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Summe der Teile


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Raspberry Pi Geek - epaper ⋅ Ausgabe 12/2021 vom 07.10.2021

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Bildquelle: Raspberry Pi Geek, Ausgabe 12/2021

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LED-Module erlauben den Aufbau großer Videoinstallationen. Anhand eines einzelnen Moduls zeigen wir, wie Sie diese mit einem ESP8266 so ansteuern, dass darauf ein bewegtes Bild entsteht.

Haben Sie sich schon einmal gefragt, wie die riesigen Bildschirme in den Fußballstadien aufgebaut sind? Kaum zu glauben, aber sie bestehen aus vielen kleinen Displays, die Hersteller bei Bedarf zu beliebigen großen zusammensetzen.

Wir schauen uns eins dieser Module an und zeigen, wofür Sie diese verwenden können. Zum Ansteuern verwenden wir ein auf dem ESP8266 basierendes Node­ MCU-Board. Im Beispiel wandert am Schluss ein Pacman über das Modul.

Es ist derzeit nicht möglich, das Display in der EU zu kaufen. Daher ist eine Bestellung in China der einfachste Weg zum LED-Modul . Beachten Sie dabei, dass zusätzlich Steuern und Gebühren für die Bearbeitung anfallen. Die Module dienen dazu, sehr viel größere ...

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... Displays aufzubauen. Deshalb haben sie keinen sichtbaren Rand, dafür aber einen wirklich stabilen Rahmen, der nötig ist, um sie zu größeren Anordnungen zusammensetzen zu können.

Die Module gibt es in unterschiedlichen Typen (Innen und Außen) und Pixel- Größen. Die Pixel-Größe (P) wird dabei in Millimetern angegeben. Ein P3-Display hat demzufolge 3 Millimeter Abstand zwischen den Mittelpunkten zweier Pixel. Die Module haben eine Betriebsspannung von 5 Volt und einen recht ordentlichen Leistungsbedarf: Der Hersteller gibt eine durchschnittliche Leistung von 300 Watt pro Quadratmeter an. Die Maximalleistung liegt sogar bei knapp einem Kilowatt pro Quadratmeter.

Das bedeutet, für unser einzelnes Modul einen Maximalstrom von rund vier Ampere. Dabei ist die durchschnittliche Stromaufnahme immer noch 1,3 Ampere. Das sind jedoch die Werte bei maximaler Helligkeit. Die LEDs haben eine so hohe Leuchtkraft, dass es möglich ist, sie zum Ausprobieren herunterzuregeln.

Das Pacman-Programm beispielsweise hat eine maximale Stromaufnahme von rund 220 Milliampere. Die Displays eignen sich sowohl für Text als auch für Grafik. Um das Display anzusteuern, verwenden wir die PxMatrix-Bibliothek . Auf der Github-Seite der Bibliothek sind die genaue Funktionsweise des Displays und die Hardwaredetails gut beschrieben.

Hardware

Der Schaltplan 1 zeigt, wie Sie das Display anschließen. Das Kicad-Projekt zum Schaltplan finden Sie im Download-Bereich zu diesem Artikel. Die Spannungsversorgung für das Display selbst ist nicht im Schaltplan zu sehen. Auf der Rückseite des Displays befindet sich ein vierpoliger Stecker. Über die mitgelieferte Leitung können Sie hier die 5 Volt Versorgungsspannung einspeisen. Wie bereits erwähnt, braucht das Display eine Menge Strom (siehe Kasten Netzteile).

Das NodeMCU-Modul erhält seine Spannung nicht vom Display. Für die ersten Versuche reicht eine Spannungsversorgung über den USB-Anschluss. Bei einer festen Installation käme infrage, den NodeMCU über Schraubklemmen mit Spannung zu versorgen.

Auf dem Node-MCU-Modul ist ein ESP8266-Mikrocontroller verbaut. Der Controller hat eine integrierte WLAN- Schnittstelle. Zum Entwickeln kommt die Arduino IDE zum Einsatz. Für rund 7 Euro gibt es das Modul etwa bei AZ-Delivery. Der fertige Testaufbau mit Messgerät ist in Abbildung 2 zu sehen. Die Stromaufnahme schwankt hierbei zwischen 90 und 220 Milliampere.

Arduino IDE

Ursprünglich diente die Arduino IDE als Entwicklungsumgebung für die gleichnamigen Boards. Durch den Einsatz von Boardmanagern ist es allerdings möglich, die IDE für unterschiedliche Mikrocontroller anderer Hersteller einzusetzen. Sie benötigen dazu nur den jeweils passenden Boardmanager.

Um das für das NodeMCU vorgesehene Exemplar zu installieren, sind nur wenige Schritte nötig: Als Erstes tragen Sie die URL des ESP8266-Boardmanagers ein.

Dazu öffnen Sie über Datei | Voreinstellungen | Zusätzliche Boardverwalter-URLs den Dialog und tragen dort die URL aus Listing 1 als Quelle ein. Danach wechseln Sie zu Werkzeuge | Board | Boardverwalter… und suchen nach dem ESP8266-Board-Verwalter der Community und installieren diesen.

Um zu überprüfen, ob alles geklappt hat, verbinden Sie das NodeMCU-Board über USB mit dem PC und laden ein Testprogramm. Das Programm finden Sie im Menü unter Datei | Beispiele | 01. Basics | Blink. Mit einem Klick auf das Icon mit dem Pfeil nach rechts kompilieren Sie das Programm und laden es in den ESP8266. Die auf dem Modul verbaute LED sollte jetzt im Sekundentakt blinken. Falls Sie das LED-Display bereits angeschlossen haben, blinkt nun eine einzelne LED darin mit.

Um das LED-Display anzusteuern, benötigen Sie noch zwei zusätzliche Bibliotheken. Diese binden Sie unter Werkzeuge | Bibliotheken verwalten… ein. Suchen und installieren Sie hier die PxMatrix LED MATRIX library und die Adafruit GFX Library. Abhängige Bibliotheken installieren Sie bei Bedarf ebenfalls. Die Adafruit GFX Library arbeitet mit vielen Displays zusammen und bietet viele Funktionen, mit denen Sie Grafiken und Texte auf die Ausgabe zaubern. Werfen Sie bei Bedarf einen Blick in die Dokumentation.

Dateien zum Artikel herunterladen unter

www.raspi-geek.de/dl/46695

Netzteile

Um die benötigte Leistung bereitzustellen, brauchen Sie ein ordentliches Netzteil. Für Bastler eignet sich das Tischnetzteil GST60A05 recht gut. Wenn Sie eine einschlägige Ausbildung im Elektrobereich haben, könnten Sie zu einem Schaltnetzteil-Modul greifen. Diese Module sind für den Einbau in Geräte gedacht und haben daher keinen Berührungsschutz für die Netzspannung. Ein unaufmerksames Hinlangen an der falschen Stelle hat hier daher unter Umständen ernsthafte Folgen. Beide Netzteile stellen am Ausgang 5 Volt bereit. Die Spannung ist zwar komplett ungefährlich, aber im Fall eines Kurzschlusses, fließen recht ordentliche Ströme – eine dünne Leitung ist dabei schnell mal verdampft. Schalten Sie daher immer zuerst die Spannung ab, bevor Sie etwas an der Schaltung ändern.

Nun ist die Entwicklungsumgebung so weit vorbereitet, um das erste Testprogramm speziell für das Display auszuprobieren. Öffnen Sie dazu über Datei | Beispiele | PxMatrix LED MATRIX library | pixeltime das Beispiel. Es ist für ein anderes Display konfiguriert, daher braucht es noch ein paar Änderungen.

Zuerst passen Sie die Auflösung an (Listing 2). Danach kommentieren Sie die Zeile aus und fügen einen neuen Aufruf ein. Listing 3 zeigt, wie das konkret aussieht. Zu guter Letzt passen Sie noch die Zeile display.begin(16); in der Setup-Funktion an. Hier ersetzen Sie den Wert 8 durch 16. Wenn Sie das Programm in den Controller laden, startet eine einfache Demo. Das Programm eignet sich als Basis für eigene Software.

Pacman

Unser eigenes Programm (Listing 4) lässt den allseits bekannten Pacman über das Display wandern. Um eine Vorstellung zu bekommen, wie Pacman sich bewegt, schauen Sie sich bei Youtube das entsprechende Video an. Allerdings kommen die Farben des Displays dort nicht richtig zur Geltung.

Ein grundsätzliches Problem bei allen Displays liegt darin, dass sie nur einen einzigen Speicher für die Anzeige haben. Auf diesen greifen Programme erst einmal direkt zu. Dieses Vorgehen hat jedoch einen entscheidenden Nachteil: Bei ungünstigem Timing sehen Sie, wie das Programm den Speicher verändert – das Display flackert. Oder es kommt vor, dass Objekte noch auf dem Display erscheinen, die bereits gelöscht sein sollten.

Weitere Infos und interessante Links

www.raspi-geek.de/qr/46695

Ein Doublebuffer (Listing 4, Zeile 4) beitet eine recht einfache Lösung, um solche sonderbaren Effekte zu umgehen. Dabei schreibt das Programm alle Änderungen zunächst in einen gesonderten Speicherbereich, und erst wenn alles vollständig berechnet ist, überträgt es diesen in einem Rutsch in den Display-Speicher.

Eins ist noch wichtig zu erwähnen: Der zusätzliche Puffer liegt im Hauptspeicher unseres Mikrocontrollers, geht also vom Platz für das Programm ab. Im konkreten Beispiel sind das knapp 6 KByte. Das klingt zwar nach wenig, der ESP8266 hat aber lediglich knapp 80 KByte RAM für Benutzersoftware.

Die Form eines Pacman eignet sich für das Programm, weil sie sich leicht errechnen lässt. Es ist also nicht notwendig, Bitmaps für jede einzelne Bewegung im Speicher abzulegen. Sie zeichnen einfach einen gelben Kreis und schneiden geschickt ein Dreieck für den Mund aus.

Dabei steuert die Variable d (Direction), ob sich der Mund gerade öffnet oder schließt, und m (mouth), wie weit der Mund offensteht. Damit der Mund sich vollständig schließt, gibt es den Test if(m!=0) vor dem Kommando, das das Dreieck zeichnet. Die Farben übergibt die Software RGB-codiert mit der Funktion display.color565() an das Display.

Der display_ticker sorgt mit der Funktion display_updater() dafür, dass die Daten aus dem Buffer in den Speicher des Displays gelangen. Mit der Funktion display.showBuffer(); geben Sie den Buffer zur Anzeige frei. Das Arduino-Projekt für das Pacman-Programm finden Sie im Download-Bereich zu diesem Artikel.

Fazit

Das LED-Modul ist ein wirklich cooles Display, das Sie für recht kleines Geld bekommen. Ob Sie nun ein Projekt für drinnen oder draußen planen, es findet sich sicher der passende Display-Typ. Wie schon gesagt, lassen sich die Module miteinander kombinieren, um eine größere Anzeige zu erhalten. Daraus ergeben sich viele Möglichkeiten, zumal Sie mit dem ESP8266 ohne Probleme beliebige Daten aus dem Netz abrufen können.

Ein Wermutstropfen bleibt allerdings: Auf das Modul fällt Zoll an, wenn Sie es in China bestellen. Zusätzlich ist die Bearbeitungsgebühr für das Transportunternehmen fällig. Trotzdem macht es aber eine Menge Spaß, sich etwas intensiver mit der Programmierung dieses Displays auseinander zu setzen.

(agr)