16x16 LED MATRIXを使用した砂時計の制作

16x16 LED MATRIXの素子を砂に見立てて、センサーで傾きを検知し、本物の砂時計のような挙動をすることを目指しました。

16x16 LED MATRIX
鈴商で扱っている2mmピッチのLED MATRIX LT5013Tです。

加速度センサー
ADXL345
足が無いので、クリームはんだ+ヒートガン or リフローが必要です。

LEDドライバ
部品点数を少なくするため、中華チップ構成にしました。
アノード側 : ICN2012 カスケード接続にして16本を確保
カソード側 : MBI5024 デイジーチェーン接続で32本を確保

バッテリー
砂時計のくびれ部分を細くするため、18650を使用。
USBからの充電にも対応。

CPU
18650の幅に収まるサイズ性を重視してSTM32F042を選択。

スピーカー
秋月電子のUGCT7525AN4です。
タイマー出力からトランジスタ一本で駆動。

ブロック図は下記のようになります

加速度センサーで傾きを検知し、仮想の粒子の移動を行いLEDを点灯する場所を決めます。
LED MATRIXはカソード側を1ms毎に更新、アノード側の切り替えを16回行うので1フレーム16ms。62.5fpsの画面更新となります。
ICN2012は焼き付き防止回路が入っており、定期的な更新が無いと出力が停止します。Debugの際は注意が必要です。

基本的にブロック図の通りです。電源はBATTERY BOARDからJ2を通して供給されます。

充電はTP4057を使用しています。

LED MATRIXのピンピッチが特殊なことや表面実装部品を多用するため、基板を起こしました。

U4, U5はICN2012ですが、LED MATRIXの下になるので、先に実装が必要です。半田不良があったらアウトです。

MAIN BOARDにはバッテリが載らないためバッテリ用に別基板を作成しました。充電回路も載っています。

裏には何もありません。

実装すると以下のようになります。

ピンヘッダを通してMAIN BOARDに電源を供給します。

スペーサーを使用して2枚を合わせると以下のようになります。

右横から見ると以下のようになります。こちら側には電源スイッチと、リセット用のスイッチがあります。

左横から見ると以下のようになります。こちら側には充電用のUSB端子があります。

電源を入れると重力に従ってLEDの点灯が移動します。

スモークのアクリルを前面に付けるとLEDが光っている部分のみが残りますので、見た目が良くなります。
(アクリルの加工が雑であまり綺麗ではありませんが…)

動作時の動画は以下になります。
砂に見立てたLEDは1秒に1つ落ちるようになっており、リセットスイッチを押すと重力とは反対側のLED MATRIXに180個が集まります。
重力側に全部移動(3分経過)するとアラームが鳴ります。

ここに動画が表示されます

AdafruitのPixelDustライブラリを使用しています。

main.c
#include "Adafruit_PixelDust.h"
#define MATRIX_SIZE			16
#define LED_DATA_MAX		((MATRIX_SIZE*2/8)*MATRIX_SIZE)		// Cathode 32bit * Anode 16bit
#define ADXL_SLAVE_ADDRESS	0xA6
#define TIMER_MAX			3
#define ALARM_MAX			4
I2C_HandleTypeDef hi2c1;
SPI_HandleTypeDef hspi1;
TIM_HandleTypeDef htim3;
TIM_HandleTypeDef htim14;

__IO uint16_t AnodeCounter;
__IO uint8_t TimerCounter;
__IO uint8_t InterruptCounter;
__IO uint8_t LEDDataCounter;
uint8_t AlarmCounter;
uint8_t BlinkCounter;
uint8_t AlarmActivate;
uint8_t LEDDataBuffer[LED_DATA_MAX];
uint8_t ADXL_Cmd[2];
union ADXLDATA {
	uint8_t Byte[6];
	int16_t Word[3];
} ADXL_Data;
uint8_t conv1[256];
uint8_t conv2[256];
uint16_t FuncTimer[TIMER_MAX];
const uint8_t LEDOffData[4] = {0,0,0,0};
const uint8_t conv[MATRIX_SIZE] = {3,7,6,8,5,9,4,10,15,13,0,12,1,11,2,14};
const uint16_t alarm_table[ALARM_MAX] =
{
	30612,
	34361,
	30612,
	0
};

void AlarmInvoke(void);
void StopBeep(void);
void CheckFallSand(void);
void (* const FuncArray[TIMER_MAX])(void) = {
	AlarmInvoke,
	StopBeep,
	CheckFallSand,
};
void makeConvTable(void)
{
	uint16_t i;
	uint8_t r;
	for(i=0; i<256; i++)
	{
		r = 0;
		if(i & 0x01) r |= 0x02;
		if(i & 0x02) r |= 0x80;
		if(i & 0x04) r |= 0x01;
		if(i & 0x08) r |= 0x04;
		if(i & 0x10) r |= 0x40;
		if(i & 0x20) r |= 0x08;
		if(i & 0x40) r |= 0x20;
		if(i & 0x80) r |= 0x10;
		conv1[i] = r;
		r = 0;
		if(i & 0x01) r |= 0x10;
		if(i & 0x02) r |= 0x20;
		if(i & 0x04) r |= 0x08;
		if(i & 0x08) r |= 0x40;
		if(i & 0x10) r |= 0x04;
		if(i & 0x20) r |= 0x01;
		if(i & 0x40) r |= 0x80;
		if(i & 0x80) r |= 0x02;
		conv2[i] = r;
	}
}

void makeLEDBuffer(void)
{
	uint8_t i, t;
	for(i=0; i<MATRIX_SIZE; i++)
	{
		t = conv[i] * 4;
 		LEDDataBuffer[0 + t] = conv2[bitmap[0 + (i * 4)]];
		LEDDataBuffer[1 + t] = conv1[bitmap[1 + (i * 4)]];
		LEDDataBuffer[2 + t] = conv1[bitmap[3 + ((i+MATRIX_SIZE+1) * 4)]];
		LEDDataBuffer[3 + t] = conv2[bitmap[2 + ((i+MATRIX_SIZE+1) * 4)]];
	}
}


void AlarmInvoke(void)
{
	FuncTimer[0] = 250; 
	uint16_t alarm_frequency = alarm_table[AlarmCounter];
	if(alarm_frequency)
	{
		htim3.Init.Period = alarm_frequency;
		TIM_Base_SetConfig(htim3.Instance,  &htim3.Init);
		HAL_TIM_OC_Start(&htim3,  TIM_CHANNEL_1);
	}
	else
	{
		HAL_TIM_OC_Stop(&htim3,  TIM_CHANNEL_1);
	}
	AlarmCounter++;
	if(AlarmCounter >= ALARM_MAX) AlarmCounter = 0;
	if(BlinkCounter & 1)
	{
		memset(LEDDataBuffer, 0, LED_DATA_MAX);
	}
	else
	{
		makeLEDBuffer();
	}
	ubBlinkCounter++;
}

void StartAlarm(void)
{
	if(AlarmActivate) return;
	AlarmActivate = 1;
	AlarmCounter = 0;
	BlinkCounter = 0;
	FuncTimer[0] = 250; 
}

void StopAlarm(void)
{
	if(!AlarmActivate) return;
	AlarmActivate = 0;
	HAL_TIM_OC_Stop(&htim3,  TIM_CHANNEL_1);
	FuncTimer[0] = 0;
}

uint8_t CheckEmpty(uint8_t pos)
{
	uint8_t i;
	if(pos)
	{
		for(i=0; i<MATRIX_SIZE; i++)
		{
			if(*(uint16_t *)&bitmap[0 + (i * 4)]) return 0;
		}
	}
	else
	{
		for(i=0; i<MATRIX_SIZE; i++)
		{
			if(*(uint16_t *)&bitmap[2 + ((i+MATRIX_SIZE+1) * 4)]) return 0;
		}
	}
	return 1;
}

void StopBeep(void)
{
	HAL_TIM_OC_Stop(&htim3,  TIM_CHANNEL_1);
}

void StartBeep(void)
{
	htim3.Init.Period = 5999;
	TIM_Base_SetConfig(htim3.Instance,  &htim3.Init);
	HAL_TIM_OC_Start(&htim3,  TIM_CHANNEL_1);
	FuncTimer[1] = 100; 
}

void ResetSand(void)
{
	uint8_t i;
	StartBeep();
	for(i=0; i<MATRIX_SIZE; i++)
	{
		*(uint16_t *)&bitmap[0 + (i * 4)] = 0;
		*(uint16_t *)&bitmap[2 + ((i+MATRIX_SIZE+1) * 4)] = 0;
	}
	initializeDust(ADXL_Data.Word[0] < 0 ? (MATRIX_SIZE+1) : 0);
}

void CheckFallSand(void)
{
	FuncTimer[2] = 1000; 
	if(ADXL_Data.Word[0] < 0)
	{
		if(getPixel(MATRIX_SIZE, MATRIX_SIZE+1))
		{
			if(!getPixel(MATRIX_SIZE-1, MATRIX_SIZE-1))
			{
				int grain = SearchGrain(MATRIX_SIZE, MATRIX_SIZE+1);
				if(grain >= 0)
				{
					clearPixel(MATRIX_SIZE, MATRIX_SIZE+1);
					setPosition(grain, MATRIX_SIZE-1, MATRIX_SIZE-1);
				}
			}
		}
	}
	else
	{
		if(getPixel(MATRIX_SIZE-1, MATRIX_SIZE-1))
		{
			if(!getPixel(MATRIX_SIZE, MATRIX_SIZE+1))
			{
				int grain = SearchGrain(MATRIX_SIZE-1, MATRIX_SIZE-1);
				if(grain >= 0)
				{
					clearPixel(MATRIX_SIZE-1, MATRIX_SIZE-1);
					setPosition(grain, MATRIX_SIZE, MATRIX_SIZE+1);
				}
			}
		}
	}
}

int main(void)
{
	uint8_t i;
	uint16_t _porta, porta;
	HAL_Init();

	TimerCounter = 0;
	InterruptCounter = 0;
	AnodeCounter = 0;
	LEDDataCounter = 0;
	AlarmActivate = 0;
	SystemClock_Config();
	MX_GPIO_Init();
	MX_I2C1_Init();
	MX_SPI1_Init();
	MX_TIM3_Init();
	MX_TIM14_Init();
	HAL_GPIO_WritePin(POWER_ON_GPIO_Port, POWER_ON_Pin, GPIO_PIN_SET);
	HAL_Delay(200);
	PixelDust(MATRIX_SIZE*2, MATRIX_SIZE*2+1, 180, 8, 32, 0);
	for(i=0; i<MATRIX_SIZE; i++)
	{
		*(uint16_t *)&bitmap[2 + (i * 4)] = 0xffff;
		*(uint16_t *)&bitmap[0 + ((i+MATRIX_SIZE+1) * 4)] = 0xffff;
	}
	*(uint32_t *)&bitmap[0 + (MATRIX_SIZE * 4)] = 0xffffffff;
	randomize();
	makeConvTable();
	makeLEDBuffer();
	HAL_SPI_Transmit_IT(&hspi1, ubLEDOffData, 4);

	ADXL_Cmd[0] = 0x2f;		// INT MAP
	ADXL_Cmd[1] = 0x80;		// DATA_READY
	HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1 , ADXL_SLAVE_ADDRESS, ADXL_Cmd, 2, 1000);
	ADXL_Cmd[0] = 0x2e;		// INT ENABLE
	ADXL_Cmd[1] = 0x80;		// DATA_READY
	HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1 , ADXL_SLAVE_ADDRESS, ADXL_Cmd, 2, 1000);
	ADXL_Cmd[0] = 0x2d;		// POWER CTL
	ADXL_Cmd[1] = 0x08;		// Measure
	HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1 , ADXL_SLAVE_ADDRESS, ADXL_Cmd, 2, 1000);
	for(i=0; i<TIMER_MAX; i++)
	{
		FuncTimer[i] = 0;
	}
	FuncTimer[2] = 1000; 
	porta = GPIOA->IDR;
	while (1)
	{
		if(InterruptCounter != 0)
		{
			InterruptCounter = 0;
			ADXL_Cmd[0] = 0x32;
			if(HAL_OK == HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1 , ADXL_SLAVE_ADDRESS, ADXL_Cmd, 1, 1000))
			{
				if(HAL_OK ==  HAL_I2C_Master_Receive(&hi2c1 , ADXL_SLAVE_ADDRESS, &ADXL_Data.Byte[0], 6, 1000))
				{
					if(iterate(ADXL_Data.Word[0], -ADXL_Data.Word[1], 0))
					{
						makeLEDBuffer();
						StopAlarm();
					}
					else
					{
						if(CheckEmpty(ADXL_Data.Word[0] < 0 ? 0 : 1))
						{
							StartAlarm();
						}
					}
				}
			}
		}
		if(TimerCounter != 0)
		{
			TimerCounter = 0;
			_porta = GPIOA->IDR;
			if((porta ^ _porta) & SW_Pin)
			{
				if(!(_porta & SW_Pin))
				{
					ResetSand();
				}
			}
			porta = _porta;
			for(i=0; i<TIMER_MAX; i++)
			{
				if(FuncTimer[i])
				{
					if(!--FuncTimer[i])
					{
						FuncArray[i]();
					}
				}
			}
		}
	}
}

void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
	GPIOB->ODR = 0x02;	// Latch Enable
	GPIOA->ODR = AnodeCounter | 0x0400;	// Anode Select Change
	GPIOB->ODR = 0x00;	// Latch Disable
	AnodeCounter = (AnodeCounter + 2) & 0x1e;
	HAL_SPI_Transmit_IT(&hspi1, &LEDDataBuffer[LEDDataCounter], 4);
	LEDDataCounter = (LEDDataCounter + 4) & (LED_DATA_MAX - 1);
	TimerCounter++;
}

void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
{
	InterruptCounter++;
}