蓝牙控制的LED矩阵开源分享

描述

互联网上充斥着教授如何使用或构建点阵的教程，那么为什么要添加另一个我听到你说的呢？仅仅因为制作 LED 显示屏很有趣，其结果令人赏心悦目，并且在您能想象到的所有方面都非常有用。而且由于我们处于物联网时代，与它进行交互的方式比通过智能手机更好。我使用我构建的 LED 矩阵作为滚动条，只是为了展示这种设备的多功能性。在下文中，我将阐明这个项目的基本构建块。

LED面板

在了解如何构建整个 LED 面板之前，先快速提醒一下 LED 的工作原理。

为了使 LED 亮起，电流应从正极（阳极）流向负极（阴极）。如果 LED 以相反的方式接线，则电流将不会流动并且 LED 将熄灭。

当我们串联连接 n 个 LED 的阳极时，单独控制它们所要做的就是切换它们的阴极 ON 和 OFF。下面是一个 n 等于 8 的共阳极 LED 列。这样，我们不使用 2*n 引脚，而是仅使用 n+1 引脚驱动它们。

同样的思路，通过将 n 个 LED 列并排放置，并逐行连接阴极，您可以一次控制一列整个网格。事实上，在大多数（如果不是全部）商用 LED 显示器中，显示器的一列（或一排）仅以循环方式以如此高的频率打开一小部分时间，而人眼。我们的印象是所有列都同时通电，但事实并非如此。这个过程称为时分复用，逐列显示内容的过程称为列扫描（也有行扫描）。最大的优势之一是，我们只需要 n+n 个引脚即可单独控制 n**2 个 LED。例如，以下是“HI”一词在 8x8 LED 矩阵上的显示方式：

LED的选择

看到点阵是由看起来像通孔 LED 的东西组成的，我一开始天真地认为，从点阵到像我做的那样具有大像素的 LED 显示器所需要的只是封装一个普通的 5mm LED在一个立方体中（换句话说，不需要 SMD LED 灯条）。然而，当我继续实施这个想法时，我很清楚它并不是那么简单。

我尝试了 3 种类型的通孔 LED：

• 常规的水透明 LED
• 漫射 LED
• 草帽 LED 灯

3种通孔LED

 

我的最终决定是使用草帽 LED，因为它们提供了宽视角（大约 140°），这要归功于 LED 内部的镜子，它可以在水平方向上反射垂直光线。相比之下，普通的 5 毫米 LED 具有狭窄的光束角（最多 60°）。结果，光线被正面聚焦并在像素表面上形成一个亮点。在这两个之间站着漫射 LED。他们的信封带有不透明的表面，可以将光线分散到更大的角度，但会以更暗的光强度为代价。

在下图中，您可以看到三个“像素”，每个像素使用不同的 LED 类型。

50 mm x 50 mm 矩阵“像素”由不同的通孔 LED 类型制成

 

LED面板驱动器

驱动器是执行 LED 面板逻辑的芯片。在其最基本的形式中，它是一个允许我们以独立于微控制器的方式控制 16 个数字输出引脚的组件（当然，我们仍然必须编写依赖于微控制器的代码来对其进行编程）。以下是一些可能的选择：

• 移位寄存器：74HC595,...
• GPIO 扩展器：MCP23017、MCP23S17、...
• LED 矩阵驱动器：制造的 LED 显示器使用专用驱动器。这些芯片要复杂得多，因为它们考虑了许多因素：电流值、功耗、亮度控制、颜色混合（用于 RGB 显示器）、视觉效果的平滑度、鬼影消除......

我用 MCP23017 开车。我希望我能给你一个选择这个选择的奇特理由，但事实是，这就是我在制作时所知道的全部，并且考虑到时间限制和 LED 矩阵相对较小的尺寸（380mm x 380mm x 47mm），我没有看到 I²C 总线慢的任何原因，所以我选择了 MCP23017。话虽如此，我会推荐一个专用的 LED 矩阵驱动器，例如 MAX7219。

MCP23017 GPIO 扩展器

GPIO 扩展器是一种为微控制器提供更多通用输入/输出端口的设备。它通常通过同步串行通信接口与微控制器进行通信。

图片由 www.microchip.com 提供

 

MCP23017提供 16个额外的 GPIO 端口（通过 2 个寄存器：GPIOA 和 GPIOB）和中断（INTA 和 INTB）。它使用 I²C 接口进行通信，该接口需要一条时钟线（SCL 引脚）和一条数据线（SDA 引脚），因此通过地址（通过引脚 A0、A1 和 A2）进行识别。它通过引脚 VDD（5V 或 3.3V）和引脚 VSS（接地）供电。

数据表中的快照

 

MCP23017 能够以 3 种不同的 I²C 总线频率工作：100kHz、400kHz 和 1.7MHz。在这个项目中，100kHz 就足够了。但可以肯定的是，在更长的距离（例如米）上执行通信将需要您增加 I²C 总线频率以获得良好的响应时间，在这种情况下，我建议您放弃 I²C 并尝试另一种设计速度更快的通信协议.

在 Arduino 上对 MCP23017 进行编程

Adafruit 编写了一个开源库来在 Arduino 上对 MCP23017 进行编程。它提供了设置 GPIOA 和 GPIOB 寄存器的方向、读取和写入它们、设置和处理中断以及设置集成上拉电阻值的功能。

一句话，确保在一条指令中一次设置寄存器 GPIOA 和 GPIOB 的位（库中有一个函数可以做到这一点）。否则，Arduino 和 LED 矩阵之间的通信将会很慢，而且您最终会得到闪烁的像素，而不是平滑的滚动。

蓝牙连接

谁想到 Arduino 上的蓝牙就想到了HC-05 蓝牙模块。该设备将带有串行端口配置文件 (SPP) 的蓝牙添加到 Arduino。蓝牙 SPP 基本上意味着，一旦启用蓝牙的设备与 HC-05 模块配对，两者将以模拟串行电缆的方式进行通信。这是一个串行通信。

图片由 http://www.dsdtech-global.com 提供

 

HC-05有2种功能模式：AT指令模式进行配置，数据透传模式进行数据传输。我不需要对这个模块进行任何额外的配置，所以我在数据透传模式下使用它。它附带一个数据表，该数据表在如何配对、如何接线以及如何在 Internet 上查找额外文档方面非常全面。

在这个项目中，我仅使用 HC-05 模块通过蓝牙从智能手机接收文本字符串。然后在 LED 矩阵上滚动接收到的文本字符串。

对 HC-05 蓝牙模块进行编程

由于该设备模拟串行接口，因此可以使用SoftwareSerial Arduino 库对其进行编程。数据是串行接收的，一次一个字符，因此需要编写后处理代码。

另一个智慧之言（这将节省我几天的工作），在将代码上传到 Arduino 之前，断开 HC-05 的发送和接收引脚与 Arduino 的连接，否则上传将失败。

将智能手机与 HC-05 蓝牙模块配对

HC-05 与 Android 兼容，但与 iOS 不兼容。您需要做的就是在您的 Android 设备（手机、平板电脑等）上安装蓝牙终端应用程序。启动应用程序后，其余部分不言自明。

全部打包

我用普通纸板制作了 LED 矩阵的外壳。我使用白色泡沫板将 LED 分开（我最初使用黑色泡沫板，但后来尽可能多地用白色泡沫代替，因为白色反射光更好）。覆盖 LED 矩阵正面的塑料片厚度为 0.5 毫米，背面附有一层薄薄的白色尼龙丝，以实现更好的光扩散。

LED矩阵的外盒尺寸为380mm x 380mm x 47mm。每个像素为 40mm x 40mm x 30mm 大。

 

 

 

 

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