Улучшаем матрицу 8x8 для Arduino при помощи сдвиговых регистров⁠⁠

Вступление

Недавно увидел пост "Умная подсветка рабочей зоны на кухне и борьба с ложными срабатываниями" . И в комментариях я отметил, что автор вполне понятно описал все этапы разработки и его пост вдохновляет на публикацию своих работ.

Хорошо описано. Что-то даже захотелось свои поделки на ардуйне выкладывать.

В тот же день, на мой комментарий отозвались еще несколько человек и подбили меня на публикацию своей работы. Что ж, этот пост специально для @technoid91,  @slavikf,  @PomidorniyBochok,  ну и конечно для всех остальных, кому интересна тема электроники и программирования под Arduino.

Первый пост будет не о таком полезном как умная подсветка, но тем не менее интересном (по крайней мере, мне так кажется).

Обозначу сразу следующие пункты:

Я не электронщик и не претендую на это звание.

Спаяно не красиво, припой не убран, ножки у резисторов до конца не срезаны. Это потому, что схема не будет оставаться в таком виде и при наличии материалов и времени будет переделана, поэтому то, что сделано сейчас – временно.

Языками C и C++, а значит, что и языком Arduino, я не владею в полной мере и не являюсь асом. Уверен, что профессионал выполнил бы скетч гораздо экономнее по памяти и грамотнее. Но мне как-то все равно, потому что контроллер поставляемый в Arduino UNO и Nano спокойно справился со скетчем, а для меня, в рамках хобби, этого достаточно.

Я в курсе о существовании схем MAX7219, MAX6960 и аналогичных им, а также готовых модулей матриц, но есть парочка «но»:

1) Из-за торговых проблем с Китаем, временно таких схем нет в наличии в моем городе и подозреваю что в стране в целом.

2) Базовый набор, который я покупал в местном магазинчике, содержал голую матрицу, без доп. модулей, а также два голых модуля семисегментников на 1 и 4 цифры. Поэтому покупать еще одну матрицу только потому что ею будет удобнее управлять – расточительство для моего кармана.

3) Всегда полезно изучить что-то в ходе создания/повторения проекта, поэтому это отличное подспорье, чтобы научиться чему-то новому.

Разделю пост на два основных раздела Hardware и Software.

Железки (Hardware)

И так, для выполнения этой задачи мне понадобились следующие вещи:

1) Сама матрица. Моя была с маркировкой 1088BS.

2) Два сдвиговых регистра 74HC595N. Для управления по двум осям X и Y.

3) 8 резисторов на 220 Ом, т.к. мы имеем дело со светодиодами, а подключать светодиоды в цепь без резисторов – это слишком даже для такого дилетанта как я.

4) 7 пинов для удобного подключения в виде модуля. Они пылились без дела в моем стартовом наборе и прям напрашивались на использование.

5) Перфорированная плата для единичных вариантов самоделок.

6) Моток проводов, чтобы реализовать соединения между элементами.

Идея не моя, ее я позаимствовал отсюда: https://cxem.net/arduino/arduino225.php, но собрал сам и модифицировал, поэтому считаю, что "мое" уместно.

Прежде чем ляпать что-то на плате, я воссоздал схему при помощи сервиса easyeda.com, при помощи которого многие домашние самоделкины и ютуберы создают свои схемы и платы. Проект находится в открытом доступе по ссылке - https://oshwlab.com/donkovs/matrixboard#P1

Далее собрал ее на макетном брэдборде. Фото нет только потому, что не думал, что буду делать пост об этом. Ее вид не сильно отличался от того, что сделал автор схемы.

Проверив на работоспособность, решил, что стоит сделать модель печатной платы, чтобы уже на ее основе лепить элементы на перфорированном чуде.

Красные дорожки – те, что должны быть на фронтальной части, а синие – на задней, на схеме есть всего один переход с фронтальной на заднюю, возможно можно было его избежать, но это мой первый опыт.

Вообще планировал сделать все также красиво в виде дорожек, как на схеме. Выбрал тугую лакированную медную проволоку, сформировал из нее все фронтальные дорожки (даже решил, что это стоит сфотографировать, поэтому фотка ниже прилагается), закрепил всего четыре и на это все у меня ушло порядка двух или трех часов.

Лакированная проволока зачищалась не очень быстро, особенно на маленьких дорожках. К этому времени отец принес моток одножильных медных проводов в изоляции и далее я уже использовал их.

Поняв, что большинство фронтальных дорожек будет не удобно крепить к элементом, я принял решение оставить только те, которые можно было провести между элементами, а все остальные крепить на тыльной стороне вместе с другими. Поэтому в конечном результате на фронтальной части было всего 6 соединительных проводов.

Для удобства, я разделил соединения по цветам. Белые (не считая четырех лакированных на фронтальной части) соответствуют фронтальной стороне на схеме, а коричневые – тыльной стороне.

Знаю, выглядит не очень красиво, можно было бы разместить провода по ровнее, а припой смыть, но как я уже говорил, выполнено временно, потому что в будущем хочу добавить еще одну матрицу из другого набора и использовать уже профильную схему на подобии МАКСимки или чего-нибудь аналогичного.

Схема готова и ее работа очень проста. Нога, отвечающая за защелкивание общая у обоих регистров, потому как пишем мы в них одновременно, эта идея мне понравилась, т.к. экономит 1 пин. С остальными все просто. Задаем сдвиговым регистрам необходимый набор данных, и они подают нужные сигналы на свои ноги. Напомню, что у конкретной модели регистров 8 выходных ног, что очень хорошо гармонирует с нашей матрицей размером 8 на 8, также имеются ноги для записи данных и самого сдвига, они и вынесены на площадку из 5-ти контактов. Вторая площадка из двух контактов – питание. Схема питается от 5-ти вольт, которые может выдавать сама Ардуинка и конечно же общий пин земли. К этим контактам подключаются сдвиговые регистры согласно схеме.

Для того, чтобы не запутаться, я вывел отдельно рендер PCB схемы с указанными контактами самой платы Arduino. Поэтому на фото ниже нумерация управляющих пинов сделана не пьяным художником в хаотичном порядке, а мною для моего же удобства при подключении.

Программа (Software)

Как я говорил выше, затеивалось это, чтобы модуль можно было подключать к Arduino как отдельный модуль и  с меньшим количеством пинов, поэтому мозгом всей этой схемы является Arduino UNO, которая лежала в стартовом наборе. Использовал я редактор Visual Studio Code, поэтому в git репозитории лежит директория «.vscode» с моими настройками на разработку. Также, я решил, что будет безответственно не положить в репозиторий файлы скетча и схемы первоисточника, потому как автор не создавал репозиторий, и кто знает, как долго продержится первая статья на просторах Интернета. Отдельно отмечу, что я являюсь подписчиком AlexGyver, поэтому в его видео еще давно приметил удобную софтину для рисования битмапов. Ссылка на нее есть в readme md репозитория.

Первая версия моего скетча была написана на скоряк и имела только одну функцию – показывать битмапы в массиве по очереди. Это давало неплохую возможность для покадровых анимаций, чем я и занимался в первое время.

Когда увидел просьбу о публикации своей работы, решил, что имеющийся набор функций очень скуден, поэтому необходимо добавить еще что-нибудь. Поэтому практически все свободное время сегодняшнего дня я потратил на добавление функции бегущей строки. Заняло это у меня несколько часов, потому как мои знания в плюсах далеко не идеальны. Я столкнулся с тем, что еще в начальные студенческие годы побудило меня на изучение Java – указатели в C++. Пришлось освежать в памяти работу с ними, именно из-за них я перешел на Java еще на втором курсе, собственно, после этого я и перестал изучать плюсы.

Есть несколько нюансов. Чтобы не портить сами битмапы, я сделал их static, а для их отображения копировал их в рабочий фрейм функций, которые выполняют анимации.

Пояснения всего кода есть в комментариях, думаю, они достаточно подробные для рядового программиста. Бегло пройдусь по основным функциям.

Функция clr(). Очевидно, что она выполняет очистку всей матрицы, т.е. гасит все светодиоды. Написана она еще автором оригинала, на сколько я помню, я ее не исправлял.

Функция printBitmap(). Копия функции output() оригинального скетча, но с небольшими доработками. Я немного поменял вывод и добавил настройку задержки вывода, чтобы можно было регулировать ее в зависимости от нужд.

Функция printAnimation(). Принимает массив битмапов (Например покадрово нарисованную анимацию) и по очереди показывает битмапы.

Функция creeping_line(). Тоже принимает массив битмапов и показывает их с анимацией бегущей строки. Сама анимация основана на поочередном сдвиге столбцов битмапов из массива, поэтому для ее работы была написана следующая функция.

Функция bitmap_shift(). Реализует сдвиг в принятом битмапе на один столбец влево, заполняя при этом последний столбец либо пустой строкой, либо заданными данными.

Как вы могли заметить, стиль написания имени последних функций различается от других. Это произошло потому что основные функции скетча я писал/редактировал еще в первой половине января, после этого занимался рабочими проектами в которых преимущественно использовался стиль snake_case, поэтому эти функции на автомате написал в этом стиле. Заметил только на момент написания поста, бещаю исправить в ближайшее время, на работоспособность это никак не повлияет.

Ссылка на репозиторий - https://github.com/donexdoc/Matrix2Shift со всеми исходниками и пояснениями.

Ну и демонстрация работы.

Либо в GIF, кому удобнее.

Что можно улучшить.

Да на самом деле тут поле не паханое:

1) Оптимизировать использование интовых переменных там, где не требуется больших значений.

2) Адаптировать функции для более гибкой настройки разрядности матрицы (сейчас все зашито под 8 на 8).

3) Возможно можно реализовать сдвиг более элегантным способом и добавить возможность сдвига более чем на 1 столбец.

4) Избавиться от бичевского delay() – как минимум, и использовать millis() для регулировки задержки.

И это только то, что приходит первое на ум, после замыленного взгляда.

Что по памяти?

Думаю, любого программиста на Arduino будет интересовать сколько скетч кушает памяти. Вот ответ от самой среды:

Скетч использует 1454 байт (4%) памяти устройства. Всего доступно 32256 байт.

Глобальные переменные используют 77 байт (3%) динамической памяти, оставляя 1971 байт для локальных переменных. Максимум: 2048 байт.

Много или нормально – решать продвинутым ардуинщикам, а для меня это в самый раз.

Если тем людям, которые просили о посте, было интересно (дайте знать в комментариях), то обещаю позже выложить еще один пост. Про интересный проект, который чуть более полезен, чем мигающие светодиоды. Там не будет пайки, но должно быть тоже интересно.

Спасибо за внимание, не судите строго, я не волшебник, а только учусь =).