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I Display a LED

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Academic year: 2021

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________________________________Capitolo 2

I Display a LED

2.1 Introduzione

Nel capitolo precedente si è parlato di quanto la tecnologia LED sia divenuta importante, soprattutto al giorno d’oggi. In questo capitolo prenderemo in considerazione solo una particolare applicazione di questa tecnologia, volta alla realizzazione di display a LED. Al contrario di quanto sta accadendo nell’ambito dello sviluppo di dispositivi di illuminazione a LED, che solo recentemente ha assunto grande rilievo, i display a LED vengono realizzati già da parecchi anni (come visualizzatori numerici, alfanumerici e grafici). Ovviamente, con il forte sviluppo tecnologico, sia per quanto riguarda le caratteristiche dei led, sia per la miriade di circuiti integrati progettati specificatamente per questi ultimi, anche i display a led hanno subito sensibili cambiamenti (soprattutto per ciò che riguarda il numero di colori visualizzabili).

Nei seguenti paragrafi verrà presentata una panoramica generale dei dispositivi esistenti sul mercato, con particolare attenzione ai display alfanumerici e grafici. Inoltre si farà riferimento a prezzi e caratteristiche di alcuni dispositivi commerciali, fornendo un confronto con il display grafico oggetto di questa tesi.

2.2 Tipologie ed ambiti di utilizzazione dei display a LED

I display a LED costituiscono un elemento fondamentale in una gran parte di dispositivi elettronici, consentendo all’utente di percepire informazioni in modo

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semplice e immediato. Il tipo di informazioni che possono essere visualizzate può essere di varia natura: attraverso i display a LED infatti possono essere mostrate informazioni di tipo numerico, testuale, grafico, nonché una qualsiasi combinazione di tutte queste.

In generale possiamo considerare due categorie di utilizzo dei display a LED: per applicazioni video, nelle quali viene presentato dal display il “contenuto” di una sorgente video, ed applicazioni per cui le informazioni vengono presentate sotto forma di messaggi di varia natura (numerici, testuali, grafici). I display per applicazioni video non costituiscono oggetto di questo capitolo; nei paragrafi successivi prenderemo in considerazione solamente l’altra classe di display sopraccitata.

2.2.1 Tipologie di display a LED

É stato accennato che il tipo di informazione che può venire visualizzata dal display può essere di varia natura. Di seguito viene fornita una breve panoramica degli elementi che vengono utilizzati nella realizzazione dei display a LED.

Per quanto riguarda i display numerici si può dire che rappresentano la forma più semplice di visualizzazione. Particolarmente noti sono i display a 7 segmenti, che costituiscono il modo più economico per visualizzare informazioni di tipo numerico. Questi display sono formati da uno o più elementi base: il singolo elemento (digit) è tipicamente rappresentato da 8 LED disposti in maniera opportuna, dei quali 7 vanno a costituire la cifra da mostrare ed uno rappresenta un punto.

Per visualizzare informazioni di tipo alfanumerico si può optare per i cosiddetti display a 14 e 16 segmenti. Essi permettono di mostrare, oltre ad informazioni numeriche (cifre da 0 a 9), anche i 26 caratteri in maiuscolo dell’alfabeto romano (possono essere tuttavia visualizzati anche altri simboli). La differenza tra i display a 14 e a 16 segmenti risiede nel fatto che i tratti superiore ed inferiore del display a 14 segmenti sono stati suddivisi in due parti, consentendo una migliore rappresentazione di alcuni caratteri. Così come per i display a 7 segmenti è presente, in entrambi i tipi di display, il punto.

Nel caso di applicazioni di tipo grafico è opportuno l’utilizzo di display a matrice di punti: essi rappresentano la soluzione più versatile, consentendo anche di visualizzare

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ogni tipo di carattere e simbolo. In genere l’elemento minimo disponibile in commercio per rappresentare un singolo carattere è costituito da matrici di led 5 x 7 , 5 x 8 e 8 x 8.

Nella figura successiva (fig. 1) vengono mostrati alcuni esempi di display dei tipi sopraccitati reperibili in commercio.

Figura 1 - Esempi di display a 7 segmenti, 14 segmenti, 16 segmenti e a matrice 5x7.

2.2.2 Ambito di utilizzazione dei display a LED

Nel capitolo precedente è stato evidenziato il ruolo che ha assunto oggi il LED. Grazie all’enorme passo avanti di questa tecnologia in termini di efficienza, affidabilità, intensità di luce emessa e numero di colori generabili, i display a LED hanno trovato un largo impiego in applicazioni ove, fino a qualche anno fa, la loro presenza era pressoché assente.

I campi di utilizzazione sono molto vasti, di seguito elenchiamo quelli tipici:

Full color video: recentemente hanno subito forti sviluppi, grazie ai progressi che hanno interessato i led per quanto riguarda la luminosità e i colori. Si riescono a realizzare schermi anche giganti (da interno o da esterno) adatti ad esempio in centri commerciali, stadi, show room, etc.

Pannelli a scopo pubblicitario: rappresentano una grossa fetta del mercato dei display a LED. Grazie alla possibile varietà di colori e agli effetti che possono essere tipicamente attribuiti al contenuto del display (scrolling, flashing, wiping, etc.) gli utenti riescono a percepire con maggiore attenzione i messaggi visualizzati (fissi o variabili), con evidenti vantaggi dal punto di vista pubblicitario.

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Informazioni agli utenti: anche questo campo di utilizzazione è molto vasto. Tutt’oggi ha assunto un ruolo fondamentale ad esempio nei mezzi di trasporto (per l’identificazione della località di arrivo o per informazioni ai passeggeri), nei luoghi pubblici (per informazioni di varia natura, ad esempio data e ora, condizioni meteorologiche), nelle industrie (ad esempio come contapezzi, informazioni per il personale,etc.).

Segnalazioni stradali: grazie alla forte luminosità dei LED utilizzati, i display a LED sono ottimi per consentire una perfetta visibilità anche in pieno sole. Sono adatti alla visualizzazione di immagini e simboli a colori sia su postazioni fisse che mobili.

Nel paragrafo successivo si prenderà in considerazione un parametro molto importante nella scelta di un pannello a LED, che ne influenza molto le caratteristiche: l’ambiente (interno o esterno) a cui è destinato il suo impiego.

2.2.3 Display indoor e outdoor

Il luogo di utilizzo di un display è un parametro importante al fine di ottenere risultati ottimali. Infatti un pannello da utilizzare in ambienti esterni dovrà presentare maggiori accorgimenti rispetto ad uno da interno.

Un primo motivo è dato dal fatto che dovrà sopportare le condizioni atmosferiche avverse senza subire danni: di conseguenza sarà indispensabile che i materiali a contatto con gli agenti atmosferici siano ben resistenti.

Un secondo motivo è costituito dalla necessità di fornire una sufficiente visibilità anche in condizioni di piena luce: è per questo che i pannelli da esterno hanno una luminosità superiore di qualche decina di volte rispetto a quelli da interno.

Un altro aspetto da non trascurare è rappresentato dal fatto che i led utilizzati nei display da interno non sono in genere progettati specificatamente per subire per lunghi tempi una radiazione di luce diretta. Infatti i raggi UV che colpiscono il contenitore plastico del LED, ne modificano le proprietà (lo rendono più scuro), riducendone drammaticamente la luminosità. Per tale motivo, per pannelli da esterno (quindi sempre esposti in modo diretto a raggi UV) vengono usati dei LED progettati appositamente per tale scopo.

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Un’altra tipica differenza tra pannelli indoor e outdoor è rappresentata dal campo di visibilità del display. Infatti, in genere, i display outdoor devono consentire una leggibilità ad una distanza superiore rispetto ad un indoor. La conseguenza diretta consiste nella necessità di utilizzare display di dimensioni maggiori.

2.3 Dispositivi commerciali : caratteristiche principali e prezzi.

In commercio esiste una vastissima varietà di pannelli che utilizzano display a LED, creati da molte industrie. Di conseguenza sarebbe impossibile elencare tutte le caratteristiche dei pannelli a LED esistenti in commercio. Tuttavia la quasi totalità dei prodotti sul mercato presenta caratteristiche simili tra loro. In questo paragrafo verranno fornite alcune di queste caratteristiche principali (compresi i prezzo di listino), concentrando l’attenzione sui display alfanumerici e grafici (monocromatici e a colori).

Tutti i pannelli a LED devono essere dotati di un’interfaccia di comunicazione, attraverso la quale è possibile fornire al dispositivo tutte le informazioni occorrenti alla corretta visualizzazione di ciò che l’utilizzatore vuole mostrare nel display: esse saranno rappresentate dai caratteri da visualizzare (nei display alfanumerici) o da informazioni sui pixel da accendere o meno (nei display grafici). Oltre ai dati veri e propri, che poi verranno mostrati nel display, è in genere possibile fornire anche degli effetti particolari (come ad esempio scrolling, flashing, bold nel caso di testo, etc.) che consentono di rappresentare oggetti non statici. L’interfaccia base utilizzata dalla maggioranza dei costruttori è rappresentata da un protocollo seriale RS-232. Alcuni costruttori includono nel prezzo il software necessario alla comunicazione, altri lo considerano a parte (il prezzo del software si aggira in genere tra i 50 € e 100 €). Solitamente i costruttori non si limitano a permettere solo l’uso dell’interfaccia seriale. Alcuni predispongono il pannello all’utilizzo di altre interfacce di comunicazione (in genere non incluse nel prezzo). Nel seguito vengono riportate le interfacce tipicamente utilizzate, facendo riferimento ai prezzi di vendita 1 (IVA esclusa).

• Interfaccia USB: a volte viene utilizzata in alternativa all’interfaccia RS-232.

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• Interfaccia PS/2: spesso viene fornita in dotazione insieme alla porta seriale, permette la connessione ad una tastiera con connettore PS/2.

• Interfaccia a infrarossi: tipicamente la comunicazione avviene per mezzo di una tastiera infrarossi (il cui costo aggiuntivo è di circa 70 €).

• Interfaccia modem per connessione analogica: molto utile in certe situazioni, permette di aggiornare le informazioni visualizzate dal display in maniera remota attraverso una connessione telefonica (costo aggiuntivo intorno ai 160 €).

• Interfaccia modem per connessione GSM: anche questo sistema può risultare efficace in certi casi, ad esempio quando la zona in cui si trova il pannello non è raggiunta dalla linea telefonica (il costo aggiuntivo è di circa 380 €).

• Interfaccia LAN: consente di assegnare un indirizzo IP al display. Ciò permette di gestire più pannelli connessi in rete, discriminandoli attraverso l’indirizzo IP stesso (costo aggiuntivo intorno a 380 €).

• Modulo Bluetooth: permette il collegamento ad un pc posto a breve distanza (tipicamente entro i 100 m all’aperto) in modalità wireless (costo circa 190 €). Esistono poi altri moduli di comunicazione che consentono di visualizzare (spesso in abbonamento) informazioni quali news, condizioni meteorologiche, etc. in modo automatico e in tempo reale.

Un’altra caratteristica importante è rappresenta dalle dimensioni del display e dal numero di pixel totali di cui esso è costituito: esistono display dalle dimensioni più disparate, sia piccoli che giganti. Come è naturale, il costo del dispositivo dipende in maniera diretta dalle dimensioni e dal numero dei pixel. La scelta di questi due parametri sarà funzione delle necessità dell’utente e del luogo di utilizzazione del pannello.

Per i display alfanumerici, inoltre, un parametro importante è costituito dal numero di righe di cui il display stesso è formato (caratteristica legata alle dimensioni e al numero di pixel): esistono in commercio display monoriga, così come display multiriga. Anche in questo caso c’è una relazione stretta tra numero di righe e costo.

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Un’altra caratteristica che riguarda sia i display alfanumerici che quelli grafici, è il numero di colori visualizzabili: mentre anni fa la scelta del colore si limitava solamente a rosso, ambra e verde, i display attuali permettono una scelta assai più vasta. In generale in commercio esistono display monocolor e multicolor. Tra i display monocolor sono di solito disponibili i colori rosso, ambra, giallo, verde, blu, bianco. Invece i display multicolor sono in genere costituiti da led bicolori (rosso e verde, che permettono di generare tipicamente 256 combinazioni di colore) e tricolori (rosso, verde e blu, con i quali si realizzano display full color). Il numero di colori ovviamente và ad incidere significativamente sul prezzo.

Per concludere il paragrafo andiamo a fornire alcuni prezzi di listino di display commerciali monocolor e multicolor. Nella tabelle seguenti viene effettuato un confronto caratteristiche-prezzo di alcuni modelli di pannelli a led presenti in commercio prodotti da tre diverse aziende 2.

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Nella tabella 1 vengono indicati i prodotti relativi all’azienda TECH s.r.l. mentre in tabella 2 quelli delle aziende Led Signs Online e ElectronicDisplay Inc.

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MODELLO WD ROSSO MEDIUM WD BLU MEDIUM WD TRI MEDIUM

Tipo informazione Solo testo Solo testo Solo testo

Dim. esterne (L*H*P) 660 x 100 x 40 mm 660 x 100 x 40 mm 660 x 100 x 40 mm

Peso 2,5 Kg 2,5 Kg 2,5 Kg

Pixel 1 led super bright 1 led super bright 1 led super bright

Passo 7,6 mm 7,6 mm 7,6 mm

Risoluzione 72 x 7 pixel 72 x 7 pixel 72 x 7 pixel

Area visibile 650 x 50 mm² 650 x 50 mm² 650 x 50 mm²

Visibilità Fino a 20 mt Fino a 20 mt Fino a 20-25 mt

Numero di righe 1 1 1

Numero di caratteri 14 14 12

Numero pixel tot. 504 504 504

Numero di led tot. 504 504 1008

Colori 1 (rosso) 1 (blu) 8

Numero effetti 8 11 5

Orologio + datario Si Si Si

Software incluso No (costo 54 €) No (costo 54 €) No (costo 54 €)

Prezzo di listino 361 € 496 € 361 €

Tabella 1 - Comparazione tra alcuni pannelli a LED reperibili in commercio dell’azienda TECH s.r.l. (i prezzi sono IVA esclusa).

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MODELLO LSO-216C LSO-418C EDV111-1680-MC

Tipo informazione Testo+ immag salvate Testo + grafica Testo + grafica

Dim. esterne (L*H*P) 716.3 x 116.8 x 55.9 mm 1346 x 203 x 127 mm 660 x 165 x 82.5 mm

Peso n.d. n.d. 5.9 Kg

Pixel Led multicolor Led multicolor Led multicolor

Passo n.d. n.d. n.d.

Risoluzione 80 x 7 pixel 72 x 7 pixel 80 x 16

Area visibile 622.3 x 53.3 1219 x 101.6 n.d.

Visibilità Fino a 30 m Fino a 30 m Fino a 60 m

Numero di righe 1 1 1 o 2

Numero di caratteri 16 16 8, 13 o 16

Numero di pixel tot. 560 665 1280

Numero di led tot. 560 665 1280

Colori 16 14 16

Numero effetti 24 n.d. 41

Orologio + datario Si Si Si

Software incluso Si Si Si

Prezzo di listino 693 € 1638 € 832 €

Tabella 2 - Caratteristiche di alcuni pannelli a led in commercio (da LED Signs OnLine:modelli LSO216-C e LSO418-C; da Electronics display: modello EDV111-1680-MC)

2.4 Caratteristiche del dispositivo oggetto di studio e confronto con dispositivi commerciali

In questo paragrafo, dopo aver esposto le motivazioni che hanno portato alla realizzazione dell’intero progetto, verranno prese in esame le caratteristiche principali

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ad esso relative; per concludere saranno fornite indicazioni circa il costo di realizzazione del prototipo oggetto di studio.

Avendo a disposizione un display lcd Matrix Orbital di piccolo formato (un GLK12232-25SM 3), ha tratto particolare interesse la sua caratteristica di poter elaborare comandi di tipo grafico, oltre alla possibilità di visualizzare testo e immagini salvate all’interno della sua memoria. Il modulo lcd riceve i comandi da un sistema esterno (ad esempio un pc) attraverso l’interfaccia RS-232 (o I2C), e li elabora grazie al microcontrollore di cui esso è dotato. Questi comandi grafici a cui si fa riferimento, sono relativi alle seguenti operazioni:

• Accendere o spegnere un pixel avendo fornito le sue coordinate

• Tracciare un segmento di retta (con pixel accesi o spenti) a partire dalle coordinate dei suoi due estremi

• Tracciare il contorno di un rettangolo o un rettangolo “pieno” (con pixel accesi o spenti) fornendo due dei vertici opposti

• Inizializzare fino a 16 grafici a barre (di 4 tipi) e visualizzarli nel display.

Oltre a questi comandi grafici, permette di visualizzare testo con differenti font, di salvare e visualizzare bitmaps, e di gestire una tastiera a matrice.

A seguito dell’interesse rivolto al display Matrix Orbital, è venuta l’idea di effettuare una ricerca di mercato per valutare se in commercio era disponibile un dispositivo con queste caratteristiche ma che utilizzasse un display a LED. Da una ricerca relativa ai pannelli LED presenti in commercio, non è stato individuato un oggetto che avesse capacità proprie di elaborazione di comandi di tipo grafico del tipo che è stato descritto. Infatti nei dispositivi commerciali viene tipicamente prevista la possibilità di visualizzare informazioni testuali e in alcuni è anche possibile salvare e visualizzare delle immagini. Tuttavia nessuno degli oggetti esaminati presentava le caratteristiche desiderate.

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Nel capitolo 3 saranno fornite le caratteristiche principali del display lcd Matrix Orbital GLK12232-25SM.

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Da qui è nata l’idea di progettare e realizzare un prototipo di display LED con caratteristiche simili rispetto a quelle dei display Matrix Orbital.

Il display LED si presenta come un display grafico (ma è dotato anche di una modalità testuale) costituito da una matrice di led 125 x 28 a luce monocromatica di colore rosso compatibile con il display Matrix Orbital GLK12232-25 (e con quelli appartenenti alla stessa famiglia). E’ provvisto di una porta seriale che utilizza il protocollo RS-232, attraverso la quale può comunicare con un calcolatore per il trasferimento dei dati. Può importare delle bitmaps, salvarle in memoria eeprom e visualizzarle. Inoltre è possibile salvare diversi tipi di font e manipolarli attraverso un software freeware fornito dalla stessa Matrix Orbital

Per quanto riguarda le dimensioni, la matrice di led presenta una lunghezza di 31.8 cm ed un’altezza di 7.1 cm, mentre l’intero oggetto è circa 32 cm di lunghezza e 16 cm di altezza. Il numero di pixel totali è pari a 3500.

Per ciò che riguarda il costo di realizzazione per il singolo prototipo sono stati spesi all’incirca 350 € (IVA esclusa). Sulla spesa incide particolarmente il costo dei led necessari alla realizzazione della matrice di visualizzazione. Per il prototipo realizzato sono stati utilizzati dei moduli 5 x 7 Kingbright ad alta efficienza: il costo sarebbe stato sensibilmente superiore se si fossero utilizzati moduli ad alta luminosità. Per tale motivo, almeno per il prototipo realizzato, è previsto un utilizzo in ambienti interni.

Pensando ad una possibile produzione in serie del dispositivo, grazie al fatto che i componenti verrebbero acquistati in grandi volumi, si potrebbe ottenere un risparmio considerevole nel costo di questi ultimi (possiamo stimare indicativamente un fattore 2-4). Naturalmente la produzione in massa e l’introduzione sul mercato comporterebbero altre spese oltre al solo costo dei componenti, quindi sarebbe necessaria un’analisi accurata per poter valutare il costo totale di un singolo dispositivo e di conseguenza il prezzo di vendita. Tuttavia, sulla base del prezzo di vendita di alcuni pannelli a led presi in esame, e tenendo presente che nella fascia di mercato dove si andrebbe a piazzare il dispositivo progettato l’offerta è scarsa (se non assente), è verosimile pensare ad un possibile vantaggio di natura economica nella commercializzazione del display progettato (anche se non è stata prevista la predisposizione per altre interfacce di comunicazione che, in alcune circostanze, potrebbero risultare molto utili).

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È importante notare che display di dimensioni così ridotte e dal pitch così contenuto (diametro del singolo led uguale a 2 mm e distanza tra pixel pari a 2.54 mm) non sono di facile reperibilità, anche tra i vari modelli di pannelli led che sono stati presi in esame.

2.5 Possibili applicazioni del display oggetto di studio

Il dispositivo realizzato in questa tesi può essere utilizzato in un gran numero di applicazioni. Ciononostante, date le dimensioni ridotte, risulta poco idoneo in quei casi in cui sia necessario disporre di una buona visibilità da distanza molto elevata.

L’utilizzazione classica può essere quella a scopo pubblicitario: data la possibilità di visualizzare testo e grafica, può avere un impatto positivo in termini di attrazione per il pubblico. Altro modo di utilizzo potrebbe essere quello in cui si debbano rappresentare informazioni (di varia natura) agli utenti, come, ad esempio, fornire un grafico corredato da dati numerici relativo all’andamento di una qualche attività in funzione del tempo (titolo di borsa, costo di un prodotto, etc.). Un altro settore in cui si potrebbe trovare applicazione risulta il campo dei trasporti, (soprattutto in caso di utilizzo all’interno dei mezzi) per fornire informazioni ai passeggeri sul percorso, sul numero di posti disponibili, etc.

Un ulteriore utilizzo di questo display potrebbe essere nell’ambito degli ausili per ipovedenti. Infatti, data la possibilità di visualizzare testo e grafica, le dimensioni e la risoluzione abbastanza elevata (125 x 28 con distanza tra pixel pari a 2.54 mm), è possibile rappresentare informazioni con una buona accuratezza dalla breve-media distanza. Questo ne consentirebbe un utilizzo nelle strutture di istruzione ad un costo contenuto. Una possibile limitazione per questo tipo di uso è dovuto al fatto che il display è in grado di rappresentare testo e grafica con luce monocromatica, mentre sarebbe più completo se avesse la possibilità di rappresentare anche oggetti a colori (in tal caso il costo sarebbe ovviamente più elevato).

Naturalmente sono state elencate solo alcune delle possibili applicazioni di questo dispositivo. Sarà poi l’utente a personalizzarne l’utilizzo secondo le proprie esigenze, avendo la possibilità di rappresentare facilmente ogni tipo di informazione (solo testo, solo grafica, testo e grafica).

Figura

Figura 1 - Esempi di display a 7 segmenti, 14 segmenti, 16 segmenti e a matrice 5x7.
Tabella 1 - Comparazione tra alcuni pannelli a LED reperibili in commercio dell’azienda TECH s.r.l
Tabella 2 - Caratteristiche di alcuni pannelli a led in commercio (da LED Signs OnLine:modelli LSO216-C  e LSO418-C; da Electronics display: modello EDV111-1680-MC)

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