Arduino: Примеры/Гайд по использованию светодиодной матрицы MAX7219 с Arduino (плюс игра Pong)

• 1 Гайд по использованию светодиодной матрицы MAX7219 с Arduino (плюс игра Pong) [1]
  • 1.1 Необходимые компоненты
  • 1.2 Подключение контактов
  • 1.3 Как управлять светодиодной матрицей с помощью Arduino
  • 1.4 Функции библиотеки LedControl
  • 1.5 Индекс
  • 1.6 Код
  • 1.7 Игра «Pong»
    • 1.7.1 Код
  • 1.8 Демонстрация
• 2 См.также
• 3 Внешние ссылки

Светодиодная матрица, которую мы будем использовать в это статье, состоит из 8 рядов и 8 столбцов. То есть в общей сложности она оснащена 64 светодиодами.

Управление светодиодной матрицей можно упростить при помощи чипа MAX7219 – благодаря ему вам понадобится всего 3 цифровых контакта платы Arduino. Думаю, будет лучше купить модуль, в который уже встроены и светодиодная матрица, и чип MAX7219. Это упростит возню с проводами. Такой модуль можно купить на eBay менее чем за 2 доллара.

Одновременно можно управлять несколькими такими матрицами. Вы даже можете собрать из них большую матрицу, т.к. у них есть специальные контакты для подключения друг к другу.

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

АДРЕСНЫЕ СВЕТОДИОДНЫЕ МАТРИЦЫ

Проект “Bluetooth матрица”

Проект “Гирлянда-дисплей”

Проект “Тетрис”

В этом гайде речь пойдёт о матрицах из адресных светодиодных лент. Если вы не в курсе про адресные ленты, то рекомендую изучить вот эту статейку. Фишка адресной ленты в том, что мы можем управлять любым из подключенных светодиодов. Если уложить ленту так, чтобы светодиоды образовывали ровную сетку, то мы получим матрицу, у которой можно зажечь любой “пиксель”, а зажечь можно одним из 16,7 миллионов цветов и оттенков! (светодиоды RGB, яркость каждого цвета имеет 256 градаций (8 бит), соответственно для трёх цветов у нас 256*256*256=16,7 лямов, что есть привычные 24 бита цветовой глубины). То есть по сути получаем полноценный 24 битный дисплей сверхнизкого разрешения! Зачем такое разрешение в 2к18 году? Спроси у своего папы, во что он играл в детстве =)

Начнём с компонентов. Матрицу можно склеить самому, для этого понадобится адресная светодиодная лента, например самая популярная на чипах WS2812b. Да, сейчас есть уже более новая WS2813, но для наших целей она преимуществ не имеет. Целесообразно брать ленту с плотностью пикселей 60 светодиодов на метр для маленьких матриц (ячейка 1.7×1.7 см) и 30 светодиодов на метр для больших матриц (ячейка 3.3×3.3 см). Также есть светодиодные модули по типу “гирлянды”, их можно брать для ОЧЕНЬ БОЛЬШИХ матриц (ячейка 12×12 см). Рассмотрим матрицу 20×10 светодиодов: из ленты 60 LED на метр размер матрицы будет 34×17 см, из 30 LED на метр – 66×33 см, и из модулей – 240×120 см.

Также хитрые китайцы уже продают готовые матрицы нескольких размеров, причём очень выгодно: матрица 16×16 стоит 1500р, она состоит из 256 диодов с плотностью 100 штук на метр. Лента такой же плотности стоит 1000р за метр (за 100 светодиодов). Для склейки матрицы размером 16×16 понадобится 2.5 метра ленты, то есть 2500р. А готовая матрица стоит на 1000р дешевле. Абсолютно то же самое касается матрицы 32×8 пикселей. Есть ещё готовая матрица 8×8, она стоит 300р. И вот она выходит уже не так выгодно =) Для питания матрицы нужен блок питания на 5V, по току расскажу дальше. Ссылок оставляю несколько, ищите выгодные предложения и скидки (P.S. Я закупаюсь в BTF-Lighting)

ВАЖНО! Чем больше матрица, тем больше места занимает прошивка в памяти. Для прошивки GyverMatrixOS:

В Arduino Nano/UNO/Pro Mini при использовании всех эффектов и режимов очень впритык вмещается матрица 16х16 (256 диодов), возможны зависания и перебои в работе;

В Arduino Leonardo/Micro/Pro Micro вмещается около 400 светодиодов (матрица 20×20);

В Arduino Mega вмещается около 1700 светодиодов (матрица 40×42)

В ESP8266/NodeMCU/Wemos вмещается ГОРАЗДО больше светодиодов, но нужно понимать, что скорость обновления ленты зависит от количества светодиодов, и при 500 диодах будет 60 кадров в секунду (fps), при 1000 будет 30 fps, при 2000 будет 15 fps, т.е. ощутимые глюки в быстрых эффектах.

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.

• +5V — питание 5 вольт на плате
• GND — земля
• DIN — пин для данных на плате Ардуино

Матрица работает от 5 вольт. А значит мы сможем подключить ее напрямую к Ардуино. Однако, для реальных проектов рекомендую сделать для нее отдельное питание от аккумулятора или блока питания. В соответствии с характеристиками производителя при ярком белом свете, матрица потребляет 76,8 Вт. А ток может быть от 12 до 18 А, в соответствии с таблицей производителя.

Кроме того, сигнальный контакт DIN подключим через резистор, чтобы оградить контакт Ардуино от перепадов напряжения.

Подключение матрицы.
+5V — питание 5 вольт на плате, GND — земля, DIN — пин для данных на плате Ардуино Принципиальная схема подключения светодиодной матрицы

Чтобы упростить управление матрицей, вам понадобится загрузить и установить в IDE Arduino библиотеку «LedControl». Для этого проделайте следующее:

• Кликните здесь, чтобы скачать ZIP-архив с библиотекой.
• Распакуйте скачанный архив. В итоге у вас должна получиться папка под названием «LedControl-master».
• Переименуйте ее на «LedControl».
• Переместите папку «LedControl» в папку «libraries»IDE Arduino.
• Перезапустите IDE Arduino.

АДРЕСНЫЕ СВЕТОДИОДНЫЕ МАТРИЦЫ

Проект “Bluetooth матрица”

Проект “Гирлянда-дисплей”

Проект “Тетрис”

В этом гайде речь пойдёт о матрицах из адресных светодиодных лент. Если вы не в курсе про адресные ленты, то рекомендую изучить вот эту статейку. Фишка адресной ленты в том, что мы можем управлять любым из подключенных светодиодов. Если уложить ленту так, чтобы светодиоды образовывали ровную сетку, то мы получим матрицу, у которой можно зажечь любой “пиксель”, а зажечь можно одним из 16,7 миллионов цветов и оттенков! (светодиоды RGB, яркость каждого цвета имеет 256 градаций (8 бит), соответственно для трёх цветов у нас 256*256*256=16,7 лямов, что есть привычные 24 бита цветовой глубины). То есть по сути получаем полноценный 24 битный дисплей сверхнизкого разрешения! Зачем такое разрешение в 2к18 году? Спроси у своего папы, во что он играл в детстве =)

Начнём с компонентов. Матрицу можно склеить самому, для этого понадобится адресная светодиодная лента, например самая популярная на чипах WS2812b. Да, сейчас есть уже более новая WS2813, но для наших целей она преимуществ не имеет. Целесообразно брать ленту с плотностью пикселей 60 светодиодов на метр для маленьких матриц (ячейка 1.7×1.7 см) и 30 светодиодов на метр для больших матриц (ячейка 3.3×3.3 см). Также есть светодиодные модули по типу “гирлянды”, их можно брать для ОЧЕНЬ БОЛЬШИХ матриц (ячейка 12×12 см). Рассмотрим матрицу 20×10 светодиодов: из ленты 60 LED на метр размер матрицы будет 34×17 см, из 30 LED на метр – 66×33 см, и из модулей – 240×120 см.

Также хитрые китайцы уже продают готовые матрицы нескольких размеров, причём очень выгодно: матрица 16×16 стоит 1500р, она состоит из 256 диодов с плотностью 100 штук на метр. Лента такой же плотности стоит 1000р за метр (за 100 светодиодов). Для склейки матрицы размером 16×16 понадобится 2.5 метра ленты, то есть 2500р. А готовая матрица стоит на 1000р дешевле. Абсолютно то же самое касается матрицы 32×8 пикселей. Есть ещё готовая матрица 8×8, она стоит 300р. И вот она выходит уже не так выгодно =) Для питания матрицы нужен блок питания на 5V, по току расскажу дальше. Ссылок оставляю несколько, ищите выгодные предложения и скидки (P.S. Я закупаюсь в BTF-Lighting)

ВАЖНО! Чем больше матрица, тем больше места занимает прошивка в памяти. Для прошивки GyverMatrixOS:

В Arduino Nano/UNO/Pro Mini при использовании всех эффектов и режимов очень впритык вмещается матрица 16х16 (256 диодов), возможны зависания и перебои в работе;

В Arduino Leonardo/Micro/Pro Micro вмещается около 400 светодиодов (матрица 20×20);

В Arduino Mega вмещается около 1700 светодиодов (матрица 40×42)

В ESP8266/NodeMCU/Wemos вмещается ГОРАЗДО больше светодиодов, но нужно понимать, что скорость обновления ленты зависит от количества светодиодов, и при 500 диодах будет 60 кадров в секунду (fps), при 1000 будет 30 fps, при 2000 будет 15 fps, т.е. ощутимые глюки в быстрых эффектах.

• +5V — питание 5 вольт на плате
• GND — земля
• DIN — пин для данных на плате Ардуино

Матрица работает от 5 вольт. А значит мы сможем подключить ее напрямую к Ардуино. Однако, для реальных проектов рекомендую сделать для нее отдельное питание от аккумулятора или блока питания. В соответствии с характеристиками производителя при ярком белом свете, матрица потребляет 76,8 Вт. А ток может быть от 12 до 18 А, в соответствии с таблицей производителя.

Кроме того, сигнальный контакт DIN подключим через резистор, чтобы оградить контакт Ардуино от перепадов напряжения.

Подключение матрицы.
+5V — питание 5 вольт на плате, GND — земля, DIN — пин для данных на плате Ардуино Принципиальная схема подключения светодиодной матрицы

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

В дальнейшем я планирую добавить код для анимации, когда у меня появится больше времени.