Схема матрицы led своими руками. Динамическая индикация
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.Светодиодные матрицы представляют собой технологическое объединение на одной подложке нескольких светоизлучающих полупроводниковых кристаллов, с общей заливкой смесью люминофора и силикона.
Появление LED-матриц связано с разработкой (Chip-on-Board), что дословно переводится как «чип на плате». Эта технология пришла на смену SMD светодиодам, отличается высокой степенью автоматизации производства и привела к существенному снижению цен на светодиодные светильники и прожектора.
Виды и области применения
Сохраняя единый принцип размещения светодиодных кристаллов на теплопроводящей подложке, светодиодные матрицы существенно отличаются по количеству кристаллов на одном основании и способам их соединения между собой.
Количество кристаллов на одной подложке определяет итоговую мощность матрицы, которая может достигать сотен ватт на одно изделие. Мощные матричные источники света хорошо зарекомендовали себя в прожекторах и светильниках для уличного освещения. Способ соединения кристаллов между собой определяет возможности управления свечением отдельных кристаллов и параметры блока питания для матрицы. Последовательно-параллельная структура внутренних соединений дает возможность снизить ток и увеличить величину питающего напряжения, что находит свое отражение в характеристиках матричных изделий.
Еще одной особенностью внутренних соединений кристаллов между собой с внешними выводами выступает возможность использования светодиодных матричных структур в информационных табло и в графических или символьных экранах. Такие LED-матрицы находят свое применение в контрольно-измерительной аппаратуре и всевозможных инсталляциях рекламного характера. 
В устаревших моделях, для информационных табло, графических или символьных экранов, светодиодные матрицы конструировались на основе DIP или SMD-светодиодов.
Принципиальная схема
Как отмечалось выше, последовательно-параллельная схема соединения светодиодных кристаллов между собой определяет требования к источнику питания матрицы. Чем выше напряжения питания, тем больше светодиодов объединены в последовательные цепи. 
Такая особенность снижает требования к выходным токам драйверов, но в случае выхода из строя одного кристалла в последовательной цепи, перестает излучать свет вся цепочка. Ток перераспределяется на рабочие LED-чипы, тем самым ускоряя их деградацию и серьезно уменьшая срок службы светодиодной матрицы в целом.
Для решения проблемы, некоторые производители соединяют все светодиодные чипы внутри матрицы одновременно последовательно и параллельно. Такая особенность значительно уменьшает возможность выхода из строя LED-матрицы вследствие перегорания одного чипа. 
Параллельное соединение светодиодов между собой в пределах одной матричной структуры требует больших выходных токов драйвера, но общая излучающая способность практически не страдает от выхода из строя одного или двух кристаллов. 
Матрицы для светодиодных табло имеют в своем составе сложную систему внутренней коммутации, что определяется требованиями управления каждым светодиодом в отдельности. Для управления такими LED-матрицами созданы специальные интегральные процессоры и микросхемы. 
Подключение
В схемах подключения светодиодных матриц определяющими факторами их надежности выступают два ключевых момента - достаточная площадь радиатора для отвода тепла и стабилизация питающих токов. Оба этих фактора напрямую связаны с усиленной деградацией полупроводниковых кристаллов при превышении их температур выше максимально допустимой.
К повышению температуры кристалла приводит, как недостаточная площадь радиатора охлаждения, так и слишком высокий проходящий ток.
Рабочие величины постоянного тока указываются в параметрах светодиодных матриц, а для ориентировочного выбора площади радиатора можно использовать цифру 20-25 см² на 1 Вт мощности матрицы. При это следует учитывать, что такая площадь необходима при температурах окружающего воздуха до 35 °С. При более высоких температурах рабочую площадь радиатора следует увеличить либо дополнить активным охлаждением.
При выборе светодиодных матриц со встроенным драйвером и питанием от сети 220 В необходимо учесть, что такие источники света не подходят для освещения мест постоянного пребывания человека.
Отсутствие в схеме драйвера с питанием от сети 220 вольт электролитических конденсаторов большой емкости определяет высокий излучаемого света, вредное влияние которого на здоровье человека доказано множеством научных исследований.
Заключение
Совершенствование параметров светоизлучающих светодиодных кристаллов ведет к появлению все более мощных матричных структур, выходная мощность которых уже достигла 300 и более Вт.
Такая тенденция, в сочетании с повышением удельного светового потока на 1 Вт подводимой мощности, определяет дальнейшее развитие светодиодных матриц и их опережающее развитие на рынке осветительной техники.
Читайте так же
Сборка бегущей строки на базе светодиодной матрицы и Arduino – это несложная задача, которую можно выполнить даже в домашних условиях. Чтобы заставить буквы перемещаться на светодиодном табло не нужно быть программистом и владеть углублёнными знаниями электроники. В данной статье разберем, как собрать бегущую строку из готовых светодиодных матриц и Arduino Nano.
Что потребуется?
Для реализации идеи потребуется совсем немного деталей:
- два светодиодных модуля, состоящих из четырёх матриц 8 на 8 пикселей;
- держатель для батарейки типоразмера «Крона»;
- батарейка на 9 вольт (CR-9V, ER-9V или их аналоги);
- двухконтактный переключатель;
- соединительные провода;
- плата Arduino Nano;
- термоклей.
Схема
На печатной плате используемого светодиодного модуля расположено 4 матрицы размером 8 на 8 пикселей. Каждое светодиодное табло управляется интегральной микросхемой (ИМС) MAX7219. Данная ИМС представляет собой контроллер управления led-дисплеями, матрицами с общим катодом и дискретными светодиодами в количестве до 64 шт.
Для более комфортного восприятия информации, выводимой на светодиодное табло, рекомендуется устанавливать несколько модулей. Для этого их объединяют в последовательно включенные группы, то есть выход первого модуля (out) подключают к входу второго модуля (in). Данная сборка состоит из двух модулей (16 матриц), длины которых вполне хватит для удобного прочтения целых предложений.
Сборка
Матричный модуль может иметь штырьковое соединение или контакты на плате в виде печатных проводников. От этого зависит способ их соединения. В первом случае для получения надежного электрического контакта задействуют жгут из проводков с коннекторами, а во втором придётся установить и запаять перемычки.
Но сначала необходимо объединить оба модуля в единое целое с помощью термоклея. Термопластичный клей не проводит электрический ток, а значит, его можно смело наносить на печатную плату. Клей наносят с торцов обеих плат, прижимают и оставляют на несколько минут. После затвердевания выходные контакты первого блока подключают к входным контактам второго блока по схеме:
- VCC – VCC
- GND – GND
- D IN – D OUT
- CS – CS
- CLK – CLK
С обратной стороны печатной платы с помощью термоклея прикрепляют Arduino Nano, отсек для батарейки и выключатель. Детали располагают таким образом, чтобы можно было удобно ими пользоваться. 
На следующем этапе производят подключение Arduino со светодиодным модулем, подсоединяя провода на вход первой матрицы. В зависимости от варианта исполнения модуля, операцию выполняют через разъёмное соединение или путем пайки по приведенной схеме:
- VCC – 5V
- GND – GND
- D IN – PIN 11
- CS – PIN 10
- CLK – PIN 13.
На заключительной стадии сборки необходимо подключить питание от батарейки. Для этого минусовой контакт (черный провод) из отсека для кроны подключается на вывод GND Arduino. Плюсовой контакт (красный провод) соединяют с выключателем, а затем с выводом №30 Arduino, предназначенный для подачи питающего напряжения от нерегулируемого источника. В тестовом режиме сделанная своими руками бегущая строка может быть запитана через микро USB от компьютера. 
Убедившись в надежности креплений и качестве электрических соединений, приступают к сборке корпуса. Его можно сделать из алюминиевого или пластикового профиля, так как элементы схемы не греются. Цвет, размеры, степень защиты и крепление корпуса зависят от будущего назначения устройства. В простейшем случае подойдёт защитный экран из строительного пластикового углового профиля с вырезом под выключатель.
Программирование бегущей строки
Бегущая строка из Arduino и светодиодных модулей под управлением MAX7219 практически готова. Настало время перейти к заключающей, программной части. На компьютере должно быть установлено программное обеспечение (ПО) для используемого Arduino и драйвер к нему. Далее необходимо скачать две библиотеки и скетч (специальную программу, которая будет загружаться и выполняться процессором Arduino). Установку библиотек производят при закрытом Arduino IDE в папку «Documents – Arduino – Libraries». Затем скачивают и запускают скетч и проверяют наличие библиотек и корректность других данных.
Настройка скетча:
- «number of horizontal displays» указывают количество строк, в нашем случае 1;
- «number of vertical displays» указывают количество матриц, в нашем случае 8;
- «string tape» указывают надпись, выводимую на дисплей;
- «int wait» задают скорость вывода в миллисекундах.
После проверки введенных данных остаётся щелкнуть мышкой на кнопку «загрузить». Затем отключиться от ПЭВМ, вставить батарейку и произвести запуск устройства.
В заключение хочется добавить, что бегущая строка своими руками собирается довольно быстро даже без навыков работы с Arduino. Поэтому бояться этой замысловатой платы не стоит. Также стоит отметить, что сделать бегущую строку можно длиннее, увеличив количество светодиодных матриц.
Читайте так же
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:
- Цена. Светодиодные матрицы дешевле семисегментных индикаторов аналогичных размеров.
- 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.
- 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:
- Отсчет времени и календарь. Ведется даже при отключении питания.
- Будильник. Здесь их 9 штук, можно запрограммировать на работу по дням недели.
- Измерение температуры. Конструкция часов позволяет установить два датчика температуры для измерений в комнате и на улице.
- Режим бегущей строки. Выдает следующую информацию: день недели, месяц, год, температура.
- 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.
После того, как я изготовил матрицу 8х10, ко мне обратилось множество людей с просьбой создать матрицу большего размера, а также обеспечить запись данных в матрицу с помощью ПК. Поэтому в один прекрасный день я собрал светодиоды, которые остались после изготовления светодиодного куба, и решил все-таки сделать матрицу большего размера с учетом требований, о которых меня просили коллеги.
Ну, и чего же вы ждете? Берите светодиоды и паяльник, потому, что мы сейчас вместе будет делать светодиодную матрицу 24х6!
Шаг 1: Сбор всего необходимого
Для данного проекта вам потребуется базовый набор инструментов: паяльник, припой, щипцы, немного проволоки, кусачки, инструмент для снятия изоляции провода, а также приспособления для демонтажа, если они вам необходимы.
Для изготовления матрицы необходимо:
1. 144 светодиода
2. 24 резистора (номинал определяется по типу светодиодов, в моем случае 91 Ом)
3. Десятичный счетчик 4017
4. 6 резисторов номиналом 1 кОм
5. 6 транзисторов 2N3904
6. Длинная макетная плата
7. Arduino
8. 3 x 74HC595 регистра сдвига
10. Несколько штыревых разъемов
Шаг 2: Как это работает?
Идея работы светодиодной матрицы заключается в следующем: обычно информация разбивается на небольшие части, которые затем передаются одна за другой. Таким способом вы может сэкономить множество выводов на Arduino и сделать вашу программу достаточно простой.
Теперь пришло время задействовать 3 сдвиговых регистра, которые умножают несколько выходов и позволяют сэкономить множество выводов arduino.
Каждый сдвиговый регистр имеет 8 выходов и вам нужно только 3 вывода arduino для контроля почти неограниченного числа сдвиговых регистров.
Мы также будем использовать десятичный счетчик 4017 для сканирования рядов. С помощью него можно сканировать до 10 рядов, поскольку у вас есть только 10 выходов, однако для контроля их необходимо всего лишь 2 вывода.
4017 - это очень полезная микросхема. Ознакомиться с ее работой можно по сноске
Как я сказал ранее, сканирование выполняется с помощью десятичного счетчика 4017, посредством подсоединения одного ряда к земле за один раз и пересылки данных через сдвиговые резисторы в колонки.
Шаг 3: Схемное решение
Единственными элементами, которые я не указал на схеме, являются резисторы ограничения тока, поскольку их номинал зависит от типа используемых светодиодов. Поэтому их величину вам необходимо вычислить самостоятельно.
Для расчета величин 24 резисторов перейдите по следующей ссылке: .
Сначала необходимо посмотреть спецификацию светодиодов, чтобы узнать прямое напряжение и прямой ток. Эту информацию можно узнать у продавца. Схема работает от напряжения 5В. Следовательно, вам необходим источник питания напряжением 5В.
Загрузите оригинальный файл, чтобы более подробно изучить схему (нажмите на схему для увеличения изображения).
Шаг 4: Пайка светодиодов
Пайка 144 светодиодов для создания матрицы может оказать трудной задачей, если вы не знаете наверняка, как это сделать.
Последний раз я паял матрицу, используя много проволочных джамперов, которые очень тяжело припаивались. Поэтому в этот раз я более творчески подошел к данной проблеме.
Вам необходимо согнуть вниз положительный вывод светодиода по направлению к другим выводам и сделать ряд, затем отрезать неиспользуемую часть вывода, и попытаться сделать эти соединения низкими, насколько это возможно. Далее аналогично выполнить эту процедуру для всех положительных выводов.
Теперь отрицательные выводы соединены в колонку и их пайка затруднена из-за положительного ряда на их пути. Поэтому вам необходимо согнуть отрицательный вывод на 90 градусов, затем сделать мостик над положительным рядом к следующему отрицательному выводу и так далее для остальных светодиодов.
Я не стану объяснять, как припаивать сдвиговые регистры и остальные компоненты, поскольку у каждого есть свой стиль и методы работы.
Шаг 5: Программирование матрицы
Вот мы и подошли к последнему этапу нашего проекта – программированию матрицы.
До этого я уже написал две программы, которые имеют много общего.
Я добавил программу, которая получает слово или предложение от последовательного монитора IDE arduino и отображает его на матрице. Код программы достаточно простой и не претендует на лучший в мире, но он действительно работает. Вы можете написать свой код или изменить мой на свое усмотрение.
Я приложил файл в формате excel, чтобы вы смогли создать свои собственные знаки и символы.
Вот как это работает:
Создайте требуемый символ пиксель за пикселем (не беспокойтесь, это очень легко) и скопируйте выходную строку следующим образом - #define {OUTPUT LINE}
В дальнейшем я планирую добавить код для анимации, когда у меня появится больше времени.
Шаг 6: Устройство готово!
Поздравляю! Вы самостоятельно сделали матрицу a 24x6 и теперь можете оперативно выводить на нее все, что вам нужно.
Теперь вы можете протестировать матрицу, придумать новые программы или улучшить интерфейс.
Список радиоэлементов
| Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Плата Arduino | Arduino Uno | 1 | В блокнот | |||
| U1-U3 | Сдвиговый регистр | CD74HC595 | 3 | В блокнот | ||
| U4 | Специальная логика | CD4017B | 1 | K561ИЕ8 | В блокнот | |
| Q1-Q6 | Биполярный транзистор | 2N3904 | 6 | В блокнот | ||
| Резистор |
