Дерево для создания светодиодов RGB: 15 шагов (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:52

Наше местное творческое пространство спонсировало дерево, которое будет выставлено на главной улице в декабре (2018). Во время нашего мозгового штурма нам пришла в голову идея разместить на дереве невероятное количество светодиодов вместо традиционных украшений. Как производители, которые любят делать что-то чрезмерное, мы быстро решили, что дерево, которое может воспроизводить анимацию, будет не только забавным, но и вызовет некоторый шум.

Я исследовал некоторые существующие решения, в которых используются специальные контроллеры светодиодов, и решил, что близкий источник просто не подходит. Я наткнулся на отличный учебник от Adafruit по использованию их светодиодных контроллеров "FadeCandy". Эта аккуратная маленькая доска неоднократно появлялась на Burning Man и содержит множество хороших примеров для работы. Дерево состоит из 24 нитей индивидуально адресуемых штаммов светодиодов RGB, управляемых с помощью плат FadeCandy и питающихся от одного источника питания 5V 60A. Raspberry Pi передает анимацию на платы FadeCandy через кабели micro-USB, которые, в свою очередь, подключаются к отдельным светодиодным нитям. Пряди расположены радиально, образуя форму конуса / дерева, как показано выше.

Отличительной особенностью этой установки является то, что она не ограничивается одноразовым использованием. Светодиодные нити можно переставлять, получая множество форм, включая обычную старую сетку. Мы надеемся повторно использовать эту установку, чтобы сделать интерактивную выставку / игру для нашей следующей весенней ярмарки Mini MakerFaire.

Шаг 1: Список деталей

• 2x - 5V светодиодные нити WS2811 (20 нитей x 50 пикселей = 1000 пикселей)
• 5x - 3-контактные водонепроницаемые разъемы (5 шт. В упаковке)
• Монтажные планки RGB 24x - 12 мм
• 3x - светодиодные контроллеры Adafruit FadeCandy
• 6x - Блоки распределения питания
• 1x - 5V 60A (300W) Блок питания
• 1x- RJ-45 Punch Down Sockets (10 шт. В упаковке)
• 2x - провод питания 22 AWG (65 футов)
• 1x - комплект разъемов Anderson
• Держатели предохранителей 1x - 12 AWG
• 3x - 2x8 Корпус обжимного разъема
• 1x - 0,1 "женские обжимные штифты (упаковка 100 шт.)
• 6x - Водонепроницаемые электрические коробки
• 3x - 20A предохранитель
• 1x - кабель питания компьютера
• 1x - Raspberry Pi 3
• 1x - карта MicroSD
• 24 фута - кабель CAT5 / CAT6
• 15 футов - провод 12 AWG (красный и черный)
• 6x - обжимные концы RJ-45
• 2x - 4x8 листов фанеры 3/4"
• Уголок 2x - 4 '
• 200x - Застежки-молнии
• ~ 144x - Водонепроницаемые соединители (опция, но значительно экономит время)
• Припой
• Термоусадочный
• Конопатка

Шаг 2: Обзор электрической системы

Как видно на диаграмме выше, электрическую систему дерева можно разделить на несколько основных компонентов: блок управления, распределительные коробки питания, распределительные коробки данных и жилы светодиодов. В блоке управления находится блок питания 5V 60A и Raspberry Pi. В распределительных коробках данных находятся светодиодные контроллеры FadeCandy. Распределительные коробки Power содержат шины для распределения питания (5 В и заземление) на жилы светодиодов. Каждая пара соединительных коробок (одна передача данных + одна мощность) управляет восемью светодиодами. Поскольку в этом проекте используются 24 светодиода, имеется три комплекта распределительных коробок (всего шесть).

* На схеме, показанной выше, есть ошибка. Кабель CAT6 0 (нити 0-7) должен быть (нити 0-3), а кабель CAT6 1 (нити 7-15) должен быть (нити 4-7).

Шаг 3: прикрепите водонепроницаемые соединители

Поскольку дерево предназначалось для использования на открытом воздухе, особое внимание было уделено тому, чтобы все соединения были водонепроницаемыми. Тем, кто желает создать аналогичный проект в помещении, можно не обращать внимания на водонепроницаемые разъемы в пользу 3-контактных разъемов JST, которые поставляются со светодиодами. Большая часть работы по этому проекту ушла на припаивание водонепроницаемых разъемов к жилам.

Для нашей установки мы отрезали существующий разъем JST от светодиодной нити и прикрепили на его место 3-контактный водонепроницаемый разъем. Следует позаботиться о том, чтобы добавить разъем на «входной» стороне жилы светодиода, соединения для передачи данных на цепях светодиода являются направленными. Мы обнаружили, что у каждого светодиода есть маленькая стрелка, указывающая направление данных. Первоначально мы прикрепили каждый из трех проводов на стороне светодиода, используя технику, включающую пайку, термоусадку и конопатку. В конце концов мы перешли на использование этих водонепроницаемых соединителей, что значительно сэкономило время.

Со стороны питания / данных (то есть со стороны, к которой подключаются жилы светодиода) мы использовали провод 22 AWG для питания / заземления и кабель CAT6 для данных / заземления. Каждый кабель CAT6 содержит четыре витые пары, поэтому мы можем подключить четыре светодиода к одному кабелю CAT6. На приведенной выше схеме показано, как 3-контактный светодиодный провод разрывается на 4 провода (5V, GND, Data). Соединение четырех проводов с тремя проводами казалось путаницей при сборке этого проекта. Ключевой вывод заключается в том, что два заземления (Data + Power) объединены в водонепроницаемом разъеме.

Каждый кабель CAT6 оканчивается разъемом RJ-45, который вставляется в гнездовой корпус RJ-45, подключенный к плате FadeCandy. Провода CAT6 можно было припаять непосредственно к платам FadeCandy, но мы решили добавить разъемы, чтобы упростить ремонт в случае необходимости. Мы сделали всю нашу проводку длиной 48 дюймов, чтобы иметь некоторую гибкость при физической сборке дерева.

Шаг 4: прикрепите разъемы к платам FadeCandy

Платы FadeCandy, которые мы приобрели, не поставлялись с присоединенными заголовками, скорее, было два ряда переходных отверстий с интервалом 0,1 дюйма. В конечном итоге мы решили, что FadeCandys будут подключаться к кабелям CAT6 с помощью стандартных разъемов RJ-45 "punch-down". В случае, когда нам нужно было заменить FadeCandy (оказалось, что мы сделали!), мы также добавили 0,1-дюймовые штыри на каждую плату FadeCandy. Мы прикрепили обжимные штифты с внутренней резьбой к каждому из восьми проводов, подключенных к перфорированному гнезду RJ-45, чтобы подключиться к 0,1-дюймовым разъемам. Помимо обжима контактов на каждом проводе, я также добавил немного припоя, чтобы не допустить контакта с контактами. Конечно, я обнаружил этот «трюк» с припоем только после того, как половина контактов, которые я обжал, вышла из строя, урок усвоен.

Шаг 5: вставьте светодиоды в распорные планки

После прочтения нескольких сообщений на форуме и просмотра видео от других людей, которые делали похожие «деревья», использование пластиковых прокладок показалось мне повторяющимся элементом. Полосы позволяют регулировать расстояние между светодиодами в соответствии с индивидуальными потребностями и позволяют натягивать жилы светодиодов между верхними и нижними кольцами деревьев. Размер светодиода должен соответствовать размеру отверстий в разделителях (в нашем случае 12 мм), чтобы каждый отдельный светодиод плотно входил в отверстия в разделителях. Мы решили расположить наши светодиоды зигзагообразно, так, чтобы 24 светодиода образовывали 48 столбцов вокруг дерева.

В этом месте мы допустили ошибку, которая заставила нас создать дополнительные «дыры» для светодиодов. Полоски разрезаем пополам, чтобы у нас получилось 48 отрезков распорок. Мы обнаружили, что каждая восьмифутовая распорка содержала 96 отверстий (по одному на каждый дюйм), и разрезание их пополам на отверстии означало, что у нас было четыре отверстия короче на каждую жилу светодиода. Обратите внимание на нашу ошибку и объясните это заранее! В конечном итоге мы вырезаем лазером некоторые «удлинители», чтобы добавить недостающие отверстия.

Векторный файл, использованный для лазерной резки удлинительных скоб, прилагается ниже ("TreeLightBracket.eps").

Шаг 6: Соберите распределительные коробки питания

В каждой из трех распределительных коробок размещается пара шин. Первая полоса выдает 5 В, а другая - GND. Поскольку наше дерево было выставлено на улице, мы решили использовать водонепроницаемые электрические коробки для размещения шин. Мы прикрепили каждую планку к месту с помощью горячего клея и добавили обрывок папки из манильской бумаги между каждой планкой и футляром, чтобы предотвратить короткое замыкание. Каждая распределительная коробка подключается к восьми светодиодным жилам через ранее описанный провод 22 AWG. Каждая коробка подключается к основному источнику питания с помощью провода 12 AWG и имеет разъем «Андерсон» для облегчения транспортировки.

Шаг 7: соберите распределительные коробки данных

Используя те же блоки, что и блоки распределения питания, мы создали три блока распределения «данных», в каждом из которых размещалась по одной плате FadeCandy. Кабели micro USB от Raspberry Pi подключаются к платам FadeCandy внутри этой коробки, а кабели CAT6 также подключаются к розеткам RJ-45. Поскольку платы FadeCandy не имеют больших монтажных отверстий, мы прикрепили каждую доску молнией к куску фанеры. Эта фанера также функционировала как изолятор, предохраняя плату от короткого замыкания на электрическую коробку.

Шаг 8: провод источника питания

Заказанный нами монстр 5V 60A обеспечивает питание для всего проекта. Каждая из трех распределительных коробок питания подключается к этому основному источнику с помощью провода 12 AWG. Каждая распределительная коробка имеет свою собственную пару разъемов Anderson и встроенный предохранитель на 20 А для изоляции любых коротких замыканий. Raspberry Pi также получает питание от этого блока питания, чего я добился, отрезав USB-кабель и подключив провода питания / заземления к клеммам блока питания. Поскольку эти провода были довольно маленькими, я также добавил пару стяжек, чтобы немного уменьшить натяжение этих соединений. Блок питания не поставлялся с вилкой переменного тока, поэтому я отрезал стандартный кабель питания компьютера / монитора и прикрепил его к винтовым клеммам. Будьте предельно внимательны на этапе и трижды проверьте свою работу! Я нашел этот проект Adafruit чрезвычайно полезным для понимания того, как подключена энергия.

Шаг 9: Настройте Raspberry Pi

Я устанавливаю карту microSD с операционной системой Raspbian и настраиваю сервер FadeCandy, используя инструкции, найденные здесь:

learn.adafruit.com/1500-neopixel-led-curta…

learn.adafruit.com/1500-neopixel-led-curta…

Я обнаружил, что в репозитории OpenPixelControl есть отличный набор примеров для взаимодействия с сервером FadeCandy. В конце концов, я написал сценарий Python для зацикливания анимации на дереве при загрузке Pi. Он загружает видео с нашим целевым разрешением, шаг за шагом просматривает видео и отправляет массив элементов управления FadeCandy для каждого кадра. Файл конфигурации FadeCandy позволяет взаимодействовать нескольким платам, как если бы они были одной платой, и обеспечивает очень чистый интерфейс. Сценарий python, управляющий деревом, настроен для загрузки файлов из определенной папки. Таким образом, настроить анимацию так же просто, как добавить / удалить видеофайлы из этой папки.

В процессе тестирования дерева мне удалось повредить карту microSD. Я связываю это с отключением питания от Pi без надлежащего выключения. Чтобы избежать инцидентов в будущем, я добавил кнопку и настроил ее для безопасного отключения Pi. Я также сделал несколько резервных копий последней карты microSD, на всякий случай.

Прежде чем получить все части для фактического дерева, я разветвил репозиторий OpenPixelControl git и обнаружил внутри аккуратный симулятор светодиода. На самом деле я использовал эту программу для тестирования большей части сценария анимации, упомянутого выше. Симулятор принимает файл конфигурации, который указывает физическое размещение каждого светодиода в пространстве (подумайте, X, Y, Z) и использует тот же интерфейс, что и программа сервера FadeCandy.

Шаг 10: создайте анимацию

Связанный ранее скрипт Python может воспроизводить любой видеоформат в дереве с разрешением 96x50. Разрешение дерева составляет 48x25, однако инструмент, который я использовал для преобразования видео в более низкое разрешение (Handbrake), имел минимальный предел пикселей в 32 пикселя. По этой причине я просто удвоил фактическое разрешение дерева, а затем произвел выборку каждого пикселя в моем скрипте Python.

Процесс, который я использовал для большинства анимаций, заключался в том, чтобы найти или сгенерировать GIF, а затем обрезать его (с помощью ручного тормоза), пока соотношение сторон не станет 1,92: 1. Затем я бы изменил выходное разрешение на целевое 96x50 и начал преобразование. Некоторые файлы-g.webp

Используя интерфейс OpenPixelControl, вы также можете создавать шаблоны программно. Во время первоначального тестирования я довольно часто использовал скрипт python raver_plaid.py.

Анимации, используемые для нашего дерева, прикреплены ниже "makerTreeAnimations.zip".

Шаг 11: Проверка электрической системы

Когда все основные электрические / программные компоненты были подключены, пришло время все проверить. Я построил простую деревянную раму для натяжения светодиодных нитей, которая оказалась очень полезной для определения неисправности каких-либо нитей (а их было несколько). На видео выше показана готовая демонстрация OpenPixelControl и мой собственный скрипт Python для видеопроигрывателя, запускающий анимацию Марио.

Шаг 12: построение рамы

Мы прикрепили все светодиодные нити к прототипу рамы, которую мы построили из ПВХ и трубок Pex. Мы оставили застежки-молнии незакрепленными, чтобы при необходимости их можно было переставить. Это оказалось отличным решением, поскольку мы решили, что вертикальный ПВХ слишком сильно разрушает светодиодную сетку, и вместо этого перешли на дизайн с ЧПУ. Окончательный дизайн в основном состоит из верхней и нижней петель. Нижняя петля устанавливается у основания дерева и имеет больший диаметр, чем верхняя петля, которая (неудивительно) установлена на вершине дерева. Светодиодные нити простираются между верхней и нижней петлями, образуя форму конуса (или «дерева», если хотите).

Обе петли были вырезаны из фанеры 3/4 "на фрезерном станке с ЧПУ, векторный файл петель прилагается ниже (" TreeMountingPlates.eps "). Верхняя и нижняя петли состоят из двух полукруглых частей, которые образуют законченный Конструкция из двух частей была такова, что мы могли легко прикрепить две половинки вокруг дерева, не повредив ветки. Наш местный гуру ЧПУ добавил немного изюминки, превратив верхнюю и нижнюю петли рамки в снежинки. Немного белой краски и немного блеска были также добавлены, чтобы украсить раму.

Шаг 13: Создание электроники нижнего диска / крепления

Мы вырезаем два полукруга из другого куска фанеры того же диаметра, что и описанная выше нижняя петля, чтобы смонтировать электронику (блок управления, распределительные коробки) под нижней петлей. Как и в случае с верхней и нижней петлями, его сделали из двух частей, а затем соединили по центральной линии, чтобы сформировать полный круг. Диск был окрашен в зеленый цвет, чтобы он сливался и защищал от дождя. Мы установили все блоки электроники на нижней стороне этого диска, так что диск сформировал своего рода зонтик для электрических компонентов. Излишки проволоки были обернуты и привязаны к этому диску, чтобы сохранить чистый внешний вид.

Шаг 14: прикрепите рамку к дереву

Когда верхняя и нижняя петли рамы высохли, мы вогнали несколько длинных металлических уголков в горшок с деревом, чтобы стабилизировать ствол. Уголок также обеспечивал точки крепления для верхней и нижней петель рамы, не создавая напряжения для физического дерева. Со всеми светодиодными нитями, прикрепленными к верхней петле, мы использовали кусок веревки, чтобы подвесить верхнее кольцо в сборе к потолку. Мы обнаружили, что было легче медленно опустить кольцо на дерево, чем пытаться удерживать его рукой. Как только верхнее кольцо оказалось на своем месте на уголке, мы прикрепили нижнее кольцо к дереву и также плотно привязали светодиоды к нижней петле молнией. Нижний (зеленый) диск был установлен непосредственно под нижним контуром со всей подключенной электроникой.

Шаг 15: Доставка (необязательно)

Теперь сядьте поудобнее и наслаждайтесь плодами своего (нашего) труда! Наше дерево будет выставлено на обозрение в North Little Rock в течение всего декабря (2018). Я уже обдумываю, как весной сделать дисплей нашего mini MakerFaire интерактивным.

Есть вопросы? Спрашивайте в комментариях!

Финалист конкурса Make it Glow 2018