与Arduino驾驶LED阵列

了解LED阵列的基础知识以及如何使用微控制器为它们供电。

如果你想了解LED显示屏的工作原理以及如何使用微控制器为其供电，那么你来对地方了。在这篇技术文章中，我将教你什么是LED阵列，LED是如何连接的，以及如何使用微控制器有效地驱动它们。我将使用Arduino作为一个例子。

LED阵列

首先，什么是LED阵列?

基本上，通过每个单独的像素显示它们是发光二极管。这些阵列广泛用于广告牌，交通灯，商店标志和总线目的地，因为它们非常可靠，消耗低量的能量，并且易于管理。

更大的显示器通常由多个模块构建，每个模块都有自己的控制器IC。其中一个最常见的LED阵列是应用程序中使用的七段显示，您只需要显示数字，例如时钟。例如，在项目中“用Atmega8的私人焊接站”，我使用了三个七段LED阵列显示并设置烙铁的温度。

里面是最重要的

为了了解LED阵列是如何工作的，以及如何为它们供电，我们首先需要了解内部的LED是如何连接的。

你可能认为每个LED都有一个共同的阳极或阴极，我们从一个微控制器引脚驱动每个LED。这对于一个简单的个位数7段显示器来说是一个合理的假设，但是随着阵列中led的数量的增加，由于单个led的大量连接，这个方案变得有问题。让我们以一个标准的8x8 LED矩阵为例:如果每个LED都有单独的连接，我们将需要64个输出来控制显示。这绝对不现实。

下面是LED阵列实际建造的示意图:

同一行上的LED使阳极连接在一起，同一列上的LED具有共同的阴极。当然，不同的模块可以具有切换阴极和阳极连接。

我们现在只有16个连接：每个行和列一个。当我们想要点亮像素时，我们将电源应用于其特定的行和列。例如，如果我们想打开LED [1,1]，我们为第一列提供了一个接地连接，并将电流驱动到第一行。（在本文中使用的格式是LED [行，列]。）

然而，当我们想要同时点亮更多led时，问题就出现了。

为LED阵列供电

让我们继续使用相同的8x8 LED矩阵。我谈到了我们如何控制每个LED，但是当我们想要点亮多个像素时出现问题，而无需照亮共享相同阳极和阴极连接的其他像素。

在下面的gif动画中，你会明白我的意思。我想打开LED[1,1]和LED[2,2]。不幸的是，LED[1,2]和LED[2,1]也会点亮，形成一个正方形而不是一条线。

我们如何解决这个问题?

简单。我们只是在一个时间里驱动一个像素，我们做得如此之快以至于人眼无法分辨出其中的区别。为了更有效率，我们甚至可以一次驱动一行而没有任何问题。

对于上面的矩阵，例如，我们一次扫描每个行。这意味着我们打开整个第一行，看看需要打开的LED，并将我们想打开像素的列。然后我们去下一个行，然后做同样的事情，直到我们到达最后一行并重新开始。此重复称为“刷新”，并且在秒中发生的次数称为“刷新率”，其在赫兹中测量。

这基本上是大多数显示工作。注意，其中一些更复杂，例如电视和监视器，其中像素保持其照明状态，并且控制器一次驱动多行。

使用Arduino为8x8 LED矩阵供电

我们已经讨论了行扫描，其中一个整行被启用，并且通过接地柱打开LED。您还可以使用列扫描，其中整个列接地，通过向各个行应用电压接地，LED接通。我为本文构建的电路为您提供了一个列扫描的示例。

我们将使用一个8x8 LED矩阵，ATmega328微控制器，一些无源组件，移位寄存器(74HC595D, TPIC6B596)，和Arduino IDE。如果需要，可以使用Arduino Uno板或变体。

BOM：

• ATmega328
• LED 8x8矩阵（我使用过ld - 1088 b但是你需要检查你的特定矩阵的引脚）
• 2x22pf电容器（这是一个暂定值;您需要在水晶的数据表中查看，然后计算这些负载电容器的适当值）
• 16MHz石英晶体
• 10K，8x200OHM（用于矩阵）电阻器
• 74HC595D
• TPIC6B596
• 100nF, 100uF 16V电容器(用于电源滤波)
• TimerOne图书馆

只需遵循下面的示意图，或者将LED矩阵驱动电路（示意图的右半部分）分开地，并通过5根（VCC，地，数据，时钟和锁存器）将其连接到Arduino Uno或Variant。如果驱动电路通过电线连接，则在每个集成电路的电源引脚附近包括100NF滤波电容是一个好主意。

小心注意您的特定LED矩阵的引脚。将100NF和100UF电容器放在VCC和地之间的微控制器附近;检查较大电容器的极性 - 外壳应指示哪个铅是负的，并且该负极引线必须连接到地。电阻器R1至R8是全部200欧姆的，但您需要根据以下公式按照LED阵列的规格调整它们的大小：

\ [r = \ frac {5v-v_ {LED}} {I_ {LED}} \]

在V_引领是典型的正向电压和I_引领是期望的正向电流。

现在让我们分析这个电路如何工作。我们有一个微控制器，两个移位寄存器和LED阵列。两个班次寄存器是菊花链;这意味着它们在另一个之后连接。在74HC595D接收到8位之后，以下推用首先发送到TPIC6B596的比特。

移位寄存器每次从微控制器接收两个字节的串行数据。它们首先表示要打开的列，其次表示要打开的行。串行数据被转换为并行数据，引脚QA到QH，引脚Q0到Q7是连接到LED阵列的输出。

每个数据位表示每个输出引脚的状态：1 = Vcc在TPIC6B596的情况下为74HC595D和1 =接地（这是TPIC6B596的情况，因为每个输出实际上是N沟道的漏极MOSFET和该位命令它的门）。

这里有一个例子。假设我们想要打开LED[2,1]。我们首先发送列字节B00000001，然后发送行字节B00000010，它将第一个字节压入TPIC6B595，使第一列接地，第二字节(B00000010)将VCC应用于第二行，因此LED[2,1]是亮的。(这些二进制数字对应于二进制位在移位寄存器中的结束方式;最低有效位对应74HC595D的QA和TPIC6B596的Q0。)

您可以下载代码。别忘了下载TimerOne图书馆。

PoweringLEDarraysV1.1.zip

TimerOne库用于以特定的间隔调用函数。我们用它来精确地控制刷新率。这里我们可以看到它的实际操作:

void setup（）{... timer1.initialize（2000）;timer1.attachinterrupt（screenupdate）;}

在这部分中，我们初始化Timer1，我们指定了时间段微秒。这个时间段是一个列在扫描下一个列之前保持启用状态的时间。每过一次这个周期，我们就调用“screenUpdate”函数。要计算刷新率，总周期要大8倍(因为我们有8列)。在这里您可以看到我设置了2000µs的周期，这对应于62.5Hz的刷新率。

\ [f = \ frac {1} {t} = \ frac {1} {2 \ cdot 10 ^ {-3} s \ cdot 8} = 62.5hz \]

“screenupdate（）”功能是将数据发送到移位寄存器的函数。它从第一列开始（B00000001），并读取图案的第一个字节。然后它使用“ShiftOut（）”函数，该功能包含在标准的Arduino库中，发送这两个字节。列字节中的“1”移位，然后读取图案的第二个字节等，直到它到达最后一列（B10000000）。在此之后，列字节返回到B00000001，并且该过程重复自身。

要编辑显示模式，只需编辑“Patterns.h”文件，并更改每个模式的时间段，更改“间隔”变量的值。

这是我的快速构建：

结论

我希望这涵盖了LED阵列的基础知识，现在你现在已经了解他们如何工作以及如何使用它们。

说了这么多，你还在等什么?去买一些LED矩阵，或者更好的是，自己构建一个或多个(你有上面的原理图)，并开始使用它们。你可以很容易地制作物联网显示器、LED咖啡桌或Daft Punk头盔。

如果你对你的项目需要任何帮助或建议，请在下面留下评论，我会尽我最大的努力回复你。