Светодиодный аудиовизуальный дисплей: 8 ступеней

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:51

Подпишитесь на другие сообщения автора:

[ВНИМАНИЕ: МИГАЮЩИЕ СВЕТИЛЬНИКИ В ВИДЕО]

Светодиодные матрицы RGB - распространенный проект для любителей, которые хотят поэкспериментировать со световыми дисплеями, но часто они либо дороги, либо ограничены по размеру и конфигурации. Целью этого проекта было создание реконфигурируемого дисплея, который мог бы работать как отдельный элемент или как интерактивный дисплей, управляемый с консоли с помощью набора джойстиков и кнопок. Дисплей может иметь множество компоновок, от матричного формирования до более статичной декоративной линейной полосы.

Прикрепив набор аудиодатчиков, кнопок и джойстиков, дисплей можно было переключать между интерактивным и автоматическим режимами с настраиваемыми цветами, эффектами, режимами, скоростью, яркостью и узорами.

Пользователи могут переключаться между режимами и конфигурациями, используя кнопки MODE и CONFIG, используя джойстик и кнопку SELECT, чтобы делать свой выбор. Текущий выбор пользователя отображается на ЖК-экране 16x2 в центре консоли.

В этом проекте использовалась светодиодная лента, состоящая из 250 светодиодов, но код можно легко изменить, чтобы учесть полосу любого размера.

Режимы

• Игры: в игры можно играть, используя светодиодную матрицу в качестве экрана.
• Шум: светодиоды загораются в зависимости от уровня и частоты шума окружающей среды.
• Цвет: светодиоды, используемые в качестве источника света, отображающего заранее заданную цветовую палитру.
• Дождь: падающий дождь световые эффекты

Конфигурации режимов

• Цвет - установка цветовой палитры полосы.

  • Флаг гордости - радуга
  • Trans Flag - синий, розовый, белый
  • Огонь - красный, оранжевый, желтый
  • Светлый - Белый

• Стиль - устанавливает эффект отображения полосы.

  • Блокировка - если в режиме цвета цвета светодиодов остаются постоянными, в режиме шума это приводит к тому, что для всех светодиодов устанавливается самое последнее значение цвета шума, создавая эффект мигания.
  • Мерцание - альтернативные светодиоды колеблются, гаснут и гаснут.
  • Дорожка - в режиме «Цвет» цветовая схема светодиодов перемещается по полосе. В режиме шума он заставляет цвета шума перемещаться по полосе в виде движущейся волны.

• Эффект дождя - как создаются модели дождя

  • Случайно - новые полосы дождя располагаются случайным образом, а узор меняется.
  • Постоянный - рисунок дождя повторяется.

• Игра - В какую игру вы можете играть на матрице

  Snake - Viva la Nokia, играть можно только тогда, когда полоса находится в конфигурации матрицы

• Цвет эффекта - какой источник цвета используется в эффектах?

  • Набор цветов - эффекты (например, дождь) выбирают случайный цвет из установленной цветовой палитры.
  • Noise Freq - Эффекты при генерации приобретают цвет, соответствующий текущей частоте шума.
  • Уровень шума - Эффекты при генерации приобретают цвет, соответствующий текущему уровню шума.

• Размер - Как устроен дисплей?

  • 250x1 полоса
  • Матрица 50x5
  • Матрица 25x10

Скорость и яркость

Управляется поворотными аналоговыми потенциометрами для изменения яркости светодиодов и скорости обновления дисплея. Это во многом влияет на интенсивность световых эффектов и сложность игр.

Состояние строба и светодиода

Верхний левый переключатель консоли позволяет отключать светодиоды в качестве опции при настройке дисплея. Нижний левый переключатель включает эффект стробоскопа, при этом дисплей мигает с заданной скоростью.

Шаг 1. Требования

Компоненты:

• Доска для хлеба ~ 5 фунтов стерлингов
• StripBoard ~ 10 фунтов стерлингов за набор 5
• Arduino Mega (подойдет любой клон) ~ 20 фунтов стерлингов
• 2 резистора потенциометра 1M
• Полоса 300 RGB с индивидуальной адресацией ~ 30 фунтов стерлингов
• Заголовки контактов ~ 5 фунтов стерлингов
• 10x 10K, 1x 300 резисторов
• ЖК-модуль I2C ~ 5 фунтов стерлингов
• Джойстик с 4 переключателями ~ 10 фунтов стерлингов
• Аудио датчик ~ 5 фунтов стерлингов
• Конденсаторы 1x 1 мкФ, 1x 10 мкФ, 1x 100 нФ
• 3x (мгновенные) кнопки. Рекомендации: Аркада, Мини ~ 3 фунта стерлингов
• 2x переключателя. Рекомендации: Переключить ~ 5 фунтов стерлингов
• Разъем питания
• Коробка ~ 20x20x15см - Картон проще всего, но если у вас есть доступ к лазерному резаку, вы сделаете это.

Мои рекомендации по джойстику / кнопкам были чисто стилистическими, после аркадной темы; подойдут переключатели мгновенного действия любой природы. Можно получить более дешевые джойстики, которые сообщают о своем положении с помощью аналоговых сигналов, генерируемых с помощью 2 потенциометров (по одному для каждой оси). Если вы готовы изменить код, вы можете использовать такие джойстики для большого пальца.

Хотя я использовал минимальный процент контактов ввода-вывода Arduino Megas, он был выбран из-за большего размера динамической и программной памяти, для чего Arduino Uno оказался недостаточным.

Выбор LEDStrip

В качестве светодиодной ленты я использовал гибкую светодиодную ленту WS2813 с индивидуальной адресацией 300 RGB. модернизированная версия WS2812, этот формат, хотя и немного дороже, улучшает WS2812 с двойной передачей сигнала, что означает, что если один светодиод перестает работать, остальная часть полосы после этого все еще работает. Таким образом, он имеет 4 контакта: 5V, GND, DI (ввод данных) и BI (резервный вход).

Общая стоимость: ~ 100 фунтов стерлингов

Оборудование:

• Паяльник + припой
• Мультиметр (необязательно, но рекомендуется)
• Кусачки и стрипперы
• Проволока: желательно одножильная, гибкая (ПАРТИИ)
• Скальпель
• Линейка / Карандаши
• 1x источник питания 5 В
• Ручные отвертки
• Принтер A - B USB-кабель

Программное обеспечение:

IDE Arduino

Навыки и умения:

• Пайка
• Немного опыта Arduino, но абсолютно необходимо

Шаг 2: Схема и код

Этот проект состоял из 2 потенциометров, 1 аудиодатчика, 1 светодиодной ленты, 3 кнопок мгновенного действия, 1 джойстика (4 кнопки мгновенного действия), 1 ЖК-модуля и 2 переключателей.

Я рекомендую убедиться, что вы разбираетесь в проводке и настраиваете базовую схему на макетной плате, прежде чем припаивать электронику к монтажной плате на следующем этапе, чтобы обеспечить долговечность. По крайней мере, вы должны иметь возможность подключить различные контакты Arduino к значениям по умолчанию HIGH (5V) / LOW (GND) и поэкспериментировать с различными исходными настройками LEDStrip в коде (это отмечено - см. Шаг кода), чтобы увидеть некоторые предварительные световые эффекты.

Аудио схема

Звуковая схема обсуждается на следующем шаге и необходима только в том случае, если вам нужны звуковые эффекты, в противном случае вы можете просто подключить выводы аналогового входа AUDIO A0, A1 к GND через понижающий резистор (~ 300 Ом). Эта схема пытается извлечь частоту и громкость измеренного звука, давая два разных входных значения для управления аудиовизуализацией, например. высота (объемная амплитуда) и цвет (частота).

Светодиодная полоса

Я приложил лист данных на полосу WS2813, это идеальная проводка. Вывод BI можно подтянуть вниз через резистор к земле, а конденсатор должен быть подключен между GND и + 5V и размещен рядом с полосой. Это сглаживает внезапные изменения в потребляемом токе полосы, например, если есть внезапное большое увеличение, когда все светодиоды включаются, конденсатор, использующий накопленный заряд, может обеспечить его быстрее, чем Arduino, уменьшая нагрузку на компоненты платы.

Полоса управляется с помощью библиотеки FASTLED (подробности см. В шаге кода) и подключается к выводу 5.

ЖК-модуль

В ЖК-модуле, который я рекомендовал, используется внутренняя схема, поэтому для него требуется только 2 входных контакта, что значительно упрощает его впаивание в схему. Подключается к контактам SCL, SDA.

Потенциометры

Потенциометры - это переменные резисторы, которые позволяют вам контролировать напряжение, измеренное на внутреннем выводе, Arduino может считывать это как аналоговое значение. Я использовал их как интерактивный способ ручного управления скоростью и яркостью дисплея, и они подключены к аналоговым входным контактам: A3, A2.

Внешнее питание

Для небольших проектов (<20 светодиодов) Arduino может получать питание только через USB, но для этого более крупного варианта использования (250 светодиодов) из-за большой потребности в токе требуется внешний источник питания + 5 В. Я запитал Arduino через внешний разъем, подключенный к GND и VIN Arduino. При питании только через USB цвета светодиодов будут искажаться, и ЖК-экран не будет полностью освещен.

Кнопки / переключатели / джойстик

В нейтральном положении контакты INPUT кнопок подтянуты к GND, и Arduino считывает цифровой НИЗКИЙ уровень, но при нажатии контакты подключаются к + 5V, считывая цифровой ВЫСОКИЙ уровень. См. Здесь типичный пример кнопки Arduino. Эти считанные значения могут использоваться в качестве условных логических значений для программы, вызывая выполнение различных сегментов кода. Кнопки / переключатели подключены к следующим контактам цифрового входа: Mode / Config: 3/2. Джойстик L / R / U / D: 11.10.13.12. Выберите: 9.

Шаг 3: звуковые эффекты

Самой сложной частью схемы был преобразователь звукового напряжения в частоту. Я следовал схеме, показанной выше (см. Здесь для получения дополнительной информации). Некоторые изменения конденсатора, значений сопротивления могут потребоваться в зависимости от силы вашего аудиосигнала. В приведенном примере использовался переменный сигнал 12 В, я нашел хорошие результаты, используя 3,3 В в качестве напряжения питания и подавая 5 В на аудиодатчик.

Я извлек из этой схемы два сигнала: частота (VOUT) и громкость (V2 +).

Полезные заметки

Конденсаторы большего размера (порог примерно выше 1 мкФ, некерамические) поляризованы, в их число входят электролитические конденсаторы, в которых ток течет от + к - стороне. На схеме я отметил направление, в котором они должны быть расположены.

Транзистор, используемый в этой схеме, - PNP, эти транзисторы позволяют току течь от эмиттера к коллектору, когда к их базе применяется отрицательная полярность относительно эмиттера.

Печаль # 1

Изначально я пытался подавать звук в схему через аудиоразъем, мечтой было подключить звук прямо с телефона. К сожалению, полученный сигнал оказался слишком слабым, и после недели попыток заставить его работать я прибегнул к использованию модуля звукового датчика. Я уверен, что есть методы усиления, которые я мог бы использовать, и это определенно основная проблема моего проекта, которую я постараюсь исправить в будущем.

Шаг 4: Дизайн и создание консоли

Дизайн моей консоли был вдохновлен аркадами старой школы с ретро-джойстиком, кнопками и тумблерами. Я построил его из старой картонной коробки для наушников (у накопления есть свое применение); это было очень эффективно, так как внутренняя подкладка коробки была поролоновой, поэтому, когда она была вывернута наизнанку, она производила приятный эффект полировки.

1. Нарисуйте общий план нужной консоли.
2. Измерьте и отметьте положение различных компонентов в верхней части коробки. Убедитесь, что вы сделали внутренние измерения кнопок / переключателей / джойстиков, так как вы хотите, чтобы зазоры были достаточно большими, чтобы протолкнуть компоненты, но при этом их внешние края при этом цеплялись за картон. Я рекомендую использовать скальпель, чтобы вырезать эти отверстия, но острые ножницы в сочетании с отвертками для круглых отверстий должны помочь. Режьте медленно, пытаясь подогнать компонент и постепенно увеличивая размер зацепов, выполняйте по одному компоненту за раз.
3. Для более крупных компонентов, таких как джойстик и ЖК-дисплей, я рекомендую ввернуть несколько гаек / болтов через верх консоли, чтобы надежно удерживать их на месте.
4. Вырежьте три отверстия в нижней части задней части консоли, они будут для входа питания, USB-входа для дополнительного программирования выходного разъема Arduino и LEDStrip.

Лучшие советы

Я рекомендую предварительно припаять каждый из металлических разъемов компонентов перед тем, как помещать их в консоль, чтобы облегчить доступ и снизить риск возгорания картона.

Шаг 5: Схема пайки

Вам понадобится кусок полосовой доски размером не менее 25 рядов на 20 столбцов. Однако, выбрав тот, который больше, вы сможете прикрепить свой микроконтроллер к Stripboard рядом с проводами, это означает, что единственными нестабильными соединениями будут соединения между Stripboard и компонентами, прикрепленными к поверхности консоли. Что важно на каждом этапе этого процесса, так это там, где это возможно, снизить нагрузку на любую проводку, чтобы обеспечить долговечность конечного продукта.

Я использовал заголовки контактов, чтобы аккуратно организовать провода в группы и подключить их к Arduino таким образом, чтобы их можно было легко отсоединить для отладки.

Я частично поддерживал Stripboard, удерживающий самые тяжелые схемы, используя веревку / провод, чтобы соединить его с внутренней стенкой картонной коробки.

Основное питание и провода LEDStrip, которые выходили из консоли, имели разъемы для промежуточных проводов, которые можно было отсоединить, это означало, что провода можно было пропустить через отверстия в нижней части консоли и при этом позволить коробке открываться.

Паяльные наконечники

Зажим для удержания проводов / монтажных плат во время пайки значительно упростит процесс. Всегда предварительно припаяйте каждый провод, прежде чем пытаться их соединить.

Советы по макету

Все провода (идущие к контактам Arduinos) расположены на краю платы.

Если возможно, использование проводов разного цвета в соседних рядах поможет избежать путаницы с проводкой.

GND, + 3,3 В, + 5,5 В всегда следует размещать в крайних рядах, для облегчения идентификации размещение GND и + 3,3 / 5 В на противоположных краях помогает предотвратить возможное короткое замыкание, но лично я не стал беспокоиться и поместил их в верхние 3 ряды. Компоновка консоли может частично определять порядок строк проводов, соседние компоненты сопоставляются с соседними строками, номера PIN в Arduino IDE всегда можно переписать.

Припаяв все контакты + 5V кнопок / резисторов вместе на задней панели консоли друг к другу в гирляндной цепи, требуется только один провод + 5V между Stripboard и верхней частью консоли, что значительно снижает количество уязвимых соединительных проводов. Например, для 4 переключателей джойстика я соединил все их клеммы 5V вместе.

Будьте щедры на длину проводов, которые проходят между Stripboard и консолью, гораздо легче уменьшить позже, чем пытаться увеличить.

Если возможно, используйте гибкий провод между Stripboard и компонентами консоли, это облегчит открытие и отладку консоли позже.

Шаг 6: Расширение 1: светодиодная матрица

При подключении светодиодной ленты к консоли можно отобразить большинство эффектов дождя, цвета, строба и шума, но форма визуализации ограничена. Код позволяет дополнительно конфигурировать дисплей в конфигурациях 250x1, 50x5 и 25x10, что обеспечивает матричную визуализацию. Шум можно отображать в виде движущихся волн, на матрице можно играть в игры, как на экране с низким разрешением. Выбор длины отдельной полосы 25 пикселей был личным, и вы можете выбрать его самостоятельно и установить в коде. Прежде всего я хотел гибкости, чтобы любой графический эффект, который я решил закодировать позже, я мог собрать HW в требуемую компоновку.

Печаль # 2

У меня была мечта - использовать токопроводящие чернила, чтобы нарисовать соединения цепи на картоне, который можно было прижать к соседним концам светодиодных лент.

Преимущества:

1. Выглядит супер круто, и я мог бы использовать картон разного цвета.
2. Я рисую схемы
3. Окончательная настройка, придумайте новую композицию, просто нарисуйте ее.

Недостатки:

1. Это не сработало.
2. Даже не немного.
3. Почему вы могли бы нарисовать от руки достаточно точную проводку, а затем приложить достаточно точное и постоянное давление к сжимаемому материалу, например, картону?

Я утверждаю, что если бы это сработало, это было бы действительно круто, и я лишь частично сожалею о 2 часах, потраченных на это усилие.

Фактическое решение

Я решил использовать систему подключаемых штекерных / гнездовых разъемов, аналогичную тем, которые используются для подключения проводов Stripboard к Arduino. Поочередно размещая M / F на каждом конце, отдельные полоски могут быть необязательно вставлены друг в друга, воссоздавая исходную неразрезанную полоску. Или могут использоваться промежуточные гибкие соединители для проводов, так что полосы можно загибать сами на себя, чтобы сформировать матрицу или любую другую пространственную конфигурацию.

1. Разрезав светодиодную полосу на сегменты, я выбрал 10 полос длиной 25, оставив запасные 50 светодиодов для другого проекта.
2. Припаяйте каждое из медных соединений на каждом конце полосы. Будьте осторожны, чтобы не расплавить пластик, если вы купили пластик с водонепроницаемым покрытием, вам придется вырезать небольшую верхнюю часть с каждого конца.
3. У моей LEDStrip было 4 разъема на каждом конце и 10 полосок, поэтому я вырезал 10 штекерных и 10 женских сегментов заголовка длиной 4. Для каждой полосы я припаял вилку к одному концу и розетку к другому. Убедитесь, что у каждой полоски одинаковые концы, это позволит вам соединить их в гирляндную цепочку.
4. Проверьте соединения, соединив 10 полосок вместе, при необходимости исправьте, добавив пайку.
5. Теперь нам нужны соединители проводов, они будут использоваться для соединения отдельных полос вместе в гибкие конструкции, независимо от того, является ли целью достижение расстояния друг от друга или сборка матрицы. Их длина будет определять, как далеко вы можете разместить каждую непрерывную секцию LEDStrip; отрежьте провод немного длиннее, чем вы хотите, так как при соединении проводов некоторая длина будет потеряна. Отрежьте еще 10 штыревых и 10 гнездовых сегментов заголовка длиной 4. Отрежьте 40 кусков провода (в идеале разноцветного, гибкого), зачистите каждый конец и предварительно припаяйте.
6. Чтобы создать проводное соединение, сначала возьмите 4 провода (в идеале - разных цветов, чтобы можно было определить, какой провод к какому контакту подключается) и припаяйте их к штекерному разъему. Затем вы хотите заплести эти 4 провода, это сохранит проводку в чистоте. После того, как заплетена оплетка (достаточное качество, которое мы здесь ищем), вы можете припаять другие концы к гнезду разъема. Убедитесь, что одинаковые провода припаяны к одним и тем же контактам. Если вся ваша проволока одного цвета, сделайте отметки или используйте мультиметр, чтобы определить, какая проволока какая, так как после плетения она не будет четкой. Повторите этот процесс для каждого необходимого проводного подключения.
7. Еще раз проверьте соединения, соединив все полосы проводными соединениями, поиграйте с настройкой размера консоли и расположите светодиодные полосы в различных формах матрицы. Лучше разорвать и выявить слабые связи раньше, чем позже.

Теперь у вас есть 10 отдельных полос, которые можно напрямую подключить друг к другу, чтобы воссоздать одну длинную полосу, или преобразовать в матричные образования.

Шаг 7: Конфигурация и настройка

Последнюю версию всегда можно найти на моем github: rs6713 / leddisplay /, не стесняйтесь разветвлять / скачивать и поиграться.

Установите Arduino IDE

В том случае, если вы каким-то образом завершили это руководство, не имея опыта работы с Arduino, IDE Arduino можно скачать здесь. Просто установите и откройте код в IDE, подключите плату через кабель принтера к компьютеру. (Возможно, вам придется установить драйвер для компьютера, чтобы распознать плату Arduino, но это должно произойти автоматически при первом подключении Arduino к компьютеру). Выберите тип платы и выберите активный порт COMM, к которому подключен Arduino.

Конфигурация

Для изменения различных настроек дисплея не требуются сложные знания программирования.

Области в программе, которые можно настроить, помечены как / *** КОНФИГУРИРОВАТЬ МЕНЯ *** /

Вы можете легко изменить / настроить следующие области программы:

• Контакты, к которым подключены компоненты
• Размер отдельных светодиодных полос
• Общее количество светодиодов в полосах в целом
• Режимы, которые вы хотите разрешить для программы
• Длина капель дождя для эффекта дождя.

Контакты и общее количество светодиодов необходимы для правильной работы кода с вашей версией электронной схемы, описанной в предыдущих шагах. Это также полезно, так как вы можете тестировать различные режимы отображения, устанавливая их во время инициализации кода, вместо того, чтобы создавать и соединять все кнопки джойстика, режима и конфигурации.

Загрузить

После того, как вы установили правильные номера PIN для компонентов, размер полосы и количество светодиодов, вы можете загрузить программу в Arduino, нажав кнопку загрузки. Надеюсь, вы уже сделали это к этому моменту, как само собой разумеющееся во время тестирования. Подключите внешний источник питания 5 В, и все будет в порядке.

Отладка

Если LEDStrip / Console не работают должным образом, существует ряд возможных причин.

LEDStrip полностью / частично выключен:

• Убедитесь, что переключатель LEDStrip включен,
• Если вы расширили полосу, и последние несколько конечных сегментов LEDStrip не светятся, это, вероятно, связано с неисправным подключением. Проверьте свои соединения на наличие сухих стыков и припоя, попробуйте изменить порядок полос, а если это проводное соединение, попробуйте переключить одно проводное соединение на другое.

Низкая яркость ЖК-экрана / неправильные цвета светодиодных полос:

• Убедитесь, что внешний источник питания включен / правильно подключен. При низком уровне заряда не все цвета светодиодов RGB постоянно светятся, и ЖК-экран изо всех сил пытается загореться.
• Цвета также могут быть неправильными, если конфигурация размера, например, 250x1 программы не отражает реальное расположение светодиодов.
• В худшем случае вы можете изменить программу, чтобы уменьшить количество подсвечиваемых полос.

Случайная ужасность

В крайнем случае закомментированные Serial.prints были оставлены по всему коду, их раскомментирование даст вам обратную связь по различным компонентам и внутренним состояниям программы.

Вероятная ситуация состоит в том, что вход, который должен быть заземлен, отключен и остается плавающим, это вызовет ложные триггеры (случайное колебание показаний вывода между FALSE и TRUE) и непредсказуемое поведение программы.

Изменения в программе

Дальнейшие области возможных изменений отмечены / ** ИЗМЕНИТЕ МЕНЯ ** /

Эти области являются яркими примерами, в которые вы можете добавлять свои собственные настройки:

• Добавить новые варианты цветовой палитры
• Добавляйте новые эффекты, например, мерцание
• Добавить новые игры

Это просто предложения, не стесняйтесь изменять код, как хотите.

Шаг 8: Расширение 2: OpenProcessing

** На момент написания эта функция остается нереализованной, поэтому этот шаг предназначен для выделения будущих планов / проявлений этого проекта и подчеркивания важности расширения LEDStrip для обеспечения возможности использования матричных дисплеев. **

Одна из причин, по которой я был так взволнован, что расширение LEDStrip позволило разместить его в виде матрицы, заключалась в том, что наличие экрана открывает множество возможностей для отображения 2D-визуализации из другого программного обеспечения на Arduino HW.

OpenProcessing - это сообщество интерактивной 2D-графики, основанное на языке Processing. Используя простую функцию последовательной печати, внешний вид каждого кадра может передаваться пиксель за пикселем на Arduino. Поэтому в будущем для консоли может быть режим, в котором Arduino просто слушает последовательное соединение и просто обновляет светодиодную матрицу кадр за кадром в соответствии с анимацией, заданной программой обработки. Это имеет много преимуществ, поскольку Processing - это язык, специализирующийся на изобразительном искусстве, и его легко выучить, что позволяет очень быстро создавать сложные художественные визуализации. Он также перемещает память и сложность обработки на ваш компьютер с сравнительно ограниченной памятью / вычислительной мощностью Arduino только для обработки информации, передаваемой через последовательный порт.

Передав визуализацию светодиодного дисплея в уже существующую библиотеку 2D-графических эффектов, возможности безграничны. Загляните в каталог openprocessing.org за вдохновением.