[F.Abdelaziz]

الليد ماتريكس LED MATRIX  علميا وعمليا والبرمجة بلغة السى والمترجم MIKROC والمترجم CCS C :


الجزء الأول :
فى هذا الجزء سوف نحتاج إلى :
1- برمجيات المترجم ميكروسى برو ، و/ أو المترجم CCS C .
2- برمجيات بروتيس Proteus لمحاكاة النتائج .  

أولا : مقدمة
ما هو الليد ؟  What is an LED ? :



دعونا نبدأ من الأساسيات ، فنحن سوف نعمل مع الليدات LEDs  ، لذلك من الأفضل أن يكون لدينا معرفة حول هذه الأجهزة (المكونات) الصغيرة . هذه المعرفة ضرورية ، بمعنى أنك قد تحتاج إليها وخاصة إذا كانت الليدات الخاصة بك ذات خواص مختلفة .
الشىء الأول ، أن الليد LED ، فى الأساس ، هو دايود ، كما نعلم جميعا ، يكون له وصلة PN مثل أى وصلة PN ، هذه الوصلة تقوم بالتوصيل conduct فى اتجاه واحد فقط  ( خواصه أقرب إلى دايود الزينر) .
الشىء الثانى ، هو أن هناك مستوى معين من الجهد ( عتبة الجهد) ، والذى يلزم تطبيقه على طرفى الليد لجعله يوصل . قبل هذا الجهد يكون لليد مقاومة مرتفعة جدا ، لذلك لا يمكنك تقييم (تقدير) مقاومته عندما يكون موصلا وبالتالى التيار المسحوب .      
الأهم من ذلك ، هو حقيقة أن التيار الزائد over-current سوف يؤدى إلى تلف الوصلة PN ، خاصة إذا كان المصدر الخاص بك قادرا على توفير تيار أعلى من 100mA ، فعندما يتم تطبيق جهد الانهيار بين طرفى الليد فإن مقاومتة سوف تهبط لقيمة صغيرة جدا تكاد لا تذكر ، ويقوم بتوصيل كل التيار الذى يمكن أن يوفره المصدر ، هذا التيار المرتفع بالتأكيد سوف يؤدى إلى تلف الليد . لذلك فمن المهم أن نعرف (نحدد) التيار المطلوب لليد ، وتبعا لمصدر الجهد الخاص بك يتم حساب قيمة مقاومة يتم توصيلها على التوالى معه للحد من التيار .
معظم الليدات الشائعة الاستخدام تستهلك تيار 25mA ، لكن الليدات الأكبر والأكثر سطوعا قد تستهلك تيار أكثر . لذلك عليك التحقق أما من الشركة المصنعة أو باستخدام القياسات .
ضع فى اعتبارك أن الليدات هى أجهزة يتم تشغيلها بالتيار ، ولا يتم تشغيلها بالجهد . للحفاظ على إضاءة ثابتة تحتاج الليدات لمصدر تيار ثابت ، وهو خارج عن هذا الموضوع .
فى معظم المشاريع نستخدم الميكروكونترولر ، وبالتالى فإن جهد المصدر المتاح هو 5V DC . باستخدام قانون أوم
I = V/R   نحسب قيمة المقاومة R من أجل تيار قيمته  25mA .



ما هى الليد ماتريكس (مصفوفة الليدات) LED Matrix  ؟

[F.Abdelaziz]

ما هى الليد ماتريكس (مصفوفة الليدات) LED Matrix ؟
تشغيل الليدات بشكل منفرد يحتاج خط تحكم لكل ليد ، وهذا يعنى استخدام الكثير من الأسلاك وبالتالى يكون الهاردوير ضخم . الليد ماتريكس هى ترتيب خاص لليدات فى شكل مصفوفة ، حيث يكون لكل ليد صف row وعامود column ، لذلك إذا كان لدينا 8 صفوف و 8 أعمدة ، أى مصفوفة “8x8” ، فإنه يكون لدينا 64 ليد ، و128 طرف تحكم . يمكننا توصيل جميع الكاثودات معا ، لكن لايزال لدينا 64 أنود يحتاج معالجة .

فى الليد ماتريكس ، نطبق حيلة ذكية أخرى عند توصيلها ، حيث يتم توصيل جميع أنودات الليدات الموجودة فى الصف الواحد مع بعضها لتشكيل طرف أنود مشترك واحد ، وتوصيل جميع كاثودات الليدات الموجودة فى العامود الواحد مع بعضها لتشكيل طرف كاثود مشترك واحد . الآن ، إذا كان لدينا ليد ماتريكس “8x8” فسوف يكون لدينا ثمانية أسلاك من أجل الثمانى صفوف و ثمانية أسلاك من أجل الثمانية أعمدة .
يمكنك اختبار التوصيل الداخلى لليد ماتريكس ، الموجودة ضمن برنامج بروتيس ، عن طريق توصيل الجهد السالب إلى الصف الأول ، على سبيل المثال ، وتوصيل الجهد الموجب إلى العامود الأول ، فيضىء الليد الموجود عند الركن الأيسر العلوى ، كما هو موضح بالشكل التالى أدناه :



بهذه الطريقة يمكننا التحكم فى أى ليد بشكل منفرد ، ولكن هناك بعض القيود ، التى يمكنك إدراكها بسرعة ، وهى أن بعض مجموعات الليدات لا يمكن تشغيلها فى نفس الوقت دون التأثير على الليدات الأخرى . لحسن الحظ يوجد حل لهذه المشكلة ، حيث تأتى الطبيعة لمساعدتنا ، فسوف نقوم بإضاءة صف (أو عامود) واحد فى كل مرة ، صف تلو الصف ، ونفعل ذلك بسرعة بحيث أن أعيننا لا يمكنها تتبع التغيير ، ونرى المصفوفة بكاملها متوهجة . هذه الظاهرة تسمى "استمرارية أو تواصل الرؤية" “persistence of vision” أو اختصارا POV .

بناء ليد ماتريكس :

[F.Abdelaziz]

بناء ليد ماتريكس :
أول شىء ، هو توصيل الليدات . يجب أن نقرر استخدام أحد طريقتين ، إما أننا نريد أن يكون لدينا الصفوف متصلة بأنودات الليدات ، أو بالكاثودات . هذا لا يهم كثيرا حيث يمكننا تعويض ذلك فى البرنامج . لكن تصميمات الهاردوير والدوائر المتكاملة الخاصة بالتشغيل قد تتطلب مطلب معين أو آخر .
الشىء الثانى ، هل تريد بناء ليد ماتريكس بنفسك أو ترغب فى شراء وحدات جاهزة ، الخيار لك .

وحدات (موديولات) الليد ماتريكس الجاهزة :
فى الوقت الراهن يتوفر تجاريا العديد من وحدات الليد ماتريكس بلون واحد أو بلونين أو حتى بثلاثة . هذه الوحدات بها جميع التوصيلات اللازمة داخليا ، فقط يظهر خارجها أطراف الصفوف والأعمدة للربط مع باقى الهاردوير . كما تتوفر هذه الوحدات بأحجام وتكوينات مختلفة مثل 5x7, 8x8, 16x16 وغيرها . بمجرد فهم تقنية الربط الأساسى يمكنك إنشاء شاشات عرض أكبر من خلال تجميع وحدات متعددة جنبا إلى جنب وتوصيلها معا لتشكيل ليد ماريكس واحدة .



تدريب عملى : التعرف على أطراف موديول ليد ماتريكس 8X8 طراز HS-2088BS :

[F.Abdelaziz]

تدريب عملى : التعرف على أطراف موديول ليد ماتريكس 8X8 طراز HS-2088BS :





http://fathallaabdelaziz.forumarabia.com/


ثانيا : مسح الشاشة Scanning The Display :

[F.Abdelaziz]

ثانيا : مسح الشاشة Scanning The Display :
كما ذكر سابقا ، تقنية هذا النوع من الشاشات (وحتى التلفزيون) تستخدم ظاهرة دوام الرؤية POV كأداة لإعطاء عرض لصورة وهمية (خداع بصرى) .
الآن ، عندما يكون لدينا ليد ماتريكس يكون لدينا خياران :
• الخيار الأول : تقنية مسح الصفوف ، بمعنى تشغيل صف row واحد فى كل مرة ، مع عرض (تواجد) نموذج الليدات الموصلة on وغير الموصلة off على الأعمدة ، وإعطائها بعض الوقت لترك أثر للصورة على أعيننا ، ثم بعد ذلك يتم إيقاف تشغيل الصف الأول والانتقال إلى تشغيل الصف الثانى ، ويتم تكرار نفس العملية مرة أخرى ومرة أخرى .
• الخيار الثانى : تقنية مسح الأعمدة ، يمكننا استخدام مسح الأعمدة ، بنفس الكيفية ، بدلا من مسح الصفوف .
كلا التقنيتين جيد على حد سواء .
بالنسبة لوحدات العرض الصغيرة ، يكون مسح الأعمدة سهل ، لأنك لن تكون مجبرا على معالجة بتات بيانات كثيرة ، ولكن كلما زاد طول الليد ماتريكس ، كان لزاما عليك مسح المزيد والمزيد من الأعمدة ويصبح العرض مرتعش . لذلك سوف نختار طريقة مسح الصفوف ، بحيث أن المفاهيم المكتسبة بالتطبيق على الشاشات ذات الحجم الصغير يمكن بسهولة تطبيقها على الشاشات ات الحجم الكبير .
كما ترى ، عند عرض صف واحد ، وبفرض أن جميع الليدات الموجودة بهذا الصف تكون فى حالة تشغيل on ، فإنه يمكن أن يكون هناك سحب كبير للتيار . على سبيل المثال ، إذا كان لدينا 16 ليد فى الصف الواحد وكل ليد يحتاج إلى حوالى 25 ملى أمبير للسطوع الكامل ، عندئذ نحن بحاجة إلى ما لا يقل عن “16X25=400mA" من التيار . لذلك يجب أن تكون دائرة مصدر التيار قادرة على توفير هذا التيار ، التقصير فى ذلك يتسبب فى إعتام إضاءة الليدات .
عادة تستخدم ترانزستورات لتوفير التيار اللازم لتشغيل الشاشة ، لأن تشغيلها من خلال أطراف الميكروكونترولر مباشرة يمكن أن يؤدى إلى تلف الميكروكونترولر .

خيارات تصميم الهاردوير :
الآن وبعد أن قررنا أننا سوف نقوم بمسح الصفوف ، فإننا نحتاج لمعرفة أفضل حل من أجل اختيار الصفوف وتمرير البيانات إلى الأعمدة . تذكر أنه ، على سبيل المثال ، فى شاشة 16x8 ، يكون لدينا 8 صفوف و16 عامود ( ممكن أن يكون 8 أعمدة ليدات حمراء و 8 أعمدة ليدات خضراء فى مصفوفة ليدات ذات لونين) . إذا استخدمنا ميكروكونترولر به عدد كبير نسبيا من خطوط الدخل/الخرج (مثل PIC16F877A) يمكننا استخدام منفذين من أجل الأعمدة بكل منفذ 8 بت ، ومنفذ 8 بت لمعالجة مسح الصفوف ، وهذا سوف يحتاج ما مجموعة 24 خط دخل/خرج . البرمجة سوف تكون بسيطة ، لأن تحديد بيانات الأعمدة سوف تأخذ 2 بايت لتمريرها على المنفذين ، ويمكن اختيار الصف بواسطة تحديد البت المناسب من المنفذ بواحد “1” فى حالة الأنود المشترك ، أو بصفر فى حالة الكاثود المشترك ، وبعد ذلك يتم زحزحة بيانات الأعمدة لموقع واحد عند كل تغيير للبيانات . هذا التصميم يتطلب ميكروكونترولر بعدد كبير من خطوط الدخل/الخرج ولا يمكن استخدام الشاشة مع ميكروكونترولر به عدد قليل من خطوط الدخل/الخرج . علاوة على ذلك ، إذا كنا بحاجة إلى توسيع الشاشة ، مثل وجود 4 أو 5 وحدات معا فى صف واحد طويل ، فمن الصعب توفر ميكروكونترولر به مثل هذا العدد الكبير من خطوط الدخل/الخرج . وبالتالى فإن هذه الطريقة خارج نطاق موضوعنا ، ولابد من حل هذه المشكلة ، وكان الحل فى استخدام مسجلات الأزاحة .

ثالثا :مسجلات الإزاحة والليد ماتريكس Shift Registers and LED Matrix (معالجة البيانات)

[F.Abdelaziz]

تدريب رقم 1 : توضيح فكرة المسح ، بعرض حرف ثابت على ليد ماتريكس 8X8 بتوصيل الصفوف والأعمدة مباشرة إلى أطراف منافذ الميكروكونترولر (16 طرف) أى بدون استخدام دوائر متكاملة مساعدة :
البرنامج مع المترجم ميكروسى :

/******************************************************
LED Matrix Display  , MIKROC , Basic Program 
Display one fixed character : A
Rows scanning = PORTB connected to anodes ,
Data connected to PORTC , cathodes
*******************************************************/

//Character Bits Information as 8 byte array
//{0x3E,0x7E,0xC8,0xC8,0x7E,0x3E,0x00,0x00}, // A
 void main ()
{
TRISB=0;
TRISC=0;
PORTB=0;
PORTC=0;

   while(1)
   {
   PORTB=1; 			//select row 1 , 0b00000001
   PORTC=~0x3E;     	//Send inverse character data byte
   delay_ms(5);
   //============
   PORTB=2; 			//select row 2 , 0b00000010
   PORTC=~0x7E;     	//Send inverse character data byte
   delay_ms(5);
   //==================
   PORTB=4; 			//select row 3 , 0b00000100
   PORTC=~0xC8;     	//Send inverse character data byte
   delay_ms(5);
   //=====================
   PORTB=8; 			//select row 4 , ......
   PORTC=~0xC8;     	//Send character data byte
   delay_ms(5);
   //=====
   PORTB=16; 			//select row 5 , .......
   PORTC=~0x7E;     	//Send inverse character data byte
   delay_ms(5);
   //============
   PORTB=32; 			//select row 6 , ......
   PORTC=~0x3E;     	//Send inverse character data byte
   delay_ms(5);
   //==================
   PORTB=64; 			//select row 7 , ......
   PORTC=(~0x00);     	//Send inverse character data byte
   delay_ms(5);
   //=====================
   PORTB=128; 			//select row 8 , 0b10000000
   PORTC=~0x00;     	//Send inverse character data byte
   delay_ms(5);

   }
}

نتيجة المحاكاة :

[F.Abdelaziz]

تدريب رقم 2 : استخدام المصفوفات arrays فى تبسيط و تحسين شكل البرنامج السابق :
البرنامج :

ED Matrix Display , MIKROC ,Using arrays
Display one fixed character : A
Rows scanning = PORTB connected to anodes ,
Data connected to PORTC , cathodes

*******************************************************/
//Define Matrix Character Information as 8 byte array
unsigned char font[8]={0x3E,0x7e,0xC8,0xC8,0x7E,0x3E,0x00,0x00}; // A
unsigned char row_select[8]={1,2,4,8,16,32,64,128};
unsigned char i ;
 void main ()
{
TRISB=0;
TRISC=0;
PORTB=0;
PORTC=0;

   while(1)
   {
	for(i=0 ; i<8 ; I++)
	{
	PORTB=row_select[i]; //select row as array element
	PORTC=~font[i];//send data to port C as array element
	delay_ms(5); // short delay
   }
      }
}

نتائج المحاكاة :

[F.Abdelaziz]

عرض النصوص Displaying Text :
النص Text له وجهين (شكلين) :
• الوجه الأول هو النص نفسه ، والذى يتكون من أحرف كود أسكى ، ويمكن تخزينه فى شكل سلسلة نصية string
• الوجه الثانى هو التمثيل الرسومى graphic أو خريطة النقط bitmap .
التمثيل النقطى (خريطة النقط) لمجموعة معينة من الأحرف يسمى الخط أو الفونت font . يمكنك تحديد الفونت الخاص بك لتمثيل مجموعة من الأحرف .
تتكون مجموعة أحرف النص القياسية text من الأحرف الأبجدية والرقمية : 0-9, A-Z , a-z جنبا إلى جنب مع بعض الأحرف الخاصة مثل الفاصلة ، والفاصلة المنقوطة , والمسافة الفارغة ، إلخ .
فى البداية يمكننا تحديد عدد محدود وقليل من الأحرف ، مثل الحروف الكابيتال A-Z وتجاهل الأحرف الخاصة ، أو اختيار مجموعة أحرف أسكى الكاملة . لكن ، تذكر أنه كلما كانت مجموعة الأحرف أكبر كلما زاد التمثيل النقطى وبالطبع زادت مساحة التخزين المطلوبة لها .

التمثيل النقطى للحرف Bitmap of a character :
معظم أنظمة الشاشات ، مثل شاشات LCD أو الوحدات الطرفية تستخدم ماتريكس بتات نوع 5X7 لتمثيل وعرض الحرف . وهذا الحجم من المصفوفات يعتبر جيد إلى حد ما لعرض وتمثيل معظم الأحرف المستخدمة بشكل شائع . لكن يوجد الماتريكس 8X8 ، وهى بالتأكيد يمكن أن تستوعب التمثيل النقطى للماتريكس 5X7 بسهولة ، كما أنها تتيح لنا الحرية فى استخدام الماتريكس 8X8 بكاملها لعمل تمثيل نقطى أكثر تفصيلا (تجسيدا).
البداية تكون برسم ماتريكس من المربعات الفارغة على ورقة وملء المربعات المناسبة بنقط الرسم " تسمى بكسلات" pixels التى تريد تشغيلها (عرضها) ، كما فى الشكل التالى :



http://fathallaabdelaziz.forumarabia.com/

الآن لديك 8 بايت من البيانات ، كل بايت يمثل بتات بيانات الأعمدة لصف واحد . لذلك فإن " كل حرف من خط نوع 8X8 سوف يتطلب 8 بايت من البيانات" . مجموعة الحروف النقطية سوف تحتاج أن يتم تخزينها فى مكان ما ، يمكنك تخزينها كجزء من ذاكرة البرنامج كثوابت ، أو تخزينها فى الذاكرة EEPROM للميكروكونترولر . إذا سمح الهاروير الخاص بك ، فإن أفضل مكان يستخدم للتخزين هو ذاكرة خارجية EEPROM والتى تعتمد على الناقل I2C ، أو استخدام كارت تخزين بيانات SD . وهنا ، سنحاول تقليل الاعتماد على أجهزة الهاردوير الخارجية وسيتم تخزين الأحرف النقطية فى ذاكرة البرنامج كثوابت .