspännings högströmskälla drivrutinsmatris (Digikey-del #576-1158-ND)
• 8 3.3kohm 1/4 watt motstånd för att byta drivrutin (Radio Shack-del #271-1328)
• 1 Atmel ATmega8 mikrokontroller (Mouser artikelnummer 556-ATMEGA8-16PU)
• 1 12 MHz kristall för mikrokontrollerns klockkälla (Mouser-del #815-AB-12-B2)
• 1 prototypplatta med 2200 hål (Radio Shack-del #276-147)
• Konverterad ATX -strömförsörjning: Se denna instruktionsbok
• Solid-core 22-awg-anslutningstråd (Radio Shack-del #278-1221)
• Lödfritt brödbräda (Radio Shack del #276-169 (inte längre tillgängligt, försök: 276-002)
• AVR Dragon (Mouser del #556-ATAVRDRAGON)
• Dragon Rider 500 av Ecros Technologies: Se denna instruktionsbok

Anmärkningar angående delar

Rad- och kolumndrivrutiner: Förmodligen den svåraste delen av detta projekt är att välja rad- och kolumnförare. För det första tror jag inte att ett vanligt 74HC595 skiftregister är en bra idé här eftersom de inte kan hantera den typ av ström vi vill skicka genom lysdioderna. Det är därför jag valde HEF4794 -drivrutinen eftersom den enkelt kan sjunka nuvarande när alla 8 lysdioderna är på en rad är påslagna. Skiftregistret finns på den nedre sidan (jordstiftet på lysdioderna). Vi behöver en raddrivrutin som kan ge tillräckligt med ström för att stränga ihop flera kolumner. Mic2981 kan leverera upp till 500mA. Den enda andra delen jag har hittat som utför denna uppgift är UDN2981 (digikey del #620-1120-ND) som är samma del av en annan tillverkare. Skicka mig ett meddelande om du känner till andra drivrutiner på hög sida som skulle fungera bra i den här applikationen. LED-matris: Denna matris är 8x8 eftersom rad- och kolumnförarna har 8 stift. En större LED -array kan byggas genom att flera matriser strängs ihop och kommer att diskuteras i steget "modulära koncept". Om du vill ha ett stort utbud, beställ alla nödvändiga delar samtidigt. Det finns 8x8, 5x7 och 5x8 LED -matriser tillgängliga i ett bekvämt paket. Dessa ska vara lätta att ersätta för en DIY -matris. Ebay är en bra källa för dessa. Mouser har några 5x7 enheter tillgängliga, till exempel artikelnummer 604-TA12-11GWA. Jag använde billiga gröna lysdioder eftersom jag bara leker och har kul. Att spendera mer på hög ljusstyrka, högeffektiva lysdioder kan tillåta dig att producera en mycket mer spektakulär utseende … detta är dock tillräckligt bra för mig! Kontrollhårdvara: Matrisen styrs av en Atmel AVR-mikrokontroller. Du behöver en programmerare för detta. Eftersom jag prototyper använder jag Dragon Rider 500 som jag har skrivit både monterings- och användningsinstruktioner för. Detta är ett enkelt verktyg för prototyper och jag rekommenderar det starkt.

Steg 2: Matrisen

Jag kommer att bygga min egen LED -matris för detta projekt med hjälp av 5 mm lysdioder och en prototypplatta från Radio Shack. Det bör noteras att du kan köpa 8x8 dot matrix led -moduler från flera källor, inklusive ebay. De borde fungera bra med detta instruerbara.

Bygghänsyn

Justering Lysdioderna måste justeras så att de vetter i samma riktning i samma vinkel. Jag tyckte att det enklaste alternativet för mig var att sätta in LED -lampans kropp mot brädet och hålla det där med en liten bit plexiglas och en klämma. Jag satte några lysdioder på plats ett par centimeter från raden jag arbetade med för att se till att plexiglaset var parallellt med prototyperna. Rader och kolumner Vi måste ha en gemensam anslutning för varje rad och varje kolumn. På grund av vårt val av rad- och kolumnförare måste vi ha anoden (lysdiodens positiva ledning) ansluten med rad och katoden (lysdiodens negativa ledning) ansluten med kolumn. Kontrolltrådar För denna prototyp använder jag fastkärnig (enkel ledare) anslutningstråd. Detta kommer att vara mycket enkelt att ansluta till en lödlös brödbräda. Använd gärna en annan kopplingstyp som passar ditt projekt.

Bygga matrisen

1. Placera den första kolumnen med lysdioder i prototypkortet. Dubbelkolla att din polaritet för varje lysdiod är korrekt, detta kommer att vara mycket svårt att fixa om du inser det senare. Löd båda ledningarna på lysdioden till kortet. Kontrollera att de är rätt inriktade (inte i konstiga vinklar) och klipp av katodledarna. Se till att du inte klämmer anodledningen, vi kommer att behöva det senare så låt det bara peka uppåt. Ta bort isoleringen från en bit fast kärntråd. Löd den här tråden till varje katod precis på brädnivå.

• Jag tackade detta i varje ände och gick sedan tillbaka och tillsatte lite löd vid varje korsning.
• Denna kabel bör gå förbi din sista lysdiod för att skapa ett enkelt gränssnitt när vi lägger till styrledningar.

5. Upprepa del 1-4 tills du har alla lysdioder på plats och alla kolumnbussar är lödda. För att skapa en radbuss, böj flera av anodledarna i en 90 graders vinkel så att de rör de andra anodledarna i samma rad.

• Det finns detaljerade bilder på detta nedan.
• Var försiktig så att de inte kommer i kontakt med kolumnbussarna, vilket skapar en kortslutning.

7. Löd kablarna vid varje korsning och klipp av de överflödiga anodledningarna.

Låt den sista anoden hålla sig förbi den sista lysdioden. Detta kommer att användas för att ansluta raddrivrutinerna

8. Upprepa del 6 & 7 tills alla rader bussar har lödts. Fäst kontrolltrådar.

• Jag använde röd solid kärntråd för raderna och svart för kolumnerna.
• Anslut en tråd för varje kolumn och en för varje rad. Detta kan enkelt göras i slutet av varje buss.

Viktig

Denna LED -matris har inga strömbegränsande motstånd. Om du testar detta utan motstånd kommer du förmodligen att bränna ut dina lysdioder och allt detta arbete kommer att vara för ingenting.

Steg 3: Kontrollhårdvaran

Vi måste styra kolumnerna och raderna i vår LED -matris. Matrisen har konstruerats så att anoderna (lysdiodens spänningssida) utgör raderna, och katoderna (lysdiodens grundsida) utgör kolumnerna. Detta betyder att vår raddrivrutin måste källa ström och vår kolumnförare måste sänka den. För att spara på stift använder jag ett skiftregister för att styra kolumnerna. På så sätt kan jag styra ett nästan obegränsat antal kolumner med bara fyra mikrokontrollerstift. Det är möjligt att bara använda tre om Enable Output -stiftet är direkt kopplat till spänning. Jag har valt HEF4794 LED -drivrutinen med skiftregister. Detta är ett bättre alternativ än en vanlig 74HC595 eftersom den enkelt kan sänka strömmen när alla 8 lysdioder är tända samtidigt. På högsidan (strömkälla för raderna) använder jag en mic2981. Schemat visar en UDN2981, jag tror att dessa två är utbytbara. Denna drivrutin kan ge upp till 500mA ström. Eftersom vi bara kör 1 rad i taget ger detta många möjligheter till expansion, upp till 33 kolumner för detta chip (mer om det i steget "modulära koncept").

Bygga kontrollhårdvaran

För den här instruerbara har jag precis brett ombord denna krets. För en mer permanent lösning vill du antingen etsa ditt eget kretskort eller använda prototypkort. Radförare

• Placera mic2981 (eller UDN2981) i panelen
• Anslut stift 9 till spänning (detta är förvirrande i schemat)
• Anslut stift 10 till jord (Detta är förvirrande i schemat)
• sätt in 3k3-motstånd som ansluter till stiften 1-8
• Anslut från port D på ATmega8 (PD0-PD8) till de 8 motstånden
• Anslut LED-matrisens 8-radiga ledningar till stift 11-18 (notera att jag har anslutit den lägsta raden med lysdioder till stift 18 och den högsta raden till stift 11).

2. Kolumnförare

• Lägg hef4794 i brödbrädan
• Anslut stift 16 till spänningen
• Anslut stift 8 till jord
• Anslut 220 ohm motstånd till stiften 4-7 och 11-14.
• Anslut de 8 kolumnstyrkablarna från LED -matrisen till de 8 motstånd som du just anslutit.
• Anslut Pin1 (Latch) till PC0 på ATmega8
• Anslut Pin2 (data) till PC1 på ATmega8
• Anslut Pin3 (Clock) till PC2 på ATmega8
• Anslut Pin15 (Enable Output) till PC3 på ATmega8

3. Klocka Crystal

Anslut en 12 MHz kristall och belastningskondensatorer som visas i schemat

4. ISP

Anslut programmeringsrubriken som visas i schemat

5. Filtreringskondensator och uppdragningsmotstånd

• Det är bäst att filtrera spänningen som matas till ATmega8. Använd en 0.1uf kondensator mellan stift 7 och 8 på ATmega8
• Återställningsstiftet ska inte lämnas flytande eftersom det kan orsaka slumpmässiga återställningar. Använd ett motstånd för att ansluta det till spänning, allt om 1k bör vara bra. Jag har använt ett 10k -motstånd i schemat.

6. Se till att du använder +5v reglerad ström. Det är upp till dig att designa regulatorn.

Steg 4: Programvara

Tricket

Ja, som allt, finns det ett trick. Tricket är att det aldrig är mer än 8 lysdioder upplysta samtidigt. För att detta ska fungera bra krävs lite listig programmering. Konceptet jag har valt är att använda ett timeravbrott. Så här fungerar displayavbrottet på vanlig engelska:

• Timer räknar upp till en viss punkt, när den nås avbryts servicen.
• Denna rutin bestämmer vilken rad som ska visas nästa.
• Informationen för nästa rad slås upp från en buffert och flyttas till kolumndrivrutinen (denna information är inte "låst" så den visas inte ännu).
• Raddrivrutinen är avstängd, inga lysdioder lyser för närvarande.
• Kolumnen drivrutinen är "låst" gör i den information vi flyttade i två steg sedan den aktuella informationen att visa.
• Raddrivrutinen ger sedan ström till den nya raden som vi visar.
• Avbrottsrutinen avslutas och programmet återgår till normalt flöde tills nästa avbrott.

Detta händer väldigt snabbt. Avbrottet kastas var 1: e sekund. Det betyder att vi uppdaterar hela skärmen ungefär var 8: e msek. Detta innebär en visningshastighet på cirka 125 Hz. Det finns en viss oro angående ljusstyrka eftersom vi i huvudsak kör LED -lamporna vid en 1/8 arbetscykel (de är avstängda 7/8 av tiden). I mitt fall får jag en tillräckligt ljus skärm utan synliga blinkningar. Hela LED -skärmen kartläggs i en array. Mellan avbrotten kan matrisen ändras (var uppmärksam på atomicitet) och kommer att visas på displayen under nästa avbrott. Specifikationerna för att skriva kod för AVR -mikrokontrollern och hur man skriver kod för att prata med skiftregistren ligger utanför räckvidden av detta instruerbara. Jag har inkluderat källkoden (skriven i C och sammanställd med AVR-GCC) samt hex-filen för att programmera direkt. Jag har kommenterat hela koden så att du bör kunna använda den här för att rensa upp eventuella frågor om hur du får in data i skiftregistret och hur raduppdateringen fungerar. Observera att jag använder en teckensnittsfil som följde med ks0108 universellt C -bibliotek. Det biblioteket finns här:

Skiftregister: Hur

Jag har bestämt mig för att lägga till lite om hur man programmerar med skiftregister. Jag hoppas att detta klargör saker för dem som inte har arbetat med dem tidigare. Vad de gör Skiftregister tar en signal från en tråd och skickar ut den informationen till många olika stift. I det här fallet finns det en datakabel som tar in data och 8 stift som styrs beroende på vilken data som har mottagits. För att göra saker bättre blir det en outpin för varje skiftregister som kan anslutas till ingångsstiften i ett annat skiftregister. Detta kallas kaskad och gör expansionspotentialen till en nästan obegränsad möjlighet. Control PinsShift -registren har 4 kontrollnålar:

• Latch - Denna pin anger skiftregistret när det är dags att byta till nyinmatad data
• Data - 1: orna och 0: orna som anger skiftregistret vilka stift som ska aktiveras tas emot på denna pin.
• Klocka - Detta är en puls som skickas från mikrokontrollern som berättar för skiftregistret att ta en dataläsning och gå vidare till nästa steg i kommunikationsprocessen
• Aktivera utmatning - Detta är en på/av -omkopplare, hög = på, låg = av

Få det att göra din budgivning: Här är en kraschkurs i driften av ovanstående kontrollnålar: Steg 1: Ställ in Latch, Data och Clock låg

Om du ställer in Latch låg anger det skiftregistret vi ska skriva till det

Steg 2: Ställ in datapinnet till det logiska värde som du vill skicka till skiftregistret Steg 3: Ställ klockstiftet högt och ber Shiftregistret läsa in det aktuella datapinnvärdet

Alla andra värden som för närvarande finns i skiftregistret flyttas över med en plats, vilket ger plats för datapinnets nuvarande logiska värde

Steg 4: Ställ in klockstiftet Låg och upprepa steg 2 och 3 tills all data har skickats till skiftregistret.

Klocknålen måste ställas in lågt innan du ändrar till nästa datavärde. Att växla denna stift mellan hög och låg är det som skapar "klockpulsen" som skiftregistret behöver veta när man ska gå vidare till nästa steg i processen

Steg 5: Ställ spärren högt

Detta berättar för skiftregistret att ta all data som har flyttats in och använda den för att aktivera utgångsstiften. Det betyder att du inte kommer att se data när den växlar in; ingen ändring av utgångsstiften kommer att inträffa förrän spärren är hög

Steg 6: Ställ in Aktivera utdata högt

• Det kommer inte att finnas någon stiftutmatning förrän Aktivera utmatning är inställd på hög, oavsett vad som händer med de tre andra kontrollnålarna.
• Denna nål kan alltid lämnas hög om du vill

Det finns två stift som du kan använda för kaskad, Os och Os1. Os är för snabbt stigande klockor och Os1 är för långsamt stigande klockor. Haka denna pin till datapinnen för nästa skiftregister och överflödet från detta chip kommer att matas in i nästa.

Adresserar displayen

I exempelprogrammet har jag skapat en array med 8 byte som heter row_buffer . Varje byte motsvarar en rad på 8x8 displayen, rad 0 är den nedre och rad 7 är den översta. Den minst betydande biten av varje rad är till höger, den mest betydande biten till vänster. Att byta bildskärm är lika enkelt som att skriva ett nytt värde till datamatrisen, avbrottsrutinen tar hand om att uppdatera displayen.

Programmering

Programmering kommer inte att diskuteras i detalj här. Jag skulle varna dig för att inte använda en DAPA -programmeringskabel eftersom jag tror att du inte kommer att kunna programmera chipet när det körs på 12MHz. Alla andra standardprogrammerare ska fungera (STK500, MKII, Dragon, Parallel/Serial programmerare, etc.). Säkringar: Se till att programmera säkringarna för att använda 12MHz crystalhfuse: 0xC9lfuse: 0xEF

I aktion

När du har programmerat chipet ska skärmen rulla ett "Hej världen!". Här är en video av LED -matrisen i handling. Videokvaliteten är ganska låg eftersom jag gjorde det här med min digitalkameras videofunktion och inte en ordentlig video eller webbkamera.

Steg 5: Modulära begrepp

Detta projekt är skalbart. Den enda sanna begränsande faktorn är hur mycket ström din strömförsörjning kan ge. (Den andra verkligheten är hur många lysdioder och reglerväxlare du har tillgängliga).

Matematik

Jag kör lysdioderna med cirka 15mA (5V-1.8vDrop/220ohms = 14.5mA). Det betyder att jag kan köra upp till 33 kolumner med mic2981 -drivrutinen (500mA/15mA = 33,3). Dividerat med 8 kan vi se att detta gör att vi kan rada ihop 4 skiftregister. Tänk också på att du inte behöver ha alla 32 kolumner sträckta från vänster till höger. Du kan istället skapa en 16x16 -array som är ansluten på samma sätt som en 8x32 -array. Detta skulle åtgärdas genom att byta till 4 byte …. de två första skulle skifta hela vägen till lysdioderna för den nionde raden, de två andra byten skulle skifta in i den första raden. Båda raderna kommer från en pin på raddrivrutinen.

Kaskade skiftregister

De skiftregister som används är kaskadskiftregister. Det betyder att när du ändrar data visas överflödet på Os -stiftet. Det blir mycket användbart eftersom en uppsättning skiftregister kan anslutas till varandra, Os pin till Data pin, lägga till 8 kolumner med varje nytt chip. Alla skiftregister kommer att ansluta till samma Latch, Clock och Enable Output pins på mikrokontrollern. "Kaskad" -effekten skapas när Os i det första skiftregistret är anslutet till datapinnen för det andra. Programmeringen måste ändras för att återspegla det ökade antalet kolumner. Både bufferten som lagrar informationen och funktionen som flyttar in information för varje kolumn måste uppdateras för att återspegla det faktiska antalet kolumner. En schematisk bild av detta ges nedan som ett exempel.

Flera raddrivrutiner

Raddrivrutinen (mic2981) kan ge tillräckligt med ström för att driva 32 kolumner. Vad händer om du vill ha mer än 32 kolumner? Det bör vara möjligt att använda flera raddrivrutiner utan att använda fler mikrokontrollstift. Vi behöver raddrivrutinerna för att få tillräckligt med ström för att tända lysdioderna. Om du använder fler kolumner än det är möjligt att tända på en gång kan extra raddrivrutiner leverera den ström som behövs. Samma ingångsstiften från mikrokontrollern används så det är inte nödvändigt att ändra skanningen av raderna. Med andra ord styr varje förare raderna för ett 8x32 -block. Även om 64 kolumner kan ha samma FYSISKA radplacering, delar vi radbussarna i två, med en förare för de 8 raderna i de första 32 kolumnerna och en andra förare för de 8 raderna i de andra 32 kolumnerna och så vidare. En schematisk bild av detta ges nedan som ett exempel. Potentiella misstag: 1. Använd inte flera raddrivrutiner med samma antal kolumner. Om du gör det skulle det innebära att varje skiftregistreringsstift skulle driva mer än en lysdiod åt gången. Du måste ha en uppsättning av 8 motstånd (3k3) för varje raddrivrutin, en uppsättning för flera raddrivrutiner fungerar inte eftersom det inte ger den nödvändiga strömmen för att byta grindar.

Till exempel

Jag bestämde mig för att utöka matrisen jag byggde tidigare. Jag har lagt till ytterligare 7 rader för totalt 15 eftersom det är allt jag kan passa på detta protoboard. Jag fick också reda på en tävling som Instructables gör som heter "Let it Glow". Här är en video av min syn på det. Återigen gör den digitala kameran jag använde för att ta videon inte rättvisa. Detta ser bra ut för det mänskliga ögat, särskilt där alla lysdioder blinkar, men ser inte så bra ut i videon. Njut: Källkoden för denna större skärm ingår nedan.

Steg 6: Slutsats

Möjliga tillägg

I2CI har lämnat stiften med två trådgränssnitt (I2C) oanvända i denna design. Det finns flera intressanta möjligheter som kan använda dessa två stift. Tillägg av en I2C EEPROM möjliggör lagring av mycket större meddelanden. Det finns också möjlighet att designa programmering för att göra mega8 till en I2C -kompatibel bildskärmsdrivrutin. Detta skulle öppna möjligheten att ha en USB -aktiveringsenhet för att visa data på din LED -array genom att överföra den över I2C -bussen. Inmatning Det finns många stift kvar som kan användas för knappar eller en IR -mottagare. Detta skulle göra det möjligt för meddelanden att programmeras in via ett menysystem. Display För denna instruerbara implementerade jag bara ett par visningsfunktioner. Den ena skriver bara tecken till displayen, den andra rullar tecken till displayen. Det viktiga att komma ihåg är att det du ser i lamporna representeras i en datamatris. Om du kommer på sätt att ändra datormatrisen kommer lamporna att förändras på samma sätt. Några spännande möjligheter inkluderar att skapa en grafmätare från kolumnerna. Detta kan användas som en signalanalysator med en stereo. Rullning kan genomföras uppifrån eller nedåt, även från vänster till höger. Lycka till, ha kul!

Steg 7: Uppföljning

Efter att ha låtit styrkretsen sitta i brödbrädan i månader konstruerade och etsade jag äntligen några kretskort för att sätta ihop denna prototyp. Allt fungerade jättebra, jag tror inte att det är något jag skulle ha gjort annorlunda.

Kretskortets funktioner

• Skiftregister finns på separata kort som kan kopplas ihop för att öka skärmens storlek.
• Styrkortet har en egen effektregulator så att den kan drivas av vilken strömkälla som helst som ger 7v-30v (9v batteri eller 12v bänkmatning fungerar båda bra för mig).
• 6 -stifts ISP -header ingår så att mikrokontrollern kan programmeras om utan att ta bort den från kortet.
• 4-stifts rubrik tillgänglig för framtida användning av I2C-bussen. Detta kan användas för en eeprom för att lagra fler meddelanden eller till och med för att göra detta till en slavenhet som styrs av en annan mikrokontroller (RSS -ticker någon?)
• Tre tillfälliga tryckknappar ingår i designen. Jag kan justera firmware i framtiden för att inkludera användningen av dessa knappar.

hopsättning

Ge mig plexiglas, vinkelkonsoler, 6x32 maskinskruvar, muttrar och brickor, samt en kranuppsättning för gänghål så kan jag skapa vad som helst.

Andra priset i Let It Glow!