Musikinteraktiver Flaschenständer mit verstellbaren Lichtern - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:17

Vor einiger Zeit hat sich ein Freund von mir einen 16 Bit LED-Ring zum Basteln bestellt und dabei kam ihm die Idee, eine Flasche darauf zu stellen. Als ich es sah, war ich fasziniert von der Optik des Lichts, das den Kolben beleuchtet und erinnerte mich an das tolle Projekt "Mc Lighting" des Hackaday-Benutzers Tobias Blum:

hackaday.io/project/122568-mc-lighting

Ein Aspekt seines Projekts bestand darin, WS2812-LEDs über ein selbstgeschriebenes Webinterface ohne die Verwendung eines externen Dienstes zu steuern. Inspiriert von seinem Ansatz zur Steuerung eines LED-Rings habe ich mich entschieden, diese beiden Ideen zu kombinieren und auf die nächste Stufe zu bringen. In meinem Kopf hatte ich einen Flaschenständer für bis zu drei Flaschen, steuerbar über eine lokale Webseite, mit mehreren Blitzen Modi, einschließlich solcher, die mit Umgebungsmusik interagieren. Um ein tragbares Gerät zu erstellen, wird es von einer Li-Ion-Akkuzelle mit Strom versorgt.

In diesem anweisbaren werde ich den Bauprozess durchlaufen und Ihnen die zugrunde liegende Funktion beibringen. Danach sollten Sie in der Lage sein, Ihre eigene Version zu erstellen und eine Idee zu haben, wie Sie Webcontrol zu einem Projekt hinzufügen können, ohne einen externen Dienst zu verwenden.

Schritt 1: Gebäudeoptionen

Wenn es um die Elektronik dieses Projekts geht, können Sie entweder ein NodeMCU-Board verwenden, das einfach zu bedienen und recht günstig ist, oder Sie können Ihr eigenes Board wie ich bauen. Dies hat keinen besonderen Vorteil, ich hatte gerade einen ESP8226-12E-Chip herumliegen und beschlossen, ihn zu verwenden, damit ich das NodeMCU-Board für schnelles Prototyping behalten konnte. Es gibt nur einen großen Unterschied: Sie benötigen ein 3.3V USB to Serial Board um das selbstgebaute Controller Board zu programmieren. Trotzdem spielt es keine Rolle, welchen Typ Sie wählen, denken Sie nur daran, wenn es um die benötigten Teile geht.

Es gibt jedoch eine Option, die den Unterschied macht: den Musikmodus. Wenn Sie sich dafür entscheiden, kann der Flaschenständer als VU-Meter verwendet werden und kann außerdem die Farbe der LEDs ändern, wenn der Bass der Musik einen bestimmten Schwellenwert erreicht. Dies erfordert jedoch einige zusätzliche Hardware. Sie müssen einen Verstärker bauen, der den Ausgang einer Kondensatormikrofonkapsel und einen Tiefpassfilter für die Bassfrequenzen verstärkt. Auch wenn das schwierig klingt, ist es wirklich nicht. Es erfordert keine speziellen Teile und ich empfehle dringend, diese Schaltung aufzunehmen, da sie das Gerät erheblich verbessert.

Schritt 2: Erforderliche Teile und Materialien

Der Fall:

Der vielleicht schwierigste Teil dieses Projekts ist der Fall. Da ich etwas Neues ausprobieren wollte, habe ich mich für MDF-Platten mit einer Dicke von 18 mm entschieden und diese bemalt. Gegenüber anderen Holzarten/Materialien hat MDF den Vorteil, dass sich seine Oberfläche besonders glatt schleifen lässt und dadurch der Lack extrem glänzend aussehen kann. Zusätzlich benötigen Sie als Abdeckung der LED-Ringe etwas Acrylglas mit einer Stärke von 4 mm.

Der Koffer hat eine Länge von 33 cm und eine Breite von 9 cm, daher empfehle ich einen Teller mit folgenden Maßen:

MDF-Platte 400 x 250 x 18 mm

Die LED-Ringabdeckungen haben einen Durchmesser von ca. 70 mm, daher sollte Ihre Acrylglasplatte mindestens folgende Maße haben:

Acrylplatte 250 x 100 x 4 mm

Zum Lackieren habe ich mir 125ml weiße Acrylfarbe und 125ml glänzenden Klarlack geholt. Außerdem empfehle ich dir eine Schaumstoffrolle zu verwenden, da du so die Farbe gleichmäßiger auftragen kannst. Für den Schleifteil habe ich Schleifpapier mit einer Körnung von 180, eines mit 320 und eines mit 600 verwendet.

Elektronik:

Für die Elektronik benötigen Sie drei 16 Bit WS2812 LED-Ringe. Seien Sie vorsichtig, da ich zwei Arten von 16-Bit-LED-Ringen gefunden habe, Sie benötigen die mit dem größeren Durchmesser (ca. 70 mm), und damit dem größeren Abstand zwischen den LEDs.

Für die Stromversorgung benötigen Sie eine Li-Ion Akkuzelle, ein entsprechendes Ladegerät und einen Schalter. Zusätzlich benötigen Sie einen 3,3 V Spannungsregler mit niedriger Dropout-Spannung (LDO) und zwei Kondensatoren zur Versorgung des Mikrocontrollers. In Schritt 7 erkläre ich, warum Sie den LDO-Regler benötigen.

Wenn Sie sich entscheiden, den optionalen Musikverstärker und die Filterschaltung zu bauen, benötigen Sie einen Operationsverstärker und einige passive Komponenten. Und wenn Sie sich dafür entscheiden, Ihr eigenes Steuergerät zu erstellen, benötigen Sie den ESP-Chip, ein Breakout-Board, einige Widerstände, einen Taster und einige Pins.

Und ich empfehle dringend ein Stück Perfboard, um alles darauf zu löten.

LED-Ring

3,7V Li-Ion Zelle (ich habe eine vom Typ TW18650 aus einem unbenutzten Akku geborgen)

Lithium-Ionen-Ladegerät

Schalter (Nichts besonderes, ich habe einen alten verwendet, den ich aus einem kaputten Lautsprechersatz gerettet habe)

LDO Spannungsregler (zusätzlich die im Datenblatt genannten Kondensatoren: 2 x 1uF Keramikkondensator)

Perfboard

Musikrundgang (optional):

Nach Schaltplan

Mikrocontroller:

KnotenMCU

ESP8266 12E (Adapterplatte, Taster, Widerstände und Pins gemäß Schaltplan)

USB auf Seriell (erforderlich zum Programmieren von selbstgebauten Controllerboards, wenn Sie bereits eine haben, müssen Sie sich keine weitere besorgen)

Schritt 3: Fräsen des Gehäuses

Ein Freund von mir baute sich eine MP-CNC und war so nett, mir die beiden MDF-Teile und die drei Acrylringe zu fräsen. Die Holzteile sind die Ober- und Unterseite einer pillenförmigen Schachtel. Oben auf der Box befinden sich drei Plätze für die LED-Ringe und ihre Acrylabdeckungen. Da diese Vertiefungen nur einen Bruchteil größer als die Leiterplatten sind, passen und sitzen sie ohne Klebstoff oder Schrauben. Gleiches gilt für die Acrylabdeckungen. Da sie einen größeren Durchmesser als die LED-Ringe haben, werden sie an einer Kante über den LEDs platziert (siehe Bild).

Schritt 4: Schließen Sie den Fall ab

Sie haben vielleicht bemerkt, dass gerade einige Dinge am gefrästen Gehäuse fehlen. Dinge wie Löcher für die Kabel des Rings, ein Loch für die USB-Buchse und eine Tasche für den Akku. Wenn Sie sich für die Musikschaltung entscheiden, wird außerdem ein Loch für das Mikrofon benötigt. Außerdem empfehle ich dir, Löcher unter die LED-Ringe zu bohren, damit du sie aus dem Gehäuse schieben kannst. Ich habe ein Rotationsschleifwerkzeug verwendet, um die oben beschriebenen Löcher hinzuzufügen.

Auf dem dritten Bild sieht man die "Wartung" und die Kabellöcher für den Ring. Wie Sie vielleicht schon bemerkt haben, habe ich zwei Kabellöcher erstellt. Das war keine Absicht. Dies war in einem frühen Stadium, in dem ich dachte, die Winkel der Ringe wären unwichtig, aber das sind sie nicht. Montieren Sie alle drei mit ihren Kabeln auf der gleichen Seite. Ich landete damit, sie nach vorne zu montieren.

Wichtig: Tragen Sie beim Sägen, Bohren oder Fräsen in MDF immer eine Staubmaske. Gleiches gilt für das Schleifen.

Schritt 5: Beenden des Gehäuses

Jetzt wird das Gehäuse lackiert. Bevor Sie dies tun, empfehle ich Ihnen, sich ein Tutorial dazu anzusehen oder zu lesen, da sich dies als schwieriger erwiesen hat, als ich dachte. Dieser enthält alles, was Sie zum Thema wissen müssen.

Zuerst die Außenseite der MDF-Teile gründlich schleifen. Ich habe dafür das 160er Papier verwendet. Danach empfehlen viele Tutorials, die Oberfläche, insbesondere an den Kanten, mit einer speziellen MDF-Grundierung zu versiegeln. Ich habe diesen Teil übersprungen, da die Grundierung ziemlich teuer ist und obwohl das Ergebnis nicht so gut ist, wie es hätte sein können, würde ich es wieder tun.

Anschließend können Sie mit dem Lackieren der Oberfläche in Ihrer Wunschfarbe beginnen. Ich beschloss, meine in einem klaren Weiß zu malen. Warten Sie, bis die Farbe getrocknet ist, schleifen Sie sie dann mit feinem Schleifpapier (ich habe die Körnung 320 verwendet), stauben Sie sie ab und tragen Sie die nächste Farbschicht auf. Wiederholen Sie diesen Vorgang, bis Sie mit der Deckkraft der Färbung zufrieden sind. Ich habe vier Farbschichten aufgetragen.

Nach der letzten Farbschicht mit einem noch feineren Schleifpapier als zuvor (in meinem Fall Körnung 600) schleifen und den restlichen Staub auf der Oberfläche entfernen. Danach können Sie die erste Schicht des glänzenden Klarlacks auftragen. Tragen Sie wie bei der Farbe so viele Schichten auf, wie Sie benötigen. Ich habe drei für die Oberseite und die Seiten und zwei für die Unterseite verwendet. Das Ergebnis seht ihr auf einem der Bilder. Obwohl die Oberfläche glatter sein könnte (mehr Schleifen und MDF-Grundierung), bin ich mit dem erzielten Glanzeffekt zufrieden.

Schritt 6: Vorbereiten der Ringe

Parallel zum Trocknungsprozess der ersten Farbschicht können Sie die Acrylglasringe schleifen. Danach streuen diese Ringe das von den LED-Ringen emittierte Licht. Apropos, ich habe festgestellt, dass die Leiterplatten dieser Ringe einige unerwünschte Kanten aus dem Produktionsprozess aufweisen, sodass Sie sie möglicherweise entgraten müssen. Sonst passen sie nicht in den Koffer.

Anschließend müssen einige Drähte an die Ringe gelötet werden. Ich empfehle Ihnen, flexiblen Draht zu verwenden. Ich habe einen steifen verwendet und hatte das Problem, dass sie die beiden Teile des Gehäuses auseinander geschoben haben, was ein hässliches Biegen erforderte. Außerdem ist es wahrscheinlicher, dass steife Drähte brechen, was zu einem fiesen Lötprozess führt, da Sie den entsprechenden Ring und die Controller-Platine aus dem Gehäuse holen müssen.

Schritt 7: Netzteil

Als Stromquelle dient eine einzelne Li-Ion-Batteriezelle. Es wird über den Ladekreis geladen. Diese Schaltung verfügt über einen Überentladungs- und Überstromschutz. Zum Ausschalten des Gerätes ist ein Schalter eingebaut, der den positiven Ausgang der Ladeplatine unterbricht.

Da die maximale Spannung der Batteriezelle 4,2 V beträgt, kann der ESP8266 nicht direkt mit Strom versorgt werden. Die Spannung ist für den 3,3V-Mikrocontroller zu hoch, da er nur Spannungen zwischen 3,0V - 3,6V übersteht. Ein Low-Dropout-(LDO)-Spannungsregler ist ein Spannungsregler, der auch dann funktioniert, wenn die Eingangsspannung nahe der angegebenen Ausgangsspannung liegt. Eine Dropout-Spannung von 200 mV für einen 3,3 V LDO bedeutet also, dass er 3,3 V ausgibt, solange die Eingangsspannung über 3,5 V liegt. Wenn dieser Wert unterschritten wird, beginnt die Ausgangsspannung zu sinken. Da der ESP8266 mit Spannungen bis 3,0 V arbeitet, funktioniert er, bis die Eingangsspannung des LDO auf etwa 3,3 V abfällt (der Abstieg ist nicht linear). Dadurch können wir den Controller über die Akkuzelle mit Strom versorgen, bis er vollständig entladen ist.

Schritt 8: Mikrocontroller-Platine

Wenn Sie ein NodeMCU-Board verwenden, ist dieser Schritt recht einfach. Verbinden Sie einfach den 3,3-V-Ausgang und die Masse des Netzteils mit einem der 3V- und G-Pins der Platine. Außerdem empfehle ich, das Board auf ein Stück Perfboard zu löten, da dies das Verbinden erleichtert.

Falls Sie sich entschieden haben, ein eigenes Controller-Board zu bauen, besteht der erste Schritt darin, den ESP-Chip an die Adapterplatte zu löten. Fügen Sie danach alle Komponenten und Verbindungen wie im Schaltplan gezeigt hinzu. Die beiden Tasten sind zum Zurücksetzen und Flashen des Controllers erforderlich. Vielleicht fällt Ihnen auf den folgenden Bildern auf, dass ich nur eine Taste verwende. Der Grund dafür ist, dass ich gerade einen herumliegen gefunden habe, also verwende ich anstelle des Tasters für GPIO0 zwei Pins und einen Jumper.

Sie können meine fertige Schaltung im nächsten Schritt sehen.

Schritt 9: Musikschaltung (optional)

Als Eingang für die Musik wird eine einfache Kondensatormikrofonkapsel verwendet. Die Stromversorgung erfolgt über einen Strombegrenzungswiderstand, der an die 3,3-V-Stromschiene angeschlossen ist. Kurz gesagt, die Kapsel funktioniert wie ein Kondensator, wenn also Schallwellen auf ihre Membran treffen, ändert sich ihre Kapazität und analog dazu ihre Spannung. Diese Spannung ist so gering, dass wir sie mit dem Analog-Digital-Wandler (ADC) des ESP kaum messen können. Um dies zu ändern, verstärken wir das Signal mit einem Op-Amp. Die verstärkte Ausgangsspannung wird dann von einem passiven Tiefpassfilter erster Ordnung mit einer Grenzfrequenz von ca. 70Hz gefiltert.

Wenn Sie sich für ein NodeMCU-Board entscheiden, können Sie den Ausgang der oben beschriebenen Schaltung mit dem A0-Pin des Boards verbinden. Wenn Sie ein eigenes Controllerboard bauen möchten, müssen Sie der Schaltung einen Spannungsteiler hinzufügen. Der Grund dafür ist der ESPs Onboard ADC, der eine maximale Eingangsspannung von 1V hat. Die NodeMCU hat diesen Spannungsteiler bereits eingebaut, damit der Code und der Verstärker auf beiden Boards funktionieren, braucht die selbstgebaute ihn auch.

Schritt 10: Beenden und montieren Sie die Elektronik

Stecken Sie zuerst die LED-Ringe in die dafür vorgesehenen Vertiefungen auf der Gehäuseoberseite. Danach schließen Sie das Netzteil, den Mikrocontroller, die Ringe und, wenn Sie es gebaut haben, die Verstärkerschaltung gemäß dem Schaltplan an.

Warnung: Bevor Sie dies tun, überprüfen Sie, ob Sie das Gerät mit dem Schalter ausgeschaltet haben. Ich habe das vergessen und beim Löten einen LDO-Regler gebraten. Danach können Sie die Elektronik im Gehäuse montieren.

Ich begann, indem ich die Batteriezelle mit etwas Heißkleber am Gehäuse befestigte. Danach habe ich den Ladestromkreis positioniert und überprüft, ob ich ein USB-Kabel anschließen kann oder nicht. Da ich dem Heißkleber nicht zutraute, der Kraft des mehrfachen Eindrückens des Kabels standzuhalten, hämmerte ich vorsichtig dünne Nägel durch die Lötpads des Ladegeräts für die Eingangsspannung. Nach dem Ladegerät klebte ich die Mikrofonkapsel an Ort und Stelle.

Danach habe ich einige gebogene Drahtstifte verwendet, um den Mikrocontroller zu befestigen. Mit dieser Methode kann ich den Controller jederzeit für Reparaturen aus dem Gehäuse nehmen, ohne Heißkleber durchschneiden und das MDF ruinieren zu müssen.

Jetzt habe ich einige Kabelbinder und gebogene Drahtstifte verwendet, um die Drähte zu montieren. Als letztes setzen Sie die Acryl-Abdeckringe ein. Seien Sie dabei vorsichtig, damit Sie die Farbe nicht beschädigen, da dies eine ziemlich enge Passform ist. Möglicherweise müssen Sie sogar den Innen- und/oder Außendurchmesser der Acrylringe reduzieren, da die MDF-Platte etwas Farbe aufgenommen hat und die Vertiefungen etwas kleiner geworden sind.

Schritt 11: Flashen des Mikrocontrollers

Nach Abschluss des Hardware-Builds bleibt nur noch das Flashen der Software. Ich habe dafür die Arduino-IDE verwendet. Bevor Sie den Controller jedoch programmieren können, müssen Sie einige Bibliotheken hinzufügen und das richtige Board auswählen.

Bibliotheken

Sie können sie entweder mit dem IDEs-Bibliotheksmanager (Skizze -> Bibliotheken einschließen -> Bibliotheken verwalten) hinzufügen oder sie herunterladen und in Ihren IDEs-Bibliotheksordner verschieben. Ich empfehle den Manager, da er bequemer ist und Sie dort alle benötigten Bibliotheken finden.

DNSServer von Kristijan Novoselic (notwendig für WiFiManager)

WiFiManager von tzapu und tablatronix (öffnet einen AP, wo Sie die Zugangsdaten Ihres lokalen WLANs eingeben können)

WebSockets von Markus Sattler (notwendig für die Kommunikation zwischen Endgerät und Flaschenständer)

Adafruit NeoPixel von Adafruit (notwendig zur Ansteuerung der LED-Ringe)

Planke

Unabhängig davon, welche Art von Controller-Board Sie verwenden möchten, wählen Sie unter Tools -> Board NodeMCU 1.0 (ESP-12E Module) aus. Stellen Sie sicher, dass die Blitzgröße auf 4M (1M SPIFFS) und die Upload-Geschwindigkeit auf 115200 eingestellt ist.

Blinken

Zum Flashen des NodeMCU-Boards einfach an den Computer anschließen, den richtigen Port auswählen und das Programm hochladen. Etwas komplizierter ist das Flashen des selbstgebauten Controller-Boards. Verbinden Sie Ihren USB-zu-Seriell-Konverter mit den drei Pins der Platine. Verbinden Sie GND und GND, RX und TX und TX und RX. Um in den Flash-Modus des Controllers zu gelangen, starten Sie ihn mit der RST-Taste neu und halten Sie dabei die GPIO0-Taste gedrückt. Stellen Sie danach sicher, dass Ihre Konverterplatine auf 3,3 V eingestellt ist. Schließen Sie den Vorgang ab, indem Sie das Programm hochladen.

Wichtig: Schalten Sie Ihr Gerät vor dem Flashen ein.

Schritt 12: Laden Sie die Webseite hoch

Die für die Webseite benötigten Dateien werden auf dem Flash-Speicher des Mikrocontrollers gespeichert. Vor der ersten Verwendung müssen Sie diese manuell hochladen. Schalten Sie dazu das Gerät ein (evtl. müssen Sie es zuerst aufladen). Die LEDs sollten rot leuchten (auf dem Bild sieht diese aufgrund meiner Kamera orange aus), was bedeutet, dass der Flaschenständer nicht mit einem Netzwerk verbunden ist. Nach kurzer Zeit sollte sich ein WLAN-Zugangspunkt namens „bottleStandAP“öffnen. Das Standardpasswort ist "12345678", Sie können es in der ino-Datei ändern. Verbinden Sie Ihr Smartphone/Tablet/Laptop damit. Eine Benachrichtigung sollte erscheinen und Sie auf eine Webseite weiterleiten. Wenn nichts dergleichen passiert, öffnen Sie einfach Ihren Browser und geben Sie 192.168.4.1 ein. Klicken Sie auf dieser Seite auf WLAN konfigurieren und geben Sie Ihre Netzwerkanmeldeinformationen ein. Danach sollte sich der Access Point schließen und die LEDs färben sich hellblau. Dies bedeutet, dass sich das Gerät erfolgreich mit Ihrem Netzwerk verbunden hat.

Jetzt müssen Sie die IP-Adresse des Geräts ermitteln. Dazu können Sie es an Ihren Computer anschließen, den Serial Monitor der Arduino IDE öffnen (Baudrate ist 115200) und das Gerät neu starten. Alternativ können Sie die Webseite Ihres WLAN-Routers öffnen. Nachdem Sie die IP des Geräts kennen, öffnen Sie Ihren Browser und geben Sie xxx.xxx.xxx.xxx/upload ein (wobei das xs für die Bottlestands-IP steht). Extrahieren Sie die Dateien aus der.rar-Datei und laden Sie alle hoch. Geben Sie danach einfach die IP Ihres Geräts ein und die Kontrollseite sollte sich öffnen. Und damit haben Sie Ihren eigenen Flaschenstand gebaut. Herzliche Glückwünsche!

Schritt 13: Die Webseite

Über die Webseite können Sie Ihren Flaschenständer steuern. Wenn Sie die Hauptseite öffnen, sehen Sie oben in der Mitte drei blaue Kreise. Mit diesen können Sie auswählen, welche Ringeinstellungen Sie ändern möchten. Das Farbrad ändert die Farbe der ausgewählten Ringe, wenn Sie darauf klicken. Das Feld darunter zeigt Ihnen die von Ihnen ausgewählte Farbe. Durch Drücken der Zufallstaste werden die ausgewählten Ringe in den zufälligen Farbmodus versetzt. Dies bedeutet, dass sich die Farbe jedes Mal ändert, wenn ein Zyklus des Atemmodus beendet ist.

Auf der zweiten Seite können Sie die verschiedenen Modi auswählen. Feste Farbe und feste Helligkeit tun genau das, was ihr Name verspricht. Der Atemmodus erzeugt einen „Atem“-Effekt, d. h. die Helligkeit der Ringe steigt über eine benutzerdefinierte Zeit bis zum Maximum an und sinkt dann auf das Minimum. Im Zyklusmodus leuchtet für eine bestimmte Zeit nur eine LED, dann die nächste, dann die nächste usw. Der Musikschwellenwertmodus ändert die Farbe, wenn das Mikrofon ein Signal erkennt, das höher als ein benutzerdefinierter Schwellenwert ist. Das kann nicht nur Musik auslösen, sondern zum Beispiel auch Klatschen. Im VU-Meter-Modus hängt die Anzahl der leuchtenden LEDs von der Lautstärke des Musikbasses ab.

Hinweis: Sie können die Lineale verwenden, ohne die entsprechenden Modi zu aktivieren. Zum Beispiel: Wenn Sie den Zyklusmodus verwenden und die Helligkeit über das Lineal der festen Helligkeit ändern, bleiben die Ringe im Zyklusmodus, ändern jedoch ihre Helligkeit entsprechend Ihrer Einstellung.

Schritt 14: Wie funktioniert das alles?

Das Funktionsprinzip ist recht einfach zu verstehen. Immer wenn Sie die Webseite öffnen, sendet der ESP8266 die Webdateien an Ihr Gerät. Wenn Sie dann etwas auf der Seite ändern, wird ein Sonderzeichen, meist gefolgt von einem ganzzahligen Wert, über eine Websocket-Verbindung an den Mikrocontroller gesendet. Der Controller verarbeitet dann diese Daten und ändert die Lichter entsprechend.

Das Webpart ist in HTML, CSS und Javascript geschrieben. Um diese Aufgabe zu erleichtern, habe ich uns das CSS-Framework von Materialise und jQuery verwendet. Wenn Sie das Aussehen der Website ändern möchten, werfen Sie einen Blick in die Dokumentation des Frameworks. Alternativ können Sie auch einfach eine eigene Seite schreiben und hochladen. Sie müssen lediglich die Websocket-Verbindung herstellen und die gleichen Daten senden.