Charlieplexing: 6 светодиодов на 3 пинах

Панель режимов на самодельном приборе: шесть светодиодов, а свободных пинов осталось три — всё съели шина и сервопривод. Сдвиговый регистр из урока про 74HC595 и shiftOut — верный путь, но ради шести огоньков тащить микросхему, резисторы и лишние провода жалко, когда вся техника помещается в шести строчках pinMode. Charlieplexing — приём, которым производители бюджетных игрушек пользуются десятилетиями: три пина, шесть диодов, ноль микросхем, и каждый диод сидит между парой пинов напрямую.

Идея вырастает из свойства пина, о котором забывают: у него три состояния, а не два. OUTPUT HIGH, OUTPUT LOW — и INPUT, который по факту Hi-Z, «отключён»: мегаомное сопротивление, ток не течёт. Чтобы зажечь диод между пинами A и B, пин A становится OUTPUT HIGH, пин B — OUTPUT LOW, а третий пин уходит в INPUT (Hi-Z) и из схемы выпадает. Смена направления пина на лету — pinMode туда-сюда посреди loop() — и есть вся магия техники.

Арифметика прироста: N пинов несут N·(N−1) диодов — 3 пина дают шесть, 4 пина двенадцать, 5 пинов двадцать. План урока: таблица адресации и код с перестановкой pinMode, мультиплексирование с инерцией зрения и расчёт duty, цена техники — сквозной ток при забытом Hi-Z и размытые фазы, если позвать delay() в середине кадра.

Разберём, почему Hi-Z выпадает из схемы. Диод между D9 и D10, анодом к D9. Зажигаем: D9 — OUTPUT HIGH, D10 — OUTPUT LOW, ток идёт через диод. Третий пин D11 — INPUT: внутри него не выход, а вход с мегаомным сопротивлением. Через D11 ток не потечёт ни в какую сторону: в сторону D10 его диод развёрнут навстречу, а в сторону D9 у D11 нет выхода — он вход. Схема видит два активных пина и одного призрака. Стоит же оставить D11 в OUTPUT LOW — он станет вторым катодом: через диод D9→D11 потечёт лишний ток, загорятся два огонька сразу, а резистор на пинах один — вот тебе и сквозной ток, об этом ниже отдельным примечанием.

Встречная пара — сердце техники. Между D9 и D10 сидят два диода навстречу друг другу: анод-катод и катод-анод. D9 HIGH / D10 LOW зажигает первый, D10 HIGH / D9 LOW — второй. Каждая пара пинов несёт два диода, пар на трёх пинах три: D9-D10, D10-D11, D9-D11 — шесть адресов. Обратная сторона: диод между D9 и D11 горит, только пока D10 в Hi-Z — сделаешь D10 OUTPUT LOW, и он перетянет потенциал на себя: сосед подмигнёт, нужный потускнеет. Отсюда железное правило: активна ровно одна пара пинов, все остальные — INPUT.

Шесть диодов одновременно без потери яркости не зажечь — светят по очереди, по фазе на кадр. Инерция зрения (persistence of vision) держит картинку примерно 40 мс: кадр из шести фаз по 3 мс укладывается в 18 мс — глаз видит все шесть горящими разом. Duty каждой фазы — 1/6, поэтому для былой яркости пик тока поднимают вшестеро: вместо 5 мА — 30 мА пиковых; средний ток не меняется, считай по уроку про ШИМ и analogWrite. А переключение фаз веди на millis() из урока про millis() вместо delay(): delay() внутри кадра размазывает фазы и роняет яркость — разберём ниже.

Разбор по строкам. svetOdin() начинается с зачистки: все три пина уходят в INPUT — так прошлая фаза гарантированно мертва, и никакой третий пин не притянет потенциал. Дальше две строки зажигания: анод — OUTPUT HIGH, катод — OUTPUT LOW; третий пин остаётся INPUT, и ток идёт ровно по одному пути. Резисторы ставь по одному на каждый пин (три штуки по 100-220 Ом при 5 В) — ток течёт через пару, и один резистор всегда в цепи, где бы ни горел диод. Резистор в разрыв каждого диода вместо пинных шести не нужен: встречные пары не горят одновременно.

Про яркость и пики тока. Статичный огонёк из скетча жрёт полный ток: (5 В − 2 В на диоде) / 150 Ом ≈ 20 мА — предел комфортный для пина ATmega, datasheet обещает до 40 мА абзацем выше рекомендуемых. Мультиплекс шестёрки ставит duty 1/6: чтобы средний ток диода вернулся к былым 5 мА, пик нужен 30 мА — впритык к разумному, ещё один диод на этих трёх пинах — и резисторы придётся ужесточать, а яркость терять. Отсюда моё мнение: charlieplexing — территория до десятка диодов; дальше честнее 74HC595 из соседнего урока.

Фазы против delay(). Статичная демонстрация с delay(500) жива, но гирлянда на millis()-планировщике фазы не размазывает: кадр 18 мс из шести фаз по 3 мс — и loop() свободен. Хочешь ещё стабильнее — переложи смену фаз в прерывание таймера, карта в обзоре таймеров ATmega328. Кнопку листания кадров обрабатывай по уроку про антидребезг четырьмя способами — дребезг на переключателе фаз выглядит как пропущенный кадр, и искать его в гирлянде мучительно.