藍(lán)牙控制的LED矩陣開源分享

描述

互聯(lián)網(wǎng)上充斥著教授如何使用或構(gòu)建點(diǎn)陣的教程，那么為什么要添加另一個(gè)我聽到你說的呢？僅僅因?yàn)橹谱?LED 顯示屏很有趣，其結(jié)果令人賞心悅目，并且在您能想象到的所有方面都非常有用。而且由于我們處于物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，與它進(jìn)行交互的方式比通過智能手機(jī)更好。我使用我構(gòu)建的 LED 矩陣作為滾動條，只是為了展示這種設(shè)備的多功能性。在下文中，我將闡明這個(gè)項(xiàng)目的基本構(gòu)建塊。

LED面板

在了解如何構(gòu)建整個(gè) LED 面板之前，先快速提醒一下 LED 的工作原理。

為了使 LED 亮起，電流應(yīng)從正極（陽極）流向負(fù)極（陰極）。如果 LED 以相反的方式接線，則電流將不會流動并且 LED 將熄滅。

當(dāng)我們串聯(lián)連接 n 個(gè) LED 的陽極時(shí)，單獨(dú)控制它們所要做的就是切換它們的陰極 ON 和 OFF。下面是一個(gè) n 等于 8 的共陽極 LED 列。這樣，我們不使用 2*n 引腳，而是僅使用 n+1 引腳驅(qū)動它們。

同樣的思路，通過將 n 個(gè) LED 列并排放置，并逐行連接陰極，您可以一次控制一列整個(gè)網(wǎng)格。事實(shí)上，在大多數(shù)（如果不是全部）商用 LED 顯示器中，顯示器的一列（或一排）僅以循環(huán)方式以如此高的頻率打開一小部分時(shí)間，而人眼。我們的印象是所有列都同時(shí)通電，但事實(shí)并非如此。這個(gè)過程稱為時(shí)分復(fù)用，逐列顯示內(nèi)容的過程稱為列掃描（也有行掃描）。最大的優(yōu)勢之一是，我們只需要 n+n 個(gè)引腳即可單獨(dú)控制 n**2 個(gè) LED。例如，以下是“HI”一詞在 8x8 LED 矩陣上的顯示方式：

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LED的選擇

看到點(diǎn)陣是由看起來像通孔 LED 的東西組成的，我一開始天真地認(rèn)為，從點(diǎn)陣到像我做的那樣具有大像素的 LED 顯示器所需要的只是封裝一個(gè)普通的 5mm LED在一個(gè)立方體中（換句話說，不需要 SMD LED 燈條）。然而，當(dāng)我繼續(xù)實(shí)施這個(gè)想法時(shí)，我很清楚它并不是那么簡單。

我嘗試了 3 種類型的通孔 LED：

• 常規(guī)的水透明 LED
• 漫射 LED
• 草帽 LED 燈

3種通孔LED

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我的最終決定是使用草帽 LED，因?yàn)樗鼈兲峁┝藢捯暯牵ù蠹s 140°），這要?dú)w功于 LED 內(nèi)部的鏡子，它可以在水平方向上反射垂直光線。相比之下，普通的 5 毫米 LED 具有狹窄的光束角（最多 60°）。結(jié)果，光線被正面聚焦并在像素表面上形成一個(gè)亮點(diǎn)。在這兩個(gè)之間站著漫射 LED。他們的信封帶有不透明的表面，可以將光線分散到更大的角度，但會以更暗的光強(qiáng)度為代價(jià)。

在下圖中，您可以看到三個(gè)“像素”，每個(gè)像素使用不同的 LED 類型。

50 mm x 50 mm 矩陣“像素”由不同的通孔 LED 類型制成

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LED面板驅(qū)動器

驅(qū)動器是執(zhí)行 LED 面板邏輯的芯片。在其最基本的形式中，它是一個(gè)允許我們以獨(dú)立于微控制器的方式控制 16 個(gè)數(shù)字輸出引腳的組件（當(dāng)然，我們?nèi)匀槐仨毦帉懸蕾囉谖⒖刂破鞯拇a來對其進(jìn)行編程）。以下是一些可能的選擇：

• 移位寄存器：74HC595,...
• GPIO 擴(kuò)展器：MCP23017、MCP23S17、...
• LED 矩陣驅(qū)動器：制造的 LED 顯示器使用專用驅(qū)動器。這些芯片要復(fù)雜得多，因?yàn)樗鼈兛紤]了許多因素：電流值、功耗、亮度控制、顏色混合（用于 RGB 顯示器）、視覺效果的平滑度、鬼影消除......

我用 MCP23017 開車。我希望我能給你一個(gè)選擇這個(gè)選擇的奇特理由，但事實(shí)是，這就是我在制作時(shí)所知道的全部，并且考慮到時(shí)間限制和 LED 矩陣相對較小的尺寸（380mm x 380mm x 47mm），我沒有看到 I2C 總線慢的任何原因，所以我選擇了 MCP23017。話雖如此，我會推薦一個(gè)專用的 LED 矩陣驅(qū)動器，例如 MAX7219。

MCP23017 GPIO 擴(kuò)展器

GPIO 擴(kuò)展器是一種為微控制器提供更多通用輸入/輸出端口的設(shè)備。它通常通過同步串行通信接口與微控制器進(jìn)行通信。

圖片由 www.microchip.com 提供

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MCP23017提供 16個(gè)額外的 GPIO 端口（通過 2 個(gè)寄存器：GPIOA 和 GPIOB）和中斷（INTA 和 INTB）。它使用 I2C 接口進(jìn)行通信，該接口需要一條時(shí)鐘線（SCL 引腳）和一條數(shù)據(jù)線（SDA 引腳），因此通過地址（通過引腳 A0、A1 和 A2）進(jìn)行識別。它通過引腳 VDD（5V 或 3.3V）和引腳 VSS（接地）供電。

數(shù)據(jù)表中的快照

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MCP23017 能夠以 3 種不同的 I2C 總線頻率工作：100kHz、400kHz 和 1.7MHz。在這個(gè)項(xiàng)目中，100kHz 就足夠了。但可以肯定的是，在更長的距離（例如米）上執(zhí)行通信將需要您增加 I2C 總線頻率以獲得良好的響應(yīng)時(shí)間，在這種情況下，我建議您放棄 I2C 并嘗試另一種設(shè)計(jì)速度更快的通信協(xié)議.

在 Arduino 上對 MCP23017 進(jìn)行編程

Adafruit 編寫了一個(gè)開源庫來在 Arduino 上對 MCP23017 進(jìn)行編程。它提供了設(shè)置 GPIOA 和 GPIOB 寄存器的方向、讀取和寫入它們、設(shè)置和處理中斷以及設(shè)置集成上拉電阻值的功能。

一句話，確保在一條指令中一次設(shè)置寄存器 GPIOA 和 GPIOB 的位（庫中有一個(gè)函數(shù)可以做到這一點(diǎn)）。否則，Arduino 和 LED 矩陣之間的通信將會很慢，而且您最終會得到閃爍的像素，而不是平滑的滾動。

藍(lán)牙連接

誰想到 Arduino 上的藍(lán)牙就想到了HC-05 藍(lán)牙模塊。該設(shè)備將帶有串行端口配置文件 (SPP) 的藍(lán)牙添加到 Arduino。藍(lán)牙 SPP 基本上意味著，一旦啟用藍(lán)牙的設(shè)備與 HC-05 模塊配對，兩者將以模擬串行電纜的方式進(jìn)行通信。這是一個(gè)串行通信。

圖片由 http://www.dsdtech-global.com 提供

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HC-05有2種功能模式：AT指令模式進(jìn)行配置，數(shù)據(jù)透傳模式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。我不需要對這個(gè)模塊進(jìn)行任何額外的配置，所以我在數(shù)據(jù)透傳模式下使用它。它附帶一個(gè)數(shù)據(jù)表，該數(shù)據(jù)表在如何配對、如何接線以及如何在 Internet 上查找額外文檔方面非常全面。

在這個(gè)項(xiàng)目中，我僅使用 HC-05 模塊通過藍(lán)牙從智能手機(jī)接收文本字符串。然后在 LED 矩陣上滾動接收到的文本字符串。

對 HC-05 藍(lán)牙模塊進(jìn)行編程

由于該設(shè)備模擬串行接口，因此可以使用SoftwareSerial Arduino 庫對其進(jìn)行編程。數(shù)據(jù)是串行接收的，一次一個(gè)字符，因此需要編寫后處理代碼。

另一個(gè)智慧之言（這將節(jié)省我?guī)滋斓墓ぷ鳎趯⒋a上傳到 Arduino 之前，斷開 HC-05 的發(fā)送和接收引腳與 Arduino 的連接，否則上傳將失敗。

將智能手機(jī)與 HC-05 藍(lán)牙模塊配對

HC-05 與 Android 兼容，但與 iOS 不兼容。您需要做的就是在您的 Android 設(shè)備（手機(jī)、平板電腦等）上安裝藍(lán)牙終端應(yīng)用程序。啟動應(yīng)用程序后，其余部分不言自明。

全部打包

我用普通紙板制作了 LED 矩陣的外殼。我使用白色泡沫板將 LED 分開（我最初使用黑色泡沫板，但后來盡可能多地用白色泡沫代替，因?yàn)榘咨瓷涔飧茫?/font>覆蓋 LED 矩陣正面的塑料片厚度為 0.5 毫米，背面附有一層薄薄的白色尼龍絲，以實(shí)現(xiàn)更好的光擴(kuò)散。

LED矩陣的外盒尺寸為380mm x 380mm x 47mm。每個(gè)像素為 40mm x 40mm x 30mm 大。

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