Controlar una matriz de LEDs de 5x5 con Raspberry Pi, Python y GPIOs

Controlar una matriz de LEDs de 5x5 con Raspberry Pi, Python y GPIOs

Tras una larga ausencia que raya en el descuido de este blog, me encuentro de nuevo por aqui para platicarles como hacer una matriz de LEDs de 5x5 para el despliegue de texto.

Ya que tenemos el Cubo de LEDs de 3x3x3 pareceria que hacer un matriz de 5x5 sería ir un paso atras en cuanto a complejidad, sin embargo este proyecto nos ayudara a perfeccionar el manejo de algunos elementos de Python como lo son las listas.

En esta ocasión tomaremos ventaja de un efecto visual denominado POV (Persistencia de la Visión por sus siglas en inglés) el cual nos permite engañar a nuestro sentido de la vista haciéndonos creer que múltiples LEDs están encendidos cuando en realidad prendiendo y apagando a un ritmo muy rápido.

El material

Para armar la matriz necesitaremos 25 LEDs, 5 transistores NPN, cable (preferentemente de dos colores diferentes) cautín y soldadura.

El material seleccionado para hacer la base es una espuma recubierta de cartón delgado de 5mm que es ligero, barato y puede darnos una estructura sólida para nuestra matriz. Ademas de un cutter, bisturí o exacto para poder hacer cortes precisos y pegamento para unir las piezas.

Se corta un cuadrado de 27cm por lado que sera la base, además se cortarán 8 rectángulos de 5cm x 27 cm para las divisiones internas, 2 rectángulos de 28 cm x 5.5 cm y por ultimo 2 rectángulos de 27 cm x 5.5 cm.

La construcción

Sobre la base cuadrada se harán marcas en cada uno de los cuatro lados a las siguientes distancias de la orilla:

- 5 cm
- 5.5 cm
- 10.5 cm
- 11 cm
- 16 cm
- 16.5 cm
- 21.5 cm
- 22 cm

ahora uniremos con lápiz las lineas correspondientes de tal forma que queden definidos 25 cuadrados, ademas quedarán identificadas las lineas donde estarán las 8 divisiones (4 horizontales y 4 verticales).

Les recomiendo trazar también unas lineas diagonales que dividan todos los cuadrados en dos triángulos rectángulos y después trazar las diagonales opuestas para de esta manera tener identificado el centro de cada uno de los cuadrados, que será la posición donde colocaremos nuestros LEDs.

Los 8 rectángulos de 5 cm x 27 cm tambien tendrán las mismas marcas por el lado largo que los lados del cuadrado ademas, por el lado corto, habra que hacer una marca a 2.5 cm de cada lado y unirla con lápiz a todo lo largo.

En estos 8 rectángulos cortaremos esas pequeñas áreas de 5mm x 2.5 cm (todas por el mismo lado del rectángulo) que nos permitirán inter-conectar estas piezas para armar el entrelazado de las divisiones interiores. Una vez inter-conectadas las piezas nos aseguraremos de que esten bien alineadas para poder poner pegamento por uno de sus lados y afianzarlo a la base cuadrada en su posición.

Ya para finalizar, tenemos dos pares de rectángulos, uno de ellos ligeramente mas largo que el otro. Estos nos servirán paralos bordes de la matriz, asegúrese de pegar primero el par de rectángulos largos en lados opuestos y al final los mas cortos para terminar con la matriz.

El circuito

Para controlar la matriz, utilizaremos solo 10 pines de la Raspberry Pi, 5 para las filas y 5 para las columnas. Todas las filas estarán conectando entre sí los ánodos y al final iran a uno de los pines de la Raspberry Pi, las columnas unirán los cátodos e irán conectados a la salida de los transistores NPN, tal como lo hicimos en el cubo de 3x3x3.

El código

Como se menciono al inicio de este post, el hacer este ejercicio nos ayudara a perfeccionar nuestras habilidades para usar listas en Python, la razón de esto es que cada uno de los caracteres que desplegaremos en la matriz lo deberemos de definir nosotros en una lista de 5x5 que tendra 1 o 0 en cada una de sus posiciones, correspondiendo directamente a LED encendido o apagado. A continuación les muestro el código que se uso para generar los caracteres numéricos. Para facilitar la visualización y legibilidad, el número 0 ha sido realzado en los elementos de la lista.


#numbers
chars.append([
"01110",
"10011",
"10101",
"11001",
"01110"
])
chars.append(["00100","01100","00100","00100","11111"])
chars.append(["11110","00001","01110","10000","11111"])
chars.append(["11110","00001","00110","00001","11110"])
chars.append(["10001","10001","01111","00001","00001"])
chars.append(["11111","10000","11110","00001","11110"])
chars.append(["01111","10000","11110","10001","01110"])
chars.append(["11111","00010","00100","00100","00100"])
chars.append(["01110","10001","01110","10001","01110"])
chars.append(["01110","10001","01111","00001","00110"])

Este es el código que mostrará los caracteres en la matriz:


#!/usr/bin/env python

# Import required libraries
import time
import RPi.GPIO as GPIO

# Set up the GPIO mode
GPIO.setmode(GPIO.BCM)

#Initialize a list with the GPIO pin numbers we are going to use
gpiopins = [14,15,18,21,23,24,10,25,8,7]

# Set up pins listed as outputs
print "Setting up pins ",
for p in gpiopins :
 print str(p) + " ",
 GPIO.setup(p, GPIO.OUT)
 #GPIO.setup(p, GPIO.LOW)
print "for OUPUT completed."

cols = [14,18,23,10,8]
rows = [7,25,24,21,15]

chars = []

chars.append([...
...
...])

def getLetter(letter):

 return chars[ord(str(letter))]

def drawMatrix(mtx):

 #print mtx

 t = time.clock() + 0.4

 while t > time.clock() :

  for i in range(0,5) :

   for j in range(0,5) :

    if mtx[i][j] == "1" :

     GPIO.output(cols[j],True)

     GPIO.output(rows[i],True)

     #time.sleep(0.005)

     GPIO.output(cols[j],False)

     GPIO.output(rows[i],False)

def drawString(text):

 text = text + chr(32)

 for l in range(len(text)):

  drawMatrix(getLetter(text[l]))

 time.sleep(0.4)

def scrollText(text):

 mtx = ["","","","",""]

 text = chr(32) + text.strip() + chr(32)

 l1 = getLetter(text[0])

 for i in range(len(text)-1):

  l2 = getLetter(text[i+1])

  for j in range(0,5):

   mtx[j] = l1[j] + "000" + l2[j]

  #print mtx

  drawScrollingMatrix(mtx)

  l1 = l2

  #time.sleep(0.05)

def drawScrollingMatrix(mtx):

  for offset in range(0,8):

   t = time.clock() + 0.14

   while t > time.clock() :

    for i in range(0,5) :

     for j in range(0,5) :

      if mtx[i][j+offset] == "1" :

       GPIO.output(cols[j],True)

       GPIO.output(rows[i],True)

       GPIO.output(cols[j],False)

       GPIO.output(rows[i],False)

#initialize all LEDs to off

for i in range(0,5) :

 GPIO.output(cols[i], False)

 GPIO.output(rows[i], False)

#control variables

delay = 0.5

print "Start patterns"

drawString("RASPBERRY PI & PYTHON & GPIO")

scrollText("RASPBERRY PI & PYTHON & GPIO")

El resultado

Saludos!

Cubo de LEDs 3x3x3 controlado con Python, GPIOs y Raspberry Pi

Cubo de LEDs 3x3x3

Para quien ha seguido las publicaciones en este blog resultará normal el hecho de que incrementemos el nivel de dificultad de un proyecto a otro. Primero vimos como encender y apagar un LED, luego como manejar 4 LEDs en una secuencia determinada para obtener una secuencia binaria usando LEDs y decimal utilizando un  display de 7 segmentos.

Para este proyecto, necesitaremos el siguiente material:

• Cautin
• Soldadura
• Cable
• 27 LEDs
• 3 transistores NPN
• Placa fenólica perforada
• Cable plano de 26 hilos
• Conector IDC-26 hembra

El problema

Hasta el momento no hemos hecho mas que utilizar un pin GPIO para cada uno de los LEDs que queremos controlar, el dia de hoy tendremos que resolver una situación, ¿como controlaremos de manera individual 27 LEDs cuando la Raspberry Pi solo nos puede proveer de 17 pines GPIO?

La solución

La solución que utilizaremos para resolver la pregunta anterior es una combinación de software y la forma en la que conectaremos los LEDs entre ellos para optimizar el uso de los pines GPIO.

El cubo que construiremos tiene 3 niveles de 3 LEDs por lado, esto es 3 x 3 x 3 = 27 LEDs.

Aunque esto ya debería ser familiar, lo primero que tenemos que identificar es el ánodo (+) y el cátodo (-) de los LEDs. Al observar las conexiones de los LEDs observaremos que una es ligeramente mas larga que la otra, eso es lo que nos ayudara a identificar el ánodo (+) del LED, por consecuencia, la conexión mas corta del LED es el cátodo (-).

Lo que haremos para armar el primer nivel del cubo será tomar 9 LEDs y doblar completamente el cátodo (-) desde la base del LED hasta que quede en un ángulo de 90 grados con respecto al ánodo (+), como se muestra a continuación.

Ahora, hay que soldar los cátodos de tal forma que obtengamos una matriz de 3x3. A continuación se muestran los 3 niveles ya terminados.

Una vez terminados los 3 niveles, a continuación los apilaremos uno sobre otro, a una distancia adecuada para que los ánodos (+) se puedan soldar entre ellos. Al final tendremos 9 columnas de ánodos (+) y 3 niveles de cátodos. Por lo que cada LED individual puede ser identificado con una coordenada única en 3 dimensiones, y lo mejor de todo, hemos resulto nuestro problema inicial, pues ¡solo utilizaremos 12 pines GPIOs!

¿Tan facil?

Una vez que hemos resuelto el problema anterior hasta parece trivial, ¿cierto? pues este proyecto ahora nos presenta otro problema que debemos resolver, los GPIOs de la Raspberry Pi son pines digitales y pueden ser controlados para enviar (HIGH) o no enviar (LOW) voltaje de acuerdo a nuestras necesidades pero nuestro diseño requiere poder enviar voltaje positivo a los ánodos (las columnas del cubo) y voltaje negativo a los cátodos (cada uno de los niveles) así que ¿cómo vamos a enviar voltaje negativo a los niveles del cubo?

Aqui la solución radica en el uso de transistores utilizados como interruptores, en el cual basicamente lograremos que al enviarle corriente al transistor usando los GPIOs este permitira el flujo de la corriente negativa que tendremos conectada a una de sus terminales, tal como se muestra en el diagrama siguiente:

Habiendo hecho esto para cada uno de los 3 niveles del cubo hemos terminado con la parte del hardware, ahora voltearemos hacia el software.

El Código

#!/usr/bin/env python

# Import required libraries
import time
import RPi.GPIO as GPIO

# Set up the GPIO mode
GPIO.setmode(GPIO.BCM)

#Initialize a list with the GPIO pin numbers we are going to use
gpiopins = [0,1,4,14,15,17,18,21,22,23,24,10]

# Set up pins listed as outputs
print "Setting up pins ",
for p in gpiopins :
 print str(p) + " ",
 GPIO.setup(p, GPIO.OUT)
 GPIO.setup(p, GPIO.LOW)
print "for OUPUT - LOW completed."

levelpins = [1,4,0]
pins = [ [23,24,10] , [18,21,22] , [14,15,17] ]
delay = 0.2
loops = 10

#Initialize all LEDs to off
for y in range(0,3) :
  GPIO.output(levelpins[y],False)
  for x in range(0,3) :
   for z in range(0,3) :
    GPIO.output(pins[x][z],False)

print "Start patterns"

print "LED by LED, bottom left front to top right back"
for loopcount in range(loops/2) :
 for y in range(0,3) :
  GPIO.output(levelpins[y],True)
  for x in range(0,3) :
   for z in range(0,3) :
    GPIO.output(pins[x][z],True)
    time.sleep(delay/2)
    GPIO.output(pins[x][z],False)
  GPIO.output(levelpins[y],False)

print "Column by column, left front to right back"
for loopcount in range(loops/2) :
 for y in range(0,3) :
  GPIO.output(levelpins[y],True)
 for x in range(0,3) :
  for z in range(0,3) :

  GPIO.output(pins[x][z],True)

   time.sleep(delay)

   GPIO.output(pins[x][z],False)

 GPIO.output(levelpins[y],False)

print "Row by Row, bottom front to top back"
for loopcount in range(loops) :
 for y in range(0,3) :
  GPIO.output(levelpins[y],True)
  for z in range(0,3) :
   for x in range(0,3) :
    GPIO.output(pins[x][z],True)
   time.sleep(delay)
   for x in range(0,3) :
    GPIO.output(pins[x][z],False)
  GPIO.output(levelpins[y],False)

print "Row by Row, bottom left to top right"
for loopcount in range(loops) :
 for y in range(0,3) :
  GPIO.output(levelpins[y],True)
  for x in range(0,3) :
   for z in range(0,3) :
    GPIO.output(pins[x][z],True)
   time.sleep(delay)
   for z in range(0,3) :
    GPIO.output(pins[x][z],False)
  GPIO.output(levelpins[y],False)

print "Level by Level, bottom to top"
for x in range(0,3) :
 for z in range(0,3) :
  GPIO.output(pins[x][z],True)
for loopcount in range(loops) :
 for y in range(0,3) :
  GPIO.output(levelpins[y],True)
  time.sleep(delay)
  GPIO.output(levelpins[y],False)
for x in range(0,3) :
 for z in range(0,3) :
  GPIO.output(pins[x][z],False)

El Resultado Final

Espero que esta referencia pueda ser de su utilidad

Controlar 4 LEDs con los GPIOs de la Raspberry Pi

Controlar 4 LEDs con los GPIOs de la Raspberry Pi


Ahora que ya supimos como Controlar un LED con los GPIOs de la Raspberry Pi en este proyecto aumentaremos un poco la complejidad al controlar 4 LEDs en una secuencia que nos permitira contar en binario del cero al nueve y ademas rutear esa salida hacia un circuito integrado 7447 para poder desplegar los dígitos en un display de 7 segmentos.

Material necesario

- 4 LEDs
- 1 IC 7447
- Protoboard
- Display de 7 segmentos con cátodo común

En este proyecto manipularemos 4 GPIOs, uno para cada uno de los LEDs, ademas de ahi conectaremos tambien las entradas de IC 7447 tal como se muestra en el diagrama a continuación:

Lo que haremos basicamente en el código sera inicializar los GPIOs como salidas, después crearemos  una lista de 10 elementos, cada elemento será a su vez una lista que contendrá los valores binarios ordenados para generar la secuencia que necesitamos.

Recorreremos cada uno de los elementos de la lista de listas para identificar que LEDs deberemos de encender, haremos una pausa de un segundo y después continuaremos.
El código en Python se muestra a continuación:


#!/usr/bin/env python

# Import required libraries
import time
import math
import RPi.GPIO as GPIO

# Set up the GPIO mode
GPIO.setmode(GPIO.BCM)

#Initialize a list with the GPIO pin numbers we are going to use
gpiopins = [14,15,18,23]

# Set up pins listed as outputs
for p in gpiopins :
 print "Setup GPIO" + str(p) + " for OUTPUT"
 GPIO.setup(p, GPIO.OUT)
 GPIO.setup(p, GPIO.LOW)
print "Setup completed."


#Initialize a list with the binary values for the first 10 deciimal values
binary = [ [0,0,0,0],[0,0,0,1],[0,0,1,0],[0,0,1,1],[0,1,0,0],[0,1,0,1],[0,1,1,0],[0,1,1,1],[1,0,0,0],[1,0,0,1] ]

print "Start loop"
while True :
 digit = 0
 while digit < 10 :
  print "Decimal: " + str(digit) + " Binary: " + str(binary[digit])
  for x in range(0,4) :
   GPIO.output(gpiopins[x], binary[digit][x])
   print "pin = " + str(gpiopins[x]) + " valor = " + str(binary[digit][x])
  time.sleep(1)
  digit = digit + 1

El resultado es mostrado en el siguiente video:

Si tienes cual duda comentario, corrección o sugerencia, por favor házmelo saber en los comentarios de este blog.