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guia bastante completa y esta muy buena para hacerla.
Introducción La gran mayoría de los aficionados a la electrónica, tarde o temprano, se propone la construcción de un cartel basado en una matriz m atriz de diodos LEDs. El propósito de este artículo es explicar, de forma clara y s encilla, la forma de hacerlo.
A lo largo de estos parrafos ver emos la forma de abordar el problema, y el pri ncipio de funcionamiento de una matriz de LEDs de un tamaño cualquiera. No construiremos ni programaremos una, pero si veremos como se debe hacer. Si el lector necesita un proyecto de este tipo listo para usar, puede consultar los que se listan al final de este artículo.
Utilidad Un
de un cartel de LEDs
cartel formado por varias filas y columnas de LEDs, convenientemente
programado, puede servir para pasar mensajes publicitarios, decorar nuestra habitación, ordenador o lo que se nos ocurra. No solo se trata de un proyecto más que interesante para llevarlo a cabo como hobbysta, sino que puede resultar interesante como un producto comercializable. Es que estas matrices, que en algunos países se las conoce como cartel de LEDs o Publik, son un recurso muy frecuentemente utilizado con fines publicitarios o inf ormativos.
El Hardware Desde el punto de vista del hardware, básicamente consiste en una matriz de píxeles similar a los de la pantalla de un ordenador, generalmente de un solo color (la mayoría de las veces rojos), aunque c on el descenso de los preci os de los LEDs individuales o en paneles, es cada vez más frecuentes ver carteles bicolores o incluso multicolores, aprovechando la ventaja del los LEDs RGB, que pueden mostrar cualquier color.
Matriz de LEDs RGB de 8x8 puntos.
Como es de suponer, el desarrollo, construcción y programación de un cartel e este tipo es una tarea bastante compleja, pero perfectamente posible para cualquiera que tenga conocimientos básicos de electrónica y programación. Este artículo puede ser utilizado como una guía paso a paso del proceso de creación de un cartel de este tipo. Y aunque no construyas uno, leyéndolo aprenderás algún tru co útil que podrás emplear en otro proyecto.
Para mantener el nivel de la explicación dentro de lo razonable, y para no gast ar una fortuna en nuestro cartel, lo diseñaremos monocromático, utilizando LEDs de color rojo únicamente. Las dimensiones de la matriz utilizada para mostrar los textos la decidirá cada uno de los lectores, pudiendo ser tan pequeña (7 filas y 5 columnas) o tan grande como se desee. Un tamaño razonable y muy empleado es el de 7 filas por 80 columnas, que permite escribir unas 14 o 16 letras de 7 pixeles de altura. A pesar de no ser demasiado grande, ya habrás sacado la cuenta de que se necesitan 560 LEDs individuales para armar el cartel.
Encendiendo un LED En el número 2 de la Revista uControl, en el artículo llamado PICs y LEDs: una pareja perfecta vimos como encender un LED desde un microcontrolador. Y de hecho es algo muy simple: conectamos el á nodo del LED al PIC, el cátodo a un resistor y el extremo de este a +V. Cuando el pin del microcontrolador está en 1, el LED enciende. Pero lamentablemente este esquema no sirve para la construcción de un cartel matricial como este, ya que al utilizar cientos de LEDs necesitaríamos tener un microcontrolador que tenga como mínimo ese número de pines de salida (y por supuesto, no existe).
Multiplexado El secreto, por supuesto, está en el multiplexado. Esta técnica permite utilizar unos pocos pines de E/S del microcontrolador para manejar una serie de circuitos integrados que se encarguen de excitar los LEDs. Hay varias maneras, y muchos modelos diferentes de circuitos para hacer esto.
Pueden usarse un tipo de integrado digital llamado LATCH, que básicamente es una memoria en la que escribimos un valor, y lo mantiene en sus salidas hasta que nosotros lo indiquemos. De esta manera, usando varios latche s podríamos encender los LEDs por turnos, rápidamente para que no se note el parpadeo, y de esa m anera formar una palabra en el cartel.
Otra forma es utilizar un registro de desplazamiento como los analizados en el número 1 de la Revista uControl. Y de hecho, es de est a forma cómo vamos a diseñar nuestro cartel. Como vimos en es a oportunidad, un registro de desplazamiento funciona de la misma manera en que funciona una cola de gente que espera para entrar en un cine. Por un extremo de la cola van ingresando las personas que llegan, y por el otro van saliendo de la fila. En un registro de desplazamiento, en lugar de personas tenemos 0 y 1. Lo bueno de esto es que para meter datos (0s y 1s) en el registro de desplazamiento solo hacen falta tres pines del microcontrolador, independientemente de lo largo que sea.
Estos pines se encargan de tres tareas:
Uno
de ellos, al que denominaremos DATA
es el encargado de decirle al registro de desplazamiento que lo que introduciremos es un 0 o un 1. El segundo se encarga de avi sar al registro que el dato ya está listo para ser ingresado, y lo llamaremos C LOCK. Y el ultimo, que no es indispensable, es el RESET, que se encarga de vaciar la fila escribiendo 0s en todas las salidas del registro.
Para desarrollar nuestro ejemplo utilizaremos el circuito integrado 74HC164N, que es un registro de desplazamiento de 8 bits. Es decir, con el se puede armar una fila de 8 personas. Para construir un cartel de 80 columnas, necesitaríamos utilizar 10 de estos integrados, uno a continuación del otro. Afortunadamente, este integrado cuesta solo centavos.
En la figura 1 podemos ver la función de cada uno de los pines del 74HC164N y en la figura 2 de que forma podemos conectar uno a continuación del otro para obtener un registro de desplazamiento de cualq uier longitud.
Figura 1.
Figura 2.
Filas y columnas Bien, con el esquema explicado podemos encender los LEDs que queramos de una fila de 80 bits de largo. Si en el registro de desplazamiento introducimos 11111111, los 80 LEDs estarán encendidos. Si queremos enc ender uno por medio, escribiremos 1010101. Por supuesto, cuando lleguemos a la parte de la programación veremos cómo se ingresan uno a uno los 0 y 1 en el registro.
En este punto puede ser necesario an alizar el tema de las filas. Si tenemos, por ejemplo, un cartel con 7 filas, y lo explicado recién sirve para manejar solo una de ellas ¿debemos utilizar un registro de desplazamiento para cada una de l as filas restantes? Afortunadamente, la respuesta es no.
Si bien podríamos utilizar 7 registros de este tipo, la cantidad de circuitos
integrados necesarios (56 de ellos), la complejidad del circuito impreso y el costo implicado lo hacen poco aconsejable. Nosotros aprovecharemos un defecto del ojo humano, que mantiene la imagen v ista durante unos 20 o 30 milisegundos, para dibujar una fila a la vez, pero muy rápidamente, de forma que todo el cartel parezca estar encendido a la vez. Si, se trata de un sistema si milar al empleado en el cine o en la televisión.
Si seguimos pensando en un cartel de 7 filas y 80 columnas, sin utilizar registro s de desplazamiento necesitaríamos 560 pines de entrada/salida. Con el esquema propuesto solo necesitamos 7 de ellos para selec cionar la fila a escribir, y tres par a manejar el registro de desplazamiento. Es decir, un PIC de 3 euros y 18 pines serviría perfectamente para realizar el proyecto.
¿Cómo funciona la matriz? Como dijimos antes, la pantalla está formada por una serie de filas y columnas. La intersección entre ambas contiene un LED. Para que este encienda, tiene que recibir simultáneamente un 0 en la fila, y un 1 en la columna. Cuando se dan estas condiciones, la electrónica de la placa se encarga del encendido del LED en cuestión. La forma de generar un mensaje sobre el display es relativamente sencilla, si nos atenemos al siguiente algoritmo:
1) Apagar todas las filas.
2) Escribir los valores correspondientes a la primer fila en el registro de desplazamiento, teniendo en cuenta que el primer digito binario colocado corresponde al último LED de la fila, y el ultimo en poner al de la pri mer columna.
3) Encenderla primer fila, esperar un tiempo, y volver a ap agarla.
4) Repetir los pasos 2 y 3 para las filas restantes .
El tiempo de la demora debe ser tal que per mita una visualización correcta, sin
molestos parpadeos y con los LEDS brillantes. Hay que tener en cuenta que si utilizamos tiempos mayores para el encendido de cada fila, el brillo de los LEDS será mayor, pero también aumentará el parpadeo. La forma de transformar este algoritmo en un programa funcional depende de cada programador, y puede ser más o menos complejo según se permitan diferentes tipos de caracteres, ani maciones, etc.
El brillo de los LEDs Un
punto a tener en cuenta es la intensidad del brillo que puede proporcionar el tipo
de LED que utilicemos. Un LED, utilizado en aplicaciones normales, se alimenta con unos 3V y requiere unos 15mA (varia ligeramente de un modelo a otro) para brillar con una buena intensidad. En caso de un típico cartel de 7 filas, a pesar de que las veremos encendidas al mismo tiempo, cada LED solo estará encendi do la séptima parte del tiempo, por lo que su brillo será siete veces inferior al normal, y nuestro cartel apenas será visible.
Afortunadamente esto también tiene solución: dado que los tiempos que permanecerá encendido cada LED no superará los 20 o 30 milisegundos, podremos hacerles circular una corriente mayor a la nominal sin que lleguen a dañarse, con lo que brillarán mucho más intensamente, dando como resultado un cartel perfectamente visible.
Respecto de los LEDs, podremos utilizar LEDs discretos (y soldar 1120 terminales) o comprar paneles de 7x5 LEDs que tienen unos 14 o 16 terminales (según el modelo), estando ya interconectados en forma de matriz. Quizás s ea esta la mejor alternativa.
El circuito de ejemplo Dado que nuestro hipotético cartel tiene fines merament e educativos, y la intención mantener su costo lo más bajo posible para que cada lector pueda construirlo, por lo
que intentaremos realizarlo en base a un microcontrolador pequeño, como el PIC16F628A. Si el lector necesita un cartel de mayor tamaño o con capacidad para almacenar textos o imágenes más extensos, deberá utilizar algún micro con mayor capacidad y velocidad.
La utilización de una memoria EEPROM externa de un tam año bastante grande, como la 24C256, nos brinda la posibilidad de almacenar mucho texto en ella. Por supuesto, esto también puede ser ampliado con mucha f acilidad.
Dividiremos el esquema electrónico del cartel en dos partes: en primer lugar veremos toda la lógica de control, y en segund o, la pantalla con el registro de desplazamiento. A la hora de llevarlo a la pr áctica se puede incluso hacer dos circuitos impresos por separado. Esto le permitiría al lector experimentar con otros controladores sin necesidad de volver a montar la placa de los displays, o viceversa.
El circuito controlador Este es el cerebro de nuestro c artel. Será el encargado de gestionar el encendido de cada LED mediante órdenes enviadas a las columnas mediante el registro de desplazamiento y a las filas.
Como una fila tendrá muchos LEDs (80, por ejemplo)y existe la posibilidad que en algún momento puedan estar todos encendidos, no podemos conectarlas directamente a pines de E/S del PIC, porque la corriente que demandarían harí a que el puerto del microcontrolador pase a mejor vida. Para evitar esto, utilizaremos en medio un transistor capaz de manejar la corriente requerida.
Controlador del cartel.
Analicemos el circuito de la figura anterior. El centro de todo es el microcontrolador PIC16F628A, que tiene su pin de RESET conectado a un pulsador y un resistor de 10K. Este pulsador permite reiniciar el cartel cuando lo necesitemos. También se ha implementado un circuito de reloj externo, basado en un cristal de 4 MHz y dos condensadores de 22 nF. Esto le permite al PIC ejecutar un millón de instrucciones por segundo, más que suficientes para este proyecto.
Los pines 1 y 2, correspondientes a los terminales A2 y A3 del microcontrolador, se han utilizado para acceder a una memoria EEPROM del tipo 24C256. Esta m emoria es de acceso serial (por eso necesitamos solo dos pines del PIC para usarla) mediante el protocolo I2C, y tiene capacidad para almac enar 32.768 Bytes. Si nuestro programa hace uso de ella, podemos guardar allí 32.768 caracteres (con el display en modo texto) o más de 450 pantallas de 7x80 píxeles en modo gráfico. Si resultara insuficiente, puede ponerse una memoria de mayor capacidad, siempre consultando la hoja de datos de la misma para asegurarnos su compatibilidad con la del ejemplo.
Todo el puerto B del PIC está dedicado a controlar las filas del c artel. Como ya habrán notado, tenemos 8 salidas para filas, y nuestro cartel ti ene solo 7 filas. Efectivamente, la fila 8 no se utilizará si nuestra pantall a está construida con módulos LED de 7x5, pero el circuito de control está preparado para el uso (en caso de que alguien los prefiera) de módulos de 8x8 o bien para crear un c artel de 8 filas mediante el uso de LEDs sueltos. Quienes utilicen módulos de 7x5 pueden ahorrarse el transistor de la fila 8.
Por último, los pines 17 y 18, correspondientes a los terminales A 0 y A1 del microcontrolador se encargan de l a gestión del registro de desplazamiento. El programa deberá generar los pulsos de reloj necesarios por el pin 18, y meter los datos en el registro por el pin 17.
No hemos incluido una fuente de alimentación. Cualquier fuente comercial (o construida en casa) que sea capaz de entregar 5V y 2A será suficiente. Esos 5V deben estar bien regulados, y por supuesto, el software deberá es tar escrito correctamente, es decir, no encender v arias filas al mismo tiempo, ya que el consumo de todo el cartel encendido sería de unos 80 x 70 x 20mA = 11.2 A, lo que podría destruir la fuente en caso de que no cuente con protecciones adecu adas.
El display Esta es la parte del proyecto que todo el mundo va a mirar, así que debemos ser prolijos al montarlo. Como puede verse en el esquema eléc trico de la figura 4, hemos utilizado un total de 10 circuitos integrados 74HC164N para construir el registro de desplazamiento de 80 bits de largo, uno para cada columna. Como explicamos, si alguien quiere hacer un cartel más largo o más corto, deberá poner más o menos integrados.
De esta forma se conectan los LEDs en filas y columnas.
Si miramos el esquema del di splay, veremos que en la parte superior se muestra
como está conectado cada LED dentro de la matriz de 5x7. Esto es importante tenerlo en cuenta a la hora de comprar los módulos, ya que hay una gran cantidad de modelos, y algunos de ellos tienen los LEDs c onectados en el sentido inverso.
Cada display también difiere en la función de cada ter minal, por lo que se debe estar a atentos a la hoja de datos para diseñar el circuito impreso apropiado, y conectarlos como corresponda.
En el dibujo del circuito no hemos representado los 16 módulos ni los 10 circuitos integrados, por una cuestión de espacio, pero es fácil darse cuenta de qué forma s e conectan las filas y columnas de los demás displays a cada 74HC164N.
No utilizaremos el pin de RESET de los 74HC164 N. En lugar de ser controlados desde el microcontrolador, cada RESET está puesto a + 5V, de forma que el integrado funcione continuamente. Si por algún motivo se desea borrar la pantalla, basta con enviar 80 0s al registro de desplaz amiento y listo. El tiempo empleado para esa tarea es despreciable, ya que el microcontrolador estará ejecutando 1 millón de instrucciones por segundo. El utilizar una línea de control menos nos permitir á tener una placa de circuito impreso ligeramente más sencilla.
Cada salida de los 74HC164N, como dijimos, se conecta a una columna de la serie de displays. Esta conexión se efectúa mediante un resistor de 1/8 de Watt, que en el esquema se ha dibujado con un valor de 330 ohm. Ese fue el valor adecuado para el tipo de módulos que conseguimos para hacer el prototipo, pero su valor variará de un modulo a otro. Se puede montar solo un display con resistores de 330 ohms, y ver como es el brillo de los LEDs. Si es escaso, se puede bajar el valor a 22 0 o 100 ohms. Con eso debería ser suficiente
Video YouTube: http://www.youtube.com/watch?v=xz9BTzbF7JY
El software Ahora nos toca abordar la programación del hardware propuesto. El cartel del LEDs que estamos construyendo puede adoptar diferentes tamaños de acu erdo a las necesidades o componentes que cada uno consiga. Esto hac e que sea imposible
proporcionar un programa específico que funcione en cualquier versión de cartel que se haya construido, pero sin embargo po demos hacer algo mucho mejor: ver de qué manera se escribe un programa de este tipo en BASIC (del PIC SIMULATOR IDE) para que cada uno lo adecue a su proyecto.
Debemos pensar en un programa que nos permita mostrar píxeles individuales representados sobre la pantalla de nuestro cartel. Sigamos con el ejemplo del cartel de 80 columnas y 7 filas de altura, r ecordando que todo lo que expliquemos puede ser adecuado para carteles de otro tamaño.
Lo primero que necesitamos saber es que el barrido del cartel debe h acerse por filas. Es decir, mostraremos el contenido de la primera fila, esperamos un tiempo determinado (unos pocos milisegundos), mostramos el de la segunda fila, esperamos nuevamente, y así hasta llegar a la última fila, tal como se expresa en el algoritmo visto mas arriba.
El motivo de no emplear las columnas para realizar el b arrido es que como son más numerosas, el tiempo total que se necesit a para escribir por filas es mucho menor que el necesario para escribir por columnas, y en la práctic a eso significa que el brillo de nuestro cartel será mucho mayor si lo hacemo s por filas, ya que cada LED permanecerá encendido 1/7 del tiempo. Si lo hiciésemos por columnas, cada LED estaría (en este ejemplo) encendido solo 1/80 del tiempo, por lo que su brillo seria unas 10 veces menor.
Ahora bien, el primer problema a resolver es ¿Cómo escribo los datos de una fila del cartel? Esto tiene una solución más que simple: solo debemos introducir en el registro de desplazamiento los 0 y 1 neces arios para que los LEDs que queremos estén encendidos en esa fila tengan +V en sus ánodos. Por supuesto, mientras hacemos esto todos los pines del microcontrolador que controlan las filas deberán estar apagadas, para que no se perciba una débil luminosidad en todos l os LEDs de la fila que estamos escribiendo a medida que pasan los datos a través del registro.
El primer valor que se debe meter en el registro de desplazamiento es el que corresponderá a la última columna. A medida que vamos ingresando los siguientes, se van desplazando hacia el final del cartel. Cuando hayamos introducido el valor número 80 (que corresponderá a la primera columna) el primer valor que metimos habrá llegado a su posición. En ese momento tenemos todo el registro escrito, y ya
podemos activar la salida del PIC que corresponde a esa fila en particular.
El tiempo que debe estar encendida la fila s e puede determinar empíricamente, pero por lo generan unos 10 milisegundos es suficiente. Si tenemos 7 filas, 10 milisegundos de demora permitirían escribir todo el cartel en unos 70 mili segundos, por lo que obtendríamos un máximo de 1000/70 = 14 frames por segundo. Este es un muy buen valor para una pantalla de este tipo, ya que solo estamos mostrando un texto y no un video.
En los cálculos anteriores no tuvimos en cuenta el tiempo que se demora en escribir los 80 valores en el registro de desplazami ento. Veamos porque: cada valor ingresado en el registro de desplazamiento demora unos 2 microsegundos. Es decir, demoramos 2 x 80 = 160 millonésimas de segundo en escribir toda la fila. Si multiplicamos este valor por 7 tendremos en tiempo que necesitamos para escribir las 7 filas del cartel, lo que nos da 1136 millonésimas de segundo, es decir, poco más de 1 milésima. Este es un ti empo despreciable frente a las 70 milésimas que nos tomamos para mostrar la i magen completa, y podemos despreciarla.
Ahora vamos a ver, en BASIC, como hacer para escribir un valor en el registro de desplazamiento. Recordemos que el dato ingresa al registro en el momento que se produce la transición de 0 a 1 del pulso de CLOCK, por lo que se deberán seguir los siguientes pasos para ingresar cada uno de los 80 valores correspondientes a cada fila:
1) Fijar el valor del dato a escribir (si DATA es 1, hacer PORTA.0 = 1 , si no PORTA.0 = 0)
2) Poner la línea de CLOCK en estado bajo (PORTA.1 = 0).
3) Esperar un 1 microsegundo (WaitUs 1)
4) Poner la línea de CLOCK en estado alto (PORTA.1 = 1). En este punto el dato entra efectivamente en el registro de desplazamiento.
5) Esperar un 1 microsegundo (WaitUs 1)
6) Fin
En BASIC, si hemos declarado que
Symbol clock = PORTA.1 Symbol data = PORTA.0
Un
0 se escribiría así:
data = 0 clock = 0 WaitUs 1 clock = 1 WaitUs 1
Y un 1 de la siguiente manera:
data = 1 clock = 0 WaitUs 1 clock = 1 WaitUs 1
Para escribir los 80 valores de la fila necesitamos hacer una subrutina que, tomando 10 bytes de la memoria EEPROM (10 b ytes x 8 bits = 80 bits, es decir, una fila completa) los vuelque al registro de desplazamiento.
Si repetimos 7 veces este procedimiento, tendríamos una pantalla de 7x80 completa. Eso significa que en la EEPROM cada pantalla va a necesitar de 7 0 bytes (10 bytes por fila, 7 filas) para almac enar el mapa de bits correspondiente.
Veamos un ejemplo de cómo podría ser la subrutina encargada de escribir un byte tomado de la EEPROM en el registro de desplazamiento, a la que hemos llamado escriboByte:
escriboByte: For columna = 1 To 8 If dato.7 = 0 Then data = 0 clock = 0 WaitUs 1 clock = 1 WaitUs 1 Else data = 1 clock = 0 WaitUs 1 clock = 1 WaitUs 1 Endif aux = ShiftLeft(dato, 1) Next columna Return
Esta función debe ser llamada 10 veces para escribir la fila completa, con el valor a escribir guardado en la variable dato. El motivo por el cual el bucle FOR-NEXT toma los bits del byte desde el 7 hasta el 0 se d ebe a que justamente el último bit es el que debe ingresar primero al registro de desplazamiento, tal como explicamos antes.
Debemos partir de la base de que la información de la EEPROM la vamos a gr abar desde un ordenador, y que seguramente crearemos un programa que permita, a partir de un texto determinado, generar los bits individuales que componen el bitmap de cada pantalla del cartel. Esto simplifica muchísimo la programación del microcontrolador, ya que solo debe dedicarse a leer la EEPROM y volcar su contenido al registro de desplazamiento, sin tener que dibujar las letras a partir de una tabla ni nada por el estilo.
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En este proyecto veremos como diseñar y construir un display de diodos leds, que nos servirá de pantalla para exhibir textos o imágenes, fijas o animadas. os usos son varios, desde un 6
sofisticado modding en el gabienete de nuestro ordenador hasta su empleo como medio para exhibir mensajes o publicidad. Por supuesto, sus dimensiones pueden resultar insuficientes para algunos usos, pero es fácilmente expandible.
a gran mayoría de los aficionados a la electr nica, tarde o temprano, se propone la
6
7
construcci n de un cartel basado en una matriz de diodos EDs. El prop sito de este artículo 6
7
7
es explicar, de forma clara y sencilla, la forma de hacerlo. Un cartel formado por varias filas y columnas de EDs, convenientemente programado, puede 6
servir para pasar mensajes publicitarios, decorar nuestra habitaci n, ordenador o lo que se nos 7
ocurra. No solo se trata de un proyecto más que interesante para llevarlo a cabo como hobbysta, sino que puede resultar interesante como un producto comercializable. Es que estas matrices, que en algunos países se las conoce como ³cartel de LEDs´ o ³Publik´, son un recurso muy frecuentemente utilizado con fines publicitarios o informativos. Tabla de contenidos [esconder ]
1 Introducci n 8
9
Descripci n del proyecto 8
9
9
@
.1 ³Houston, tenemos un problema´ . Multiplexado 9
El hardware @
@
@
@
.1 Tres Placas . El cable plano 9
.
@
A
ista de componentes
.4 PCBs
4 El Software 4.1 Programaci n 8
4. El registro de desplazamiento 9
4. C digo fuente @
8
5 Downloads
6 Algunas ideas 6.1 Conexi n con la PC B
6. Más y más ideas C
D
Temas relacionados 8 Autor
Descripci n del proyecto ³Houston, tenemos un problema´ Por ejemplo, un PIC16F8 6A de 8 pines dispone de F
E
F
F
dedicados a funciones deE/S, y su
hermano mayor, el PIC16F8 A que cuenta con un total de 40 pines dedica E
E
G
G
a estos
menesteres. Habitualmente, con un número así de pines de control es posible resolver correctamente casi cualquier situaci n que se nos plantee, ya que normalmente en el diseño de H
un circuito de control basta con leer unos pocos pulsadores o sensores, y luego de realizar internamente algún proceso con esas señales, se actúan (o no) unas pocas cargas conectadas a sus salidas, generalmente mediante reles o interfaces de algún tipo. Sin embargo, hay caso concretos en que ningún PIC (o microcontrolador de otras familias) puede aportar en numero suficientes de E/S que permitan controlar todas las cargas conectadas a el, y se deben recurrir a circuitos de apoyo comandados mediante señales de control y utilizando un bus de datos. Uno de esos casos es el que nos ocupa en este articulo. En lo que respecta a las entradas y salidas (E/S), cada microcontrolador, al igual que cualquier computadora, dispone de un numero finito de ellas, y en general, se trata de un numero no demasiado elevado. Esta claro que si queremos formar una imagen mediante pixeles compuestos por EDs individuales, harán falta un numero de líneas de control mucho mayor I
que las disponibles en cualquier microcontrolador . Nuestra pantalla será semejante a esos displays que seguramente habrán visto en algún comercio o local de servicios, en los que un texto realiza un scroll de derecha a izquierda, a una velocidad que permite la ilusi n de un movimiento suave y continuo. Estas matrices de leds H
generalmente están conformadas por un cierto número de filas y de columnas. Para permitir un texto legible, que represente claramente los caracteres correspondientes a las letras mayúsculas y minúsculas hacen falta unas
E
filas de alto, y si queremos que el display
muestre unos 10 o 1 caracteres simultáneamente, necesitaremos unas 100 columnas. F
Si multiplicamos el numero de filas por las columnas, tendremos el numero de EDs que hay P
presente en un display de este tipo. Con los valores que mencionábamos recién, vemos que se necesitan 00 EDs para un display no muy complejo, y de un solo color. P
Q
Si nos limitáramos a los medios ³tradicionales´ para encender o apagar cada ED del display, P
es decir, conectando cada uno de ellos a un pin de salida del PIC y encenderlos mediante 0 o 1 publicados en ese bit del puerto, nos harían falta un PIC con al menos 00 pines, algo que Q
debemos descartar de plano por que no existe. Una soluci n posible seria utilizar varios PICs conectados entre si, de manera que cada uno R
maneje por ejemplo dos o tres columnas, y mediante algún protocolo se envíen mensajes entre ellos para mostrar la parte del texto que le corresponde. Esta alternativa tiene más posibilidades de éxito, pero cuenta con la contra de una programaci n compleja y un costo R
elevado, ya que se necesitan unos
P
S
PICs por carácter, lo que econ micamente no es viable. R
a respuesta a este problema viene de la mano de la multiplexacion, el empleo de buses y
circuitos de apoyo que transformen datos enviados en forma serial a una representaci n en R
paralelo.
Multiplexado El termino ³multiplexar´ hace referencia a una técnica que permite aprovechar unas pocas líneas de datos para diferentes tareas, cambiando la funci n que cumplen a lo largo del tiempo. T
Un ejemplo podría ser un sistema de control de temperaturas de varios ambientes. Dado que la velocidad no es crucial, ya que en términos de milisegundos (o microsegundos) la temperatura casi no varía debido a la inercia térmica, se puede utilizar un único circuito que lea alternativamente cada sensor de temperatura. Esto evita la duplicaci n de circuitos y permite T
resolver el problema con una fracci n de los recursos (pines I/O) disponibles. T
En el caso de este proyecto, la pantalla que construiremos esta formada por una matriz de diodos EDs distribuidos una matriz de V
W
U
U
U
4
columnas por filas. Estos valores se eligieron por X
ser casi los mínimos para lograr un display útil, ya que un carácter para ser legible necesita
tener una altura de 5 o
Y
píxeles, y un ancho como mínimo de 5. Con estas dimensiones,
lograremos ubicar un texto de unos 5 o 6 caracteres, que opcionalmente puede irse desplazando por la matriz.
El hardware Tres Placas Por razones de comodidad, el proyecto se distribuyo sobre tres placas de circuito impreso diferentes. a primera de ellas, encargada de la alimentaci n, control l gico y la comunicaci n `
a
a
a
con la PC es la que incluye el PIC, coraz n del proyecto. Además, en ella se encuentra la a
etapa de alimentaci n, excepto el transformador, llave y fusible que deberán alojarse en el a
gabinete que contenga esta placa. a alimentaci n esta basada en un regulador de voltaje M 805, capaz de entregar 500mA sin Y
`
a
`
disipador, y hasta 1A si lo refrigeramos convenientemente. Si sacamos algunas cuentas, veremos que gracias al multiplexado nunca debería haber más de una fila encendida al mismo tiempo, que en el caso más desfavorable tendría 15 miliamperes (5V / b
c
b
b
b
c
leds encendidos. Cada ED consume unos `
0 ohms = 0.015A), por lo que el consumo de la ³pantalla´ es de 0.015 x
= 480mA, si esto sumamos el consumo del resto de la electr nica, el consumo total ronda a
los 600mA. El M 805 de mi prototipo apenas se entibia sin utilizar disipador. Y
`
El PIC se encarga de generar los pulsos de C OCK y DATOs (pines 1 y 18) que son enviados e
d
a la ³placa de video´ que es la que tiene los 4HC164N que forman un registro de e
desplazamiento. También tiene la posibilidad de conectarse a una PC vía RSf
g
(ver mas
f
adelante) y controla los drivers que proveen la corriente que alimenta cada fila del display. Como la corriente es muy elevada para ser entregada directamente por el PIC, se incluyeron transistores BC g
e
f
e
para esta tarea.
Se utilizo un cristal de 4MHz y dos capacitores de
f
f
nF para generar los pulsos de reloj del
micro en lugar del reloj interno, para lograr una mejor estabilidad con la temperatura, ya que en caso se utilizar la conexi n RSh
d
f
g
f
la velocidad es un tema delicado.
a segunda de las placas, que se conecta mediante un cable plano a la primera, es la
encargada de controlar el display. Recoge los pulsos de C OCK y los datos provenientes de la d
placa controladora vía el cable plano, y energiza las columnas que correspondan. os d
e
4HC164N se conectan a cada columna a través de una resistencia de
g
0 o 90 ohms. g
g
Si se quiere aumenta el brillo de los EDS, pueden reemplazarse por resistencias de d
f
f
0 ohms
(o incluso menores), pero asegurándose que el tiempo de encendido de los leds no pase de unos milisegundos por vez para evitar su envejecimiento prematuro. También hay que prestar atenci n al consumo de corriente total, y posiblemente cambiar los transistores BC h
e
g
f
por
BC640, capaces de manejar corrientes mas elevadas. Por ultimo, la placa mas sencilla, pero a la vez mas laboriosa desde el punto de vista constructivo es la ³pantalla´ propiamente dicha, ya que esta formada por 4 diodos EDs. f
d
f
Esta placa recibe las señales de control provenientes de la ³placa de video´ mediante pines de bronce que le otorgan soporte mecánico y eléctrico simultáneamente, y mediante
pequeños
e
cables que son los encargados de seleccionar la fila que vamos a iluminar.
NOTA
IMPORTANTE: En el esquema no figura la conexi n del PIN 9 (RESET) del 4HC164N e
h
a +V, aunque si está contemplado en el diseño del PCB. Ese pinDEBE estar a +V para que el circuito funcione.
El cable plano Para enviar los datos desde la placa de control a la ³placa de video´ se utilizo un cable plano de 10 vías, con fichas en los extremos muy parecidas a las empleadas para conectar unidades de CD-ROM dentro de la PC, pero más pequeñas. Hay que tener cuidado que al armar el cable las fichas no queden invertidas, y las señales de un extremo terminen siendo un espejo de las aplicadas en el otro. Dado que los conductores de este cable son muy delgados, para evitar problemas se utilizaron dos cables de más secci n para llevar los 5V de alimentaci n hasta esta placa. Hay que tener i
i
en cuenta de cone ctarlos con la polaridad corre cta para evitar destruir algún componente.
ista de componentes 1 porta fusible y fusible de 1 A. 1 transformador de
p
p
0V a 6V, 1 A.
1 puente de diodos de 1 A 1 regulador M 805 q
p
p
r
capacitores cerámicos de 100 nF capacitores cerámicos de
1 capacitor electrolítico de
p
p
p
p
pF
0uF/16V
1 dip-switch de 4 interruptores en formato DI q
1 diodo 1N4148 1 transistor BC54 B r
transistores BC s
r
p
r
1 cristal de 4 MHz. 1 resistencia de
t
K
t
1 resistencia de K u
u
4 resistencias de 10K resistencias de 1K5
v
t
u
u
u
resistencias de
t
t
0 ohms
4 leds rojos de mm t
1 microcontrolador PIC 16F6 8A u
4 Registros de desplazamiento 4HC164N v
u
t
0 cm. de cable plano de 10 vías y dos fichas borneras de
u
contactos, para circuito impreso
Varios: z calos para los integrados, pines de bronce, circuito impreso virgen de una sola w
cara.
PCBs Son necesarias tres placas de circuito impreso para este proyecto, cuyos diseños son los siguientes:
Placa de control.(Descargar en PDF)
Placa de "video".(Descargar en PDF)
Placa del display.(Descargar en PDF)
El Software Programaci n Si bien la construcci n de este proyecto es un poco mas compleja que otros encarados antes, x
la parte del software es la que seguramente nos costara mas trabajo, pero los resultados bien valen la pena. Hemos adjuntado el listado correspondiente al programa que genera el texto ³POWER´ para que sirva de ejemplo, pero la idea es que cada uno realice su propio software utilizando como punto de partida las ideas y datos que e xpondremos a continuaci n. x
Como dijimos antes, la pantalla esta formada por una serie de filas y columnas. a intersecci n y
x
entre ambas contiene un ED. Para que este encienda, tiene que recibir simultáneamente un y
³0´ en la fila, y un ³0´ en la columna. Cuando se dan estas condiciones, la electr nica de la x
³placa de video´ se encarga del encendido. y
a forma de generar un mensaje sobre el display es relativamente sencilla, si nos atenemos al
siguiente algoritmo: 1) Apagar todas las filas, escribiendo un 1 en PORTB.0 y PORTB. al
) Escribir los valores correspondientes a la primer fila en el registro de desplazamiento,
teniendo en cuenta que el primer digito binario colocado corresponde al ultimo ED de la y
fila, y el ultimo en poner al de la primer columna.
) Poner un ³0´ en la primer fila (PORTB.0 = 0), esperar un tiempo, y volver a apagarla con
PORTB.0 = 1. 4) Repetir los pasos para las filas
a .
os tiempos de demora que utilizamos en el programa de ejemplo permiten una visualizaci n
correcta, sin molestos parpadeos y con los EDS brillantes. Hay que tener en cuenta que si
utilizamos tiempos mayores para el encendido de cada fila, el brillo de los EDS será mayor,
pero también aumentara el parpadeo. No utilizamos vectores ni otras alternativas que hubieran servido para crear un c digo mas compacto, buscando la claridad del programa, para que
pueda servir como base a otros mas completos/complejos.
El registro de desplazamiento Vamos a detenernos un momento para explicar como se introducen los datos en el registro de desplazamiento. o primero a tener en cuenta es que los datos deben entrar de izquierda a
derecha, es decir, el primer dato que introduzcamos sera ³empujado´ por los que vienen detrás hasta llegar a la ultima columna. En segundo lugar, hay que saber (recomendamos la lectura de la hoja de datos del 4 S164N) que el dato ingresa al registro en el momento que se
produce la transici n de ³0´ a ³1´ del pulso de C OCK, por lo que se deberán seguir los
siguientes pasos para ingresar cada uno de los
valores correspondientes a cada fila:
1) Fijar el valor del dato a escribir (si DATA es 1, hacer PORTA.1 = 1, si no PORTA.1 = 0)
) Esperar un par de microsegundos (WaitUs )
) Poner la línea de C OCK en estado bajo (PORTA.0 = 0).
4) Esperar un par de microsegundos (WaitUs )
5) Poner la línea de C OCK en estado alto (PORTA.0 = 1). En este punto el dato entra
efectivamente en el registro de desplazamiento. 6) Esperar un par de microsegundos (WaitUs )
) Fin
os tiempos de demora de dos microsegundos funcionan, pero se puede experimentar un poco
con ellos, dado que según la hoja de datos la frecuencia máxima de trabajo del 4 S164N es
de 5MHz., por lo que demoras menores deberían trabajar bien. Con estos tiempos, la
escritura de los
bits de una línea demora unos 50 microsegundos, tiempo más que
aceptable. En el c digo fuente se puede ver que por cada línea a escribir en la pantalla se
utiliza un bloque como el siguiente aux = %0010001011111001 Gosub escribo aux = %0100011100000010 Gosub escribo Fila1 = 0 WaitMs 2 Fila1 = 1 Goto loop End
Básicamente, se llama dos veces a la subrutina ³escribo´ que comentaremos en un momento, con 16 bits en la variable ³aux´.
uego se enciende la fila escribiendo un ³0´ en el pin apropiado, se esperan un par de
milisegundos, se apaga escribiendo un ³1´, y se pasa a la fila siguiente. a subrutina escribo se
encarga de procesar el contenido de la variable ³aux´, bit por bit, viendo si son ³0´o ³1´ y escribiendo el dato correspondiente en el registro de desplazamiento. a instrucci n ³aux =
Shift eft(aux, 1)´ se encarga de rotar los 16 bits de la variable a la izquierda, para tomar el bit
siguiente.
C digo fuente A continuaci n, el c digo fuente de ejemplo, en BASIC del PIC SIMU ATOR IDE.
'---------------------------'Programa de ejemplo display 7x32 'Texto fijo: POWER ' 'PIC: 16F628A - 4Mhz XTAL, SIN RESET ' '----- CONFIGURO PUERTOS ----PORTA = 0 CMCON = 7
'Configuro PORTA como Digital I/O
' 'Configuro el portA: TRISA.0 = 0
'Salida CLOCK
TRISA.1 = 0
'Salida DATA
TRISA.2 = 1
'Entrada Dip 0
TRISA.3 = 1
'Entrada Dip 1
TRISA.4 = 1
'Entrada Dip 2
TRISA.5 = 1
'Entrada Dip 3
' 'Configuro el portB: TRISB.0 = 0 TRISB.1 = 1
'Salida (Fila 1) 'Entrada RS -232
TRISB.2 = 0
'Salida (Fila 2)
TRISB.3 = 0
'Salida (Fila 3)
TRISB.4 = 0
'Salida (Fila 4)
TRISB.5 = 0
'Salida (Fila 5)
TRISB.6 = 0
'Salida (Fila 6)
TRISB.7 = 0
'Salida (Fila 7)
' 'Simbolos Symbol clock = PORTA.0 Symbol data = PORTA.1 Symbol fila1 = PORTB.0 Symbol fila2 = PORTB.2 Symbol fila3 = PORTB.3 Symbol fila4 = PORTB.4 Symbol fila5 = PORTB.5 Symbol fila6 = PORTB.6 Symbol fila7 = POR TB.7 clock = 0 data = 0 ' 'Declaracion de variables Dim col As Byte Dim aux As Word ' PORTB = 255
'Apago todas las filas antes de comenzar
' '---------BUCLE PRINCIPAL -----------Loop: aux = %0001111011111010 Gosub escribo aux = %0010011100011110 Gosub escribo fila1 = 0 WaitMs 2 fila1 = 1 ' aux = %0010001000001010 Gosub escribo aux = %0010100010100010 Gosub escribo fila2 = 0
WaitMs 2 fila2 = 1 ' aux = %0010001000001010 Gosub escribo aux = %0010100010100010 Gosub escribo fila3 = 0 WaitMs 2 fila3 = 1 ' aux = %0001111000111010 Gosub escribo aux = %0010100010011110 Gosub escribo fila4 = 0 WaitMs 2 fila4 = 1 ' aux = %0000101000001010 Gosub escribo aux = %1010100010000010 Gosub escribo fila5 = 0 WaitMs 2 fila5 = 1 ' aux = %0001001000001001 Gosub escribo aux = %1100100010000010 Gosub escribo fila6 = 0 WaitMs 2 fila6 = 1 ' aux = %0010001011111001 Gosub escribo aux = %0100011100000010 Gosub escribo fila7 = 0 WaitMs 2 fila7 = 1 ' Goto loop ' End ' 'Subrutina que llena el registro de dezplazamiento escribo:
For col = 1 To 16 If aux.15 = 0 Then data = 1 WaitUs 2 clock = 0 WaitUs 2 clock = 1 WaitUs 2 Else data = 0 WaitUs 2 clock = 0 WaitUs 2 clock = 1 WaitUs 2 Endif aux = ShiftLeft(aux, 1) Next col Return
Downloads Desde este link puedes bajar el archivo HEX correspondiente al c digo BASIC anterior.
Algunas ideas Conexi n con la PC El PIC16F6 8A dispone de un puerto RS
incorporado, con capacidad para recibir y
transmitir datos, pero maneja solo niveles TT , por lo que se incluyeron un par de resistencias,
un diodo y un transistor para adecuar el nivel de la señal proveniente del puerto de la computadora a valores ³digeribles´ por el PIC. a funci n de los 4 dip-switches conectados a
los pines 1, , y 4 tienen como objetivo permitir asignar un numero del 0 al 15 (en binario) a
cada placa. Esto permitiría conectar 16 placas iguales (cada cual con su pantalla de x
),
donde cada una representaría el dato que esta dirigido a ella, para lograr un display total de
x51 pixeles (aunque habría que soldar«. 584 EDS!)
En caso de utilizar la interfaz con la PC, hay que construir un cable de conexi n, un programa
en Visual Basic u otro lenguaje que envíe los datos por el puerto serie, en tramas compuestas por ejemplo por un byte de direcci n (a que placa de las 16 corresponde el dato), y 4 bytes con
el mensaje en si. Desde el lado del PIC, el software debería incluir la capacidad de discriminar los mensajes enviados a el (en f unci n de la posici n de los dip-switches) y representar los
caracteres en la matriz.
