Matriz de LEDS de 7 filas y 32 columnas. Tomado de la Revista ucontrol
Introducci\u00f3n
Matriz de LEDS de 7x32
En este proyecto veremos como dise\u00f1ar y construir un display de diodos leds, que nos servir\u00e1 de pantal para exhibir textos o im\u00e1genes, fijas o animadas. Los usos son varios, desde un sofisticado modding en el gabinete 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 f\u00e1cilmente expandible.
La gran mayor\u00eda de los aficionados a la electr\u00f3nica, tarde o temprano, se propone la construcci\u00f3n de un cartel basado en una matriz de diodos LEDs. El prop\u00f3sito de este art\u00edculo es explicar, de forma clara y sencilla, la forma de hacerlo. Un cartel formado por varias filas y columnas de LEDs, convenientemente programado, puede servir para pasar mensajes publicitarios, decorar nuestra habitaci\u00f3n, ordenador o lo que se nos ocurra. No solo se trata de un proyecto m\u00e1s que interesante para llevarlo a cabo como hobbysta, sino que puede resultar interesante como un producto comercializable. Es que estas matrices, que en algunos pa\u00edses se las conoce como \u201ccartel de LEDs\u201d o \u201cPublik\u201d, son un recurso muy frecuentemente utilizado con fines publicitarios o informativos.
Descripci\u00f3n del proyecto Por ejemplo, un PIC16F876A de 28 pines dispone de 22 dedicados a funciones de E/S, y su hermano mayor, el PIC16F877A que cuenta con un total de 40 pines dedica 33 a estos menesteres. Habitualmente, con un n\u00famero
as\u00ed de pines de control es posible resolver correctamente casi cualquier situaci\u00f3n que se nos plantee, ya q normalmente en el dise\u00f1o de un circuito de control basta con leer unos pocos pulsadores o sensores, y luego de realizar internamente alg\u00fan proceso con esas se\u00f1ales, se act\u00faan (o no) unas pocas cargas conectadas
salidas, generalmente mediante rel\u00e9s o interfaces de alg\u00fan tipo. Sin embargo, hay caso concretos en que n PIC (o microcontrolador de otras familias) puede aportar en n\u00famero suficientes de E/S que permitan controlar todas las cargas conectadas a el, y se deben recurrir a circuitos de apoyo comandados mediante se\u00f1ales de control y utilizando un bus de datos. Uno de esos casos es el que nos ocupa en este art\u00edculo.
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 n\u00famero no demasiado elevado. Est\u00e1 claro si queremos formar una imagen mediante pixeles compuestos por LEDs individuales, har\u00e1n falta un numero de l\u00edneas de control mucho mayor que las disponibles en cualquier microcontrolador. Nuestra pantalla ser\u00e1 semejante a esos displays que seguramente habr\u00e1n visto en alg\u00fan comercio o local servicios, en los que un texto realiza un scroll de derecha a izquierda, a una velocidad que permite la ilusi\u00f3n de
un movimiento suave y continuo. Estas matrices de leds generalmente est\u00e1n conformadas por un cierto n\u00famero de filas y de columnas. Para permitir un texto legible, que represente claramente los caracteres correspondientes a las letras
may\u00fasculas y min\u00fasculas hacen falta unas 7 filas de alto, y si queremos que el display muestre unos 10 o 12 caracteres simult\u00e1neamente, necesitaremos unas 100 columnas. Si multiplicamos el numero de filas por las columnas, tendremos el numero de LEDs que hay presente en un display de este tipo. Con los valores que mencion\u00e1bamos reci\u00e9n, vemos que se necesitan 700 LEDs para un display no muy complejo, y de un solo color.
Si nos limit\u00e1ramos a los medios \u201ctradicionales\u201d para encender o apagar cada LED del display, es dec 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 har\u00edan falta un PIC con al menos 700 pines, algo que debemos descartar de plano por que no existe
Una soluci\u00f3n posible seria utilizar varios PICs conectados entre si, de manera que cada uno maneje por ejemplo dos o tres columnas, y mediante alg\u00fan protocolo se env\u00eden mensajes entre ellos para mostrar la parte del que le corresponde. Esta alternativa tiene m\u00e1s posibilidades de \u00e9xito, pero cuenta con la contra de una programaci\u00f3n compleja y un costo elevado, ya que se necesitan unos 3 PICs por car\u00e1cter, lo que econ\u00f3micamente no es viable.
La respuesta a este problema viene de la mano de la multiplicaci\u00f3n, el empleo de buses y circuitos de apoyo que transformen datos enviados en forma serial a una representaci\u00f3n en paralelo.
Multiplexado
El t\u00e9rmino \u201cmultiplexar\u201d hace referencia a una t\u00e9cnica que permite aprovechar unas pocas l\u
diferentes tareas, cambiando la funci\u00f3n que cumplen a lo largo del tiempo. Un ejemplo podr\u00eda ser un siste control de temperaturas de varios ambientes. Dado que la velocidad no es crucial, ya que en t\u00e9rminos de
milisegundos (o microsegundos) la temperatura casi no var\u00eda debido a la inercia t\u00e9rmica, se puede utiliza
\u00fanico circuito que lea alternativamente cada sensor de temperatura. Esto evita la duplicaci\u00f3n de circuitos y permite resolver el problema con una fracci\u00f3n de los recursos (pines I/O) disponibles. En el caso de este proyecto, la pantalla que construiremos esta formada por una matriz de 224 diodos LEDs
distribuidos una matriz de 32 columnas por 7 filas. Estos valores se eligieron por ser casi los m\u00ednimos para logr
un display \u00fatil, ya que un car\u00e1cter para ser legible necesita tener una altura de 5 o 7 p\u00edxeles, y un an m\u00ednimo 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. La primera
de ellas, encargada de la alimentaci\u00f3n, control l\u00f3gico y la comunicaci\u00f3n con la PC es la que incluye el
coraz\u00f3n del proyecto. Adem\u00e1s, en ella se encuentra la etapa de alimentaci\u00f3n, excepto el transformado fusible que deber\u00e1n alojarse en el gabinete que contenga esta placa.
La alimentaci\u00f3n esta basada en un regulador de voltaje LM7805, capaz de entregar 500mA sin disipador, y hasta 1A si lo refrigeramos convenientemente. Si sacamos algunas cuentas, veremos que gracias al multiplexado
nunca deber\u00eda haber m\u00e1s de una fila encendida al mismo tiempo, que en el caso m\u00e1s desfavorable te leds encendidos. Cada LED consume unos 15 miliamperes (5V / 330 ohms = 0.015A), por lo que el consumo de
la \u201cpantalla\u201d es de 0.015 x 32 = 480mA, si esto sumamos el consumo del resto de la electr\u00f3nica, el c ronda los 600mA. El LM7805 de mi prototipo apenas se entibia sin utilizar disipador.
El PIC se encarga de generar los pulsos de CLOCK y DATOs (pines 17 y 18) que son enviados a la \u201cplaca de
video\u201d que es la que tiene los 74HC164N que forman un registro de desplazamiento. Tambi\u00e9n tiene la pos de conectarse a una PC v\u00eda RS-232 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 7 transistores BC327 para esta tarea.
Se utilizo un cristal de 4MHz y dos capacitores de 22 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 conexión RS-232 la velocidad es un tema delicado. La 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 CLOCK y los datos provenientes de la placa controladora vía el cable plano, y energiza las columnas que correspondan. Los 74HC164N se conectan a cada columna a través de una resistencia de 330 o 390 ohms. Si se quiere aumenta el brillo de los LEDS, pueden reemplazarse por resistencias de 220 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 atención al consumo de corriente total, y posiblemente cambiar los transistores BC327 por BC640, capaces de manejar corrientes mas elevadas. Por último, la placa más sencilla, pero a la vez mas laboriosa desde el punto de vista constructivo es la “pantalla” propiamente dicha, ya que está formada por 224 diodos LEDs. Esta placa recibe las señales de control provenientes de la “placa de video” mediante pines de bronce que le otorgan soporte mecánico y eléctrico simultáneamente, y mediante 7 pequeños cables que son los encargados de seleccionar la fila que vamos a iluminar.
NOTA IMPORTANTE:
En el esquema no figura la conexión del PIN 9 (RESET) del 74HC164N a +V, aunque si
está contemplado en el diseño del PCB. Ese pin DEBE estar a +V para que el circuito funcione.
El cable plano Para enviar los datos desde la placa de control a la “placa 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 sección para llevar los 5V de alimentación hasta esta placa. Hay que tener en cuenta de conectarlos con la polaridad correcta para evitar destruir algún componente.
Lista de componentes 1 porta fusible y fusible de 1 A. 1 transformador de 220V a 6V, 1 A. 1 puente de diodos de 1 A 1 regulador LM7805 2 capacitores cerámicos de 100 nF 2 capacitores cerámicos de 22 pF 1 capacitor electrolítico de 220uF/16V 1 dip-switch de 4 interruptores en formato DIL 1 diodo 1N4148 1 transistor BC547B 7 transistores BC327 1 cristal de 4 MHz. 1 resistencia de 33K 1 resistencia de 2K2 4 resistencias de 10K 7 resistencias de 1K5 32 resistencias de 330 ohms 224 leds rojos de 3mm 1 microcontrolador PIC 16F628A 4 Registros de desplazamiento 74HC164N 20 cm. de cable plano de 10 vías y dos fichas 3 borneras de 2 contactos, para circuito impreso Varios: zócalos para los integrados, pines de bronce, circuito impreso virgen de una sola 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 Programación Si bien la construcción de este proyecto es un poco más compleja que otros encarados antes, la parte del software es la que seguramente nos costara más trabajo, pero los resultados bien valen la pena. Hemos adjuntado el listado correspondiente al programa que genera el texto “POWER” 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 expondremos a continuación.
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 “0” en la columna. Cuando se dan estas condiciones, la electrónica de la “placa de video” se encarga del encendido. La 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.2 al 7 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 primer columna. 3) Poner un “0” 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 2 a 7. Los tiempos de demora que utilizamos en el programa de ejemplo permiten 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 aumentara el parpadeo. No utilizamos vectores ni otras alternativas que hubieran servido para crear un código 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. Lo primero a tener en cuenta es que los datos deben entrar de izquierda a derecha, es decir, el primer dato que introduzcamos sera “empujado” 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 74LS164N) 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 32 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) 2) Esperar un par de microsegundos (WaitUs 2) 3) Poner la línea de CLOCK en estado bajo (PORTA.0 = 0). 4) Esperar un par de microsegundos (WaitUs 2)
5) Poner la línea de CLOCK 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 2) 7) Fin Los 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 74LS164N es de 25MHz., por lo que demoras menores deberían trabajar bien. Con estos tiempos, la escritura de los 32 bits de una línea demora unos 350 microsegundos, tiempo más que aceptable. En el código 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 “escribo” que comentaremos en un momento, con 16 bits en la variable “aux”. Luego se enciende la fila escribiendo un “0” en el pin apropiado, se esperan un par de milisegundos, se apaga escribiendo un “1”, y se pasa a la fila siguiente. La subrutina escribo se encarga de procesar el contenido de la variable “aux”, bit por bit, viendo si son “0”o “1” y escribiendo el dato correspondiente en el registro de desplazamiento. La instrucción “aux = ShiftLeft(aux, 1)” se encarga de rotar los 16 bits de la variable a la izquierda, para tomar el bit siguiente.
Código fuente A continuación, el código fuente de ejemplo, en BASIC del PIC SIMULATOR 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
WaitUs 2 clock = 1 WaitUs 2 Endif aux = ShiftLeft(aux, 1) Next col Return
