→ → Матрица из светодиодов своими руками. Динамическая индикация. Подключение светодиодной матрицы к микроконтроллеру. Самодельные часы на светодиодных матрицах

Матрица из светодиодов своими руками. Динамическая индикация. Подключение светодиодной матрицы к микроконтроллеру. Самодельные часы на светодиодных матрицах

Преимущества светодиодов неоспоримы, сегодня они везде, в том числе и часах. Что представляют себя часы на светодиодных матрицах, о плюсах и недостатках разберем в рамках статьи. В конце статьи представлено подробное пошаговое руководство для изготовления устройства своими руками.

Что это такое

Часы на светодиодных матрицах - это электронные часы, в которых для индикации используются матрицы из множества светодиодов. Применение индикаторов другого типа - единственное их отличие.

Матрица - это набор светодиодов, собранных вместе в виде сетки с единым анодом или катодом. Как правило, разрешение таких индикаторов - количество точек по вертикали и горизонтали - 8×8.

Почему же такие часы набирают популярность, преимущества:

  1. Цена. Светодиодные матрицы дешевле семисегментных индикаторов аналогичных размеров.
  2. Яркость. Светодиоды горят ярче, чем семисегментные индикаторы, их лучше видно в местах, освещенных солнечными лучами. Многие производители также предусматривают конструктивную защиту диода от воздействия солнца.
  3. Функциональность. При помощи матрицы из светодиодов можно выводить не только цифры, но также различные буквы, знаки препинания, символы. При помощи набора LED-матриц можно выводить некоторую информацию в виде бегущей строки.

Светодиодные матрицы имеют и недостатки:

  • Увеличенная сложность управления. Из-за большого количества элементов (в стандартной матрице их 64) управлять матричными индикаторами чем семисегментными. Для этого применяются микроконтроллеры, динамическая индикация и сдвиговые регистры.
  • Угол обзора. Особенность светодиодов состоит в том, что они фокусируют свет в одном направлении. Это приводит к тому, что изображение на светодиодной матрице видно хорошо только под определенным углом.
  • Непереносимость высоких температур. Нагревание снижает эффективность светодиодов и уменьшает срок службы.
  • Перегорание отдельных светодиодов приведет к эффекту «битого пикселя» и ухудшению качества изображения.

Самодельные часы на светодиодных матрицах

Несмотря на большую популярность часов на светодиодных матрицах, в Рунете не так уж и много схем для их самостоятельного изготовления. Рассмотрим самую популярную.

Необходимые навыки для сборки устройства:

  • изготовление печатных плат;
  • пайка элементов: схема предполагает SMD-исполнение, это значит, что элементы будут устанавливаться прямо на поверхность платы;
  • прошивка микроконтроллеров: в схеме используется МК ATMega16A;
  • программирование МК: это не обязательно, поскольку для данного устройства уже имеется прошивка контроллера. Этот навык пригодится, если вы захотите изменить режим работы часов или расширить их функционал, например, добавив дополнительные элементы такие, как датчики температуры или влажности.

Из инструментов понадобятся:

  • набор для изготовления плат;
  • программатор МК;
  • паяльник.

Рассмотрим подробнее схему устройства. Главным управляющим элементом является МК ATMega16A, он обеспечивает следующие возможности прибора:

  1. Отсчет времени и календарь. Ведется даже при отключении питания.
  2. Будильник. Здесь их 9 штук, можно запрограммировать на работу по дням недели.
  3. Измерение температуры. Конструкция часов позволяет установить два датчика температуры для измерений в комнате и на улице.
  4. Режим бегущей строки. Выдает следующую информацию: день недели, месяц, год, температура.
  5. Коррекция хода часов.

Большая часть функций возложена на микроконтроллер, что позволяет максимально разгрузить схему и использовать минимальное количество элементов.

В устройстве используется лишь две микросхемы: микроконтроллер и сдвиговый регистр TPIC6B595, также можно подключить два датчика температуры DS18B20 - один уличный, и второй комнатный.

Для индикации используются три светодиодные матрицы 8×8. В качестве диода D1 лучше использовать диод Шоттки. Диод в схеме обеспечивает переход на аварийное питание, а диод Шоттки обладает наименьшим падением напряжения и высокой скоростью переключения.

Процесс изготовления:


О некоторых особенностях при сборке часов на светодиодной матрице с ATMega 16A доступно рассказывается в следующем видео.

Часы на светодиодных матрицах имеют много преимуществ перед приборами с другим типом индикации: дешевле, не засвечиваются солнцем, с их помощью можно вывести большее количество информации. Существует большое количество моделей часов на led матрицах, и каждый найдет для себя девайс с требуемым функционалом. Также такие часы несложно изготовить самому, как вы увидели из пошагового руководства выше, это не требует особенных инструментов или специальных навыков.

Светодиодные дисплеи-матрицы 8х8 бывают различных размеров и с ними интересно работать. Большие промышленные сборки имеют размер около 60 х 60 мм. Однако, если вы ищете намного большие LED матрицы, их найти трудно.

В этом проекте мы будем строить реально большую светодиодную матрицу LED дисплея, который составлен из нескольких крупных 8х8 светодиодных модулей, последовательно соединенных друг с другом. Каждый из этих модулей по размеру около 144 х 144 мм.

Особенность этого дисплея заключается в том, что при необходимости можно смотреть на фон позади него. Это дает свободу в творческом использовании этих дисплеев, например размещение их спереди от стеклянных панелей, чтоб была возможность увидеть происходящее позади дисплея.

Для этого проекта мы будем использовать 10 мм . Вы можете использовать и другие размеры. Обычно доступны размеры 3 мм, 5 мм, 8 мм, и 10 мм.

Хотя дисплей не предназначен для работы с любым микроконтроллером, мы будем использовать популярные платы Arduino и подключать его через SPI используя только 3 сигнальных провода.

Чтобы построить этот проект, требуются базовые знания электроники и пайки компонентов, а также некоторые знания по использованию Arduino. Прошивка .

Здесь нужно спаять светодиоды вместе, используя длинные ножки светодиодов. Вы можете использовать любой размер и цвет LED, но длина ноги (более 23 мм) должна быть достаточной, чтобы согнуть и спаять их между собой. Светодиоды расположены в виде матрицы 8х8, где катоды спаяны между собой для строк, а для столбцов - аноды.

Драйвер MAX7219 управляет динамической индикацией светодиодной матрицы. При проектировании, каждая светодиодная матрица 8х8 будет опираться на схему, используя следующие компоненты:

  • 1 х MAX7219
  • 1 х 10 мкф 16В электролитический конденсатор
  • 1 х 0.1 UF керамический конденсатор
  • 1 х 12 кОм резистор (0,25 ВТ)
  • 1 х 24-контактное гнездо DIP IC

Обратите внимание, что вам может понадобиться выбрать другое значение резистора для работы с LED, что будете использовать. Этот резистор ограничивает максимальный ток на MAX7219, который на выходе будет подаваться на светодиоды.

А это видео показывает наглядно, как происходит монтаж светодиодной матрицы, электронной платы управления и простой тест, чтобы запустить её с помощью популярной платы Ардуино UNO/Nano.


Одним из важных достоинств данного преобразователя - он практически не нуждается в настройке, вся настройка сводится к подбору частотозадающего конденсатора микросхемы, им настраивают на нужную частоту, при увеличении емкости этого конденсатора частота уменьшается, при увеличении-повышается.

Начнём с типов соединения матрицы, их всего два: последовательный и параллельный, + совмещённый вариант по питанию. Плюсы и минусы указаны на рисунке, для больших матриц предпочтительнее использовать параллельный тип, так гораздо лучше организуется питание. Но вот с ответвлениями силовых проводов придётся повозиться. Если делать матрицу из гирлянды модулей, то естественно проще сделать её зигзагом. Но обязательно проверить на разной яркости и убедиться, что тока хватает дальним светодиодам (при просадке напряжения заданный белый цвет уходит в желтизну (небольшая просадка) или в красный (сильная просадка напряжения). В этом случае питание нужно будет продублировать толстыми проводами к каждому отрезку ленты (к каждой строке матрицы).

Матрица подключается к Arduino согласно , далее идёт выжимка из него. Важные моменты:

  • Логический пин Arduino соединён с пином DIN ленты (матрицы) через резистор с номиналом 220 Ом (можно брать любой в диапазоне 100 Ом – 1 кОм). Нужен для защиты пина Ардуино от перегрузки, т.е. ограничить ток в цепи (см. закон Ома);

  • GND (земля, минус) ленты обязательно соединяется с пином GND Arduino даже при раздельном питании;

  • Электролитический конденсатор по питанию Arduino нужен для фильтрации резких перепадов напряжения, которые создаёт лента при смене цветов. Напряжение конденсатора от 6.3V (чем больше, тем крупнее и дороже кондер), ёмкость – в районе 470 мкФ, можно больше, меньше не рекомендуется. Можно вообще без него, но есть риск нарушения стабильности работы!

  • Конденсатор по питанию ленты нужен для облегчения работы блока питания при резких изменениях яркости матрицы. Опять же можно вообще без него, но есть риск нарушения стабильности работы!

  • Мощность (и максимальный отдаваемый ток) блока питания выбирается исходя из размера матрицы и режимов, в которых она будет работать. Смотрите табличку и помните о китайских амперах , т.е. блок питания нужно брать с запасом по току на 10-20%! В таблице приведены значения тока потребления ленты.

  • В прошивке GyverMatrixOS версии 1.2 и выше настраивается ограничение тока системы. Как это работает: в настройках скетча есть параметр CURRENT_LIMIT , который задаёт максимальный ток потребления матрицы в миллиамперах. Ардуино будет делать расчёт на основе цветов и яркостей светодиодов и автоматически уменьшать яркость всей матрицы, чтобы не допустить превышения установленного лимита по току на особо “жрущих” режимах. Это очень крутая функция!

СБОРКА КОРПУСА И РАССЕИВАТЕЛЯ

ПРОШИВКА И НАСТРОЙКИ

Первым делом нужно будет настроить в скетче размеры матрицы , точку подключения и направление первого отрезка ленты. Подсказка ниже.

Данный тип инициализации матрицы позволяет подключать матрицу любой конфигурации с любым положением начала матрицы. Это удобно для покупных матриц, которые можно только “крутить”, так и для самодельных, когда есть какие-то особенности корпуса или укладки проводов. То есть как бы вы ни сделали и не расположили матрицу, она всё равно будет работать с корректным положением начала координат. Кстати, можно очень легко “отзеркалить” матрицу по горизонтали или вертикали, если это зачем-то вдруг нужно: просто меняете подключение на “противоположное” по желаемой оси. Например хотим отзеркалить тип подключения (1, 0) по вертикали. Настраиваем его как (2, 2) – смотрите рисунок выше. Хотим отзеркалить тип (3, 1) по вертикали – настраиваем его как (2, 3). Тип (3, 2) по горизонтали? Пожалуйста, ставим его как (2, 2). Надеюсь логика понятна.

Если вы впервые работаете с Arduino, то остановитесь и изучите . После установки драйверов и библиотек можно переходить к прошивке платформы. У меня есть готовый проект с играми и эффектами, переходите за подробностями и прошивками. Дальше будет информация для разработчиков, то есть тех, кто хочет написать что-то для матрицы самостоятельно!

В самом начале прошивки содержатся настройки типа матрицы и её подключения, тип подключения определяется стоя лицом к матрице. Для упрощения настройки подключения матрицы (угол и направление) используйте подсказку сверху =)

// **************** НАСТРОЙКИ МАТРИЦЫ **************** #define LED_PIN 6 // пин ленты #define BRIGHTNESS 60 // стандартная маскимальная яркость (0-255) #define WIDTH 16 // ширина матрицы #define HEIGHT 16 // высота матрицы #define MATRIX_TYPE 0 // тип матрицы: 0 - зигзаг, 1 - последовательная #define CONNECTION_ANGLE 0 // угол подключения: 0 - левый нижний, 1 - левый верхний, 2 - правый верхний, 3 - правый нижний #define STRIP_DIRECTION 0 // направление ленты из угла: 0 - вправо, 1 - вверх, 2 - влево, 3 - вниз

Также в прошивке содержится вкладка utility_funx , в которой как раз сидят все функции по работе с матрицей:

Void loadImage(название массива битмап); // отобразить картинку из массива "название массива". По картинкам читайте ниже void drawDigit3x5(byte digit, byte X, byte Y, uint32_t color); // нарисовать цифру (цифра, коорд. Х, коорд. У, цвет) void drawDots(byte X, byte Y, uint32_t color); // нарисовать точки для часов (коорд. Х, коорд. У, цвет) void drawClock(byte hrs, byte mins, boolean dots, byte X, byte Y, uint32_t color1, uint32_t color2); // нарисовать часы (часы, минуты, точки вкл/выкл, коорд. Х, коорд. У, цвет1, цвет2) static uint32_t expandColor(uint16_t color); // преобразовать цвет из 16 битного в 24 битный uint32_t gammaCorrection(uint32_t color); // гамма-коррекция (преобразует цвет более натуральный цвет) void fillAll(uint32_t color); // залить всю матрицу цветом void drawPixelXY(byte x, byte y, uint32_t color); // функция отрисовки точки по координатам X Y (коорд. Х, коорд. У, цвет) uint32_t getPixColor(int thisPixel); // функция получения цвета пикселя по его номеру uint32_t getPixColorXY(byte x, byte y); // функция получения цвета пикселя в матрице по его координатам (коорд. Х, коорд. У) uint16_t getPixelNumber(byte x, byte y); // получить номер пикселя в ленте по координатам (коорд. Х, коорд. У, цвет)

Начало координат матрицы – левый нижний угол, имеет нулевые координаты!

Пользуясь этими функциями можно создавать различные эффекты разной степени сложности, а также классические игры!

Если вам вдруг понадобилась светодиодная матрица нестандартного размера или формы, то вы всегда сможете собрать ее собственными руками. Мы рассмотрим изготовление матрицы из ультрафиолетовых диодов, создав при этом своеобразный детектор подлинности денег. Это позволит вам проверять подлинность валюты, купленной у знакомых или на улице и быть уверенным в том, что вас не обманули.

В данном видео мы предлагаем вам посмотреть процесс создания такой светодиодной матрицы.

Для работы нам необходимо подготовить следующее:
- макетная плата;
- 100 светодиодов;
- паяльник;
- 100 резисторов;
- скотч;
- кусачки;


Подготовив все необходимое, приступаем к изготовлению светодиодной матрицы с размерами 100х100 мм.

Для питания светодиодов мы будем использовать напряжение в 5 В, резисторы используем с номиналом 470 Ом, это необходимо для задания нужной величины тока в 20 мА, проходящей через каждый светодиод.


Чтобы максимально упростить задачу создания светодиодной матрицы, соединим все светодиоды параллельно. Однако, при таком соединении очень важно помнить, что каждый светодиод должен иметь свой токоограничивающий резистор.

Сначала припаиваем на плату светодиоды. Для удобства закрепляем каждую состоящую из них линию скотчем, чтобы у нас была возможность перевернуть плату и запаять сразу все линию светодиодов.

Расставляем все светодиоды на плате. Обратите внимание, что эти радиоэлементы имеют анодный и катодный выводы. Чтобы не ошибиться - более длинный вывод имеет знак «+». Закрепляем их скотчем, чтобы временно зафиксировать их на месте.


Теперь переворачиваем нашу плату, с обратной стороны которой находятся выводы всех светодиодов и начинаем их друг за другом не спеша припаивать.

После запаивания первого ряда, чтобы выводы уже припаянных светодиодов не мешали дальнейшей работе можно откусить при помощи кусачек. Скотч убираем.

После того, как все светодиоды припаяны, их выводы откусаны, начинаем расставлять резисторы. Они не имеют полярностей, поэтому не имеет значения какой стороной их ставить.

!
Сегодня мы с вами будем развлекаться с адресной светодиодной матрицей. Этот проект достаточно сложный, но в тоже время его сможет повторить каждый. Автором проекта является AlexGyver.

Адресная светодиодная лента состоит из трехцветных светодиодов, в каждом из которых стоит специальная микросхема.


Микросхема в светодиодах передает информацию друг другу. Это позволяет зажечь любой светодиод на ленте одним из 16 000 000 цветов и оттенков. И самое крутое, что все это дело управляется по одному проводу, в очень интересное время мы живём.
Лента управляется при помощи микроконтроллера, например, платформы arduino .


Такая связка сама по себе весьма интересна и можно найти кучу применений в дизайне или самоделках, чего стоит только эффект пламени. Но сегодня речь пойдёт не об этом. Что получится если ленту уложить зигзагом, причем уложить так, чтобы светодиоды образовали ровную правильную сетку? Правильно, светодиодная матрица. Для удобства можно купить готовую матрицу у китайцев, причем самое интересное, что стоит она гораздо дешевле, чем купить ленту и потратить несколько часов на разрезание и соединение кусков проводами.




Например, есть вот такая матрица 8Х8, самая дешевая, кому-то будет проще поиграться именно с ней.


Фишка сегодняшнего проекта в его универсальности и многогранности, то есть, вы можете купить готовую матрицу, но она так скажем небольшая, но также вы можете купить ленту с низкой плотностью светодиодов и сделать из нее матрицу размером, скажем, с картину. Вот это будет уже круто.
Матрица представляет очень большие возможности по созданию различных пиксельных эффектов, выводу картинок и гифок (gif), созданию классических игр и других интересных штук. Обязательно посетите страницу проекта , там вы найдете все необходимые ссылки, прошивки, схемы и дополнительные инструкции.
Итак, вооружившись инструментом по управлению матрицы, мы имеем возможность зажигать любой светодиод по его координатам.


Здорово, можно делать всякие крутые эффекты. Управлять можно со смартфона по bluetooth. То есть смартфон шлет по bluetooth какие-то команды, модуль их принимает и передает на arduino. А arduino в свою очередь выводит данные на матрицу.




Начал автор с того, что решил сделать рисовалку, то есть, чтобы можно было выбрать цвет и зажечь любой светодиод на матрице.


Первым делом был разработан протокол связи с arduino.


Первая цифра в нем – режим, а остальные отвечали за различные настройки и прочие передаваемые величины. Затем автор сделал графическое поле, на котором нарисовал сетку.

Программа отслеживает координаты касания поля пальцем и рисует в этом месте квадратик любым цветом. Попутно координаты квадратика отправляются на arduino.

Для изготовления нам понадобятся:
1) Матрица или лента на адресных светодиодах;
2) Arduino;
3) Bluetooth модуль;
4) Резистор.


Можно купить полкило у китайцев, а можно купить в любом магазине радиотоваров. Соединяем компоненты по очень простой схеме:


Можно собрать все на макетке. Затем скачайте архив с проектом со страницы проекта, установите библиотеки согласно инструкции и откройте файл с прошивкой.




Тут у нас настроечки. Укажите размер своей матрицы, ее тип и точку подключения.

Если делать большую матрицу самому, то есть паять из кусков ленты, то у вас есть 2 типа на выбор.


Автор советует выбрать правый вариант, так как его проще паять. Теперь осталось определиться с началом матрицы, то есть точкой подключения к ней и направлению первого куска ленты. Поможет вот такая шпаргалка для всех 8-ми вариантов расположения матрицы:


На эту прошивку автор потратил огромнейшую кучу времени. Это самый крупный по количеству кода проект автора. Arduino забита просто под завязку, впихнул как говорится невпихуемое.


Итак, настроили, нажимаем загрузить прошивку. Перед загрузкой нужно обязательно отключить bluetooth от пина rx, иначе arduino не прошьется. Для удобства также можно припаять на провод выключатель.


Далее на смартфон под управлением android установите приложение GyverMatrixBT. Данное приложение доступно в Play Market, оно полностью бесплатное и без рекламы.


Затем установите сопряжение с bluetooth модулем (пароль 1234 или 0000), в приложении подключитесь к модулю и, собственно все. В настройках можно настроить яркость и размер матрицы, которая соответствует вашему, а также некоторые другие ее параметры.

Соответственно настроенному размеру, во вкладке рисования у нас появится поле. Нажмите чтобы его инициализировать. Тут можно рисовать тапами и свайпами, можно стирать, можно очищать поле и заливать его цветом.




В общем на данный момент у нас есть рабочий инструмент для отправки данных на матрицу. Можно двигаться дальше. Вся эта система задумывалась автором для того чтобы построить большую матрицу из ленты или модулей. Это интересно как проект, как хобби, кому-то может пригодиться в рекламных целях, для оформления или для дизайна, ну или забавы ради.

Но вот матрица в таком виде выглядит не очень круто, не пиксельно и не восьмибитно. Нужно обязательно сделать решетку, чтобы каждый светодиод образовывал свои квадратные пиксели и сверху расположить рассеиватель. Вот тогда все будет очень круто. Решетку можно сделать из любого материала в форме и рейки. Это может быть картон, пачка советских деревянных линеек или вариант из пластика (ПВХ уголок), его можно купить в магазине стройматериалов там, где пластиковые панели и к ним различные товары. Уголки можно сломать вдоль, проделать прорези для середины и собрать решетку. Это вот самый «колхозный» вариант после картона.

И конечно можно расслабиться, и напечатать решетку на 3d принтере. Так что давайте так и сделаем.






Итак, корпус матрицы напечатался. Кстати, автор считает, что черный цвет не самый лучший выбор, лучше печатать решетку белым, чтобы она отражала свет. Ну не беда, покрасим.


Собственно, вот наша матрица без решетки, светодиоды как они есть.


Ставим решетку, становится уже почетче, это потому, что смотрим под углом.


А теперь смотрите, что будет если добавить рассеиватель в виде листа бумаги.


Но матрица, как и любой дисплей, работает в цветовом пространстве rgb, и фон у нее должен быть черным для более правильного восприятия цвета. Автор попробовал несколько вариантов и остановился на пленке для

 

 
Это интересно: