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| Funcionamiento de una matriz de LEDs |
La gran mayoría de los aficionados a la electrónica, tarde o temprano, se propone la construcción de un cartel basado en una matriz de diodos LEDs. El propósito de este artículo es explicar, de forma clara y sencilla, la forma de hacerlo.
A lo largo de estos parrafos veremos la forma de abordar el problema, y el principio 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 de un cartel de LEDs
Un 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 informativos.
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 con el descenso de los precios 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.
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| Matriz de LEDs RGB de 8x8 puntos. |
Para mantener el nivel de la explicación dentro de lo razonable, y para no gastar 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 ánodo 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 latches podríamos encender los LEDs por turnos, rápidamente para que no se note el parpadeo, y de esa manera 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 esta forma cómo vamos a diseñar nuestro cartel. Como vimos en esa 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 (“0”s y “1”s) 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 avisar al registro que el dato ya está listo para ser ingresado, y lo llamaremos “CLOCK”. Y el ultimo, que no es indispensable, es el “RESET”, que se encarga de “vaciar” la fila escribiendo “0”s 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 cualquier longitud.
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| Figura 1 |
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| 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 “11111…111”, los 80 LEDs estarán encendidos. Si queremos encender uno por medio, escribiremos “10101…01”. 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 analizar 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 las 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 vista 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 similar al empleado en el cine o en la televisión.
Si seguimos pensando en un cartel de 7 filas y 80 columnas, sin utilizar registros de desplazamiento necesitaríamos 560 pines de entrada/salida. Con el esquema propuesto solo necesitamos 7 de ellos para seleccionar la fila a escribir, y tres para 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 primer columna.
3) Encenderla primer fila, esperar un tiempo, y volver a apagarla.
4) Repetir los pasos 2 y 3 para las filas restantes.
El tiempo de la demora debe ser tal que permita 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, animaciones, 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 encendido 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 sea esta la mejor alternativa.
El circuito de ejemplo
Dado que nuestro hipotético cartel tiene fines meramente 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 tamaño bastante grande, como la 24C256, nos brinda la posibilidad de almacenar mucho texto en ella. Por supuesto, esto también puede ser ampliado con mucha facilidad.
Dividiremos el esquema electrónico del cartel en dos partes: en primer lugar veremos toda la lógica de control, y en segundo, la “pantalla” con el registro de desplazamiento. A la hora de llevarlo a la práctica 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 cartel. 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 haría que el puerto del microcontrolador pase a mejor vida. Para evitar esto, utilizaremos en medio un transistor capaz de manejar la corriente requerida.
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| Controlador del cartel |
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 memoria es de acceso serial (por eso necesitamos solo dos pines del PIC para usarla) mediante el protocolo I2C, y tiene capacidad para almacenar 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 cartel. Como ya habrán notado, tenemos 8 salidas para filas, y nuestro cartel tiene solo 7 filas. Efectivamente, la fila 8 no se utilizará si nuestra “pantalla” 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 cartel 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 A0 y A1 del microcontrolador se encargan de la 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 estar escrito correctamente, es decir, no encender varias 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 adecuadas.
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 eléctrico 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.
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| De esta forma se conectan los LEDs en filas y columnas. |
Cada display también difiere en la función de cada terminal, 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 se conectan las filas y columnas de los demás displays a cada 74HC164N.
No utilizaremos el pin de RESET de los 74HC164N. 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 “0”s al registro de desplazamiento 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 permitirá 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 220 o 100 ohms. Con eso debería ser suficiente
El software
Ahora nos toca abordar la programación del hardware propuesto. El cartel del LEDs que estamos construyendo puede adoptar diferentes tamaños de acuerdo a las necesidades o componentes que cada uno consiga. Esto hace que sea imposible proporcionar un programa específico que funcione en cualquier versión de cartel que se haya construido, pero sin embargo podemos 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, recordando 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 hacerse 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 barrido es que como son más numerosas, el tiempo total que se necesita para “escribir” por filas es mucho menor que el necesario para escribir por columnas, y en la práctica eso significa que el brillo de nuestro cartel será mucho mayor si lo hacemos 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” necesarios 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 los 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 se 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 milisegundos, 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 desplazamiento. 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 tiempo despreciable frente a las 70 milésimas que nos tomamos para mostrar la imagen 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 bytes 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 70 bytes (10 bytes por fila, 7 filas) para almacenar 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 debe 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 grabar 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.
Textos animados
Para animar el texto mostrado en el display hay dos opciones. La primera de ella es que, una vez que el bitmap de la EEPROM ha sido mostrado en la pantalla, comencemos a redibujarlo continuamente (si no lo hacemos, el texto desaparecerá de la pantalla) pero cada un tiempo determinado (1 segundo por ejemplo) escribimos un bit “0” más en cada fila. Es decir, escribimos 81 bits en el primer segundo, 82 en el segundo, etc. Esto hará que el texto se desplace de izquierda a derecha, y es la animación más fácil de implementar. Sin embargo, lo normal es que los textos de desplacen en sentido contrario, por lo que nuestro programa debería hacer lo siguiente: comenzar escribiendo 80 “0”s en el registro antes de enviar la información de la fila, luego escribir 79 “0”s, y así sucesivamente. De esa manera, el texto al principio no será visible (estará “dibujado” a la derecha, fuera del registro de desplazamiento), y luego a medida que el numero de “0”s escritos va disminuyendo, comenzara a ser visible, entrando desde la derecha.
La segunda manera es que el software que escribe los datos en la EEPROM guarde cada “cuadro” de la animación, uno a continuación del otro, y que el PIC se limite a escribir cada cuadro leído durante (por ejemplo) un segundo. Esto vuelve a facilitar mucho la programación del PIC, a la vez que permite animaciones mucho más complicadas. Por supuesto, el precio a pagar es el espacio de memoria EEPROM requerido para implementar esta técnica.
Conclusión
Si bien no se trata de un proyecto completo y concreto, es muy posible que este artículo haya servido para que te animes a encarar el diseño y construcción de tu propio cartel de LEDs. Solo hemos intentado exponer la forma (o al menos una de ellas) en que se puede atacar este problema, de modo que cualquier hobbysta o estudiante se anime y pueda hacer realidad su propio cartel animado. No se trata de un proyecto sencillo, pero una vez terminado seguramente los llenara de orgullo. Desde aquí los animamos a que encaren este proyecto, y que por supuesto, nos comenten los resultados obtenidos.