RGB LED Maker Tree - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:19

Unser lokaler Makerspace sponserte einen Baum, der für den Monat Dezember (2018) auf der Main Street ausgestellt werden sollte. Während unserer Brainstorming-Sitzung kamen wir auf die Idee, anstelle traditioneller Ornamente eine lächerliche Menge LEDs an den Baum zu stellen. Als Macher, die es gerne etwas übertrieben machen, haben wir schnell entschieden, dass ein Baum, der Animationen abspielen kann, nicht nur Spaß macht, sondern auch etwas Aufsehen erregt.

Ich recherchierte einige bestehende Lösungen, die dedizierte LED-Controller verwendeten, und entschied, dass eine enge Quelle einfach nicht ausreichen würde. Ich bin auf ein hervorragendes Tutorial von Adafruit zur Verwendung ihrer "FadeCandy" -LED-Controller gestoßen. Dieses nette kleine Brett hat eine Reihe von Burning Man-Auftritten gemacht und hat viele gute Beispiele, an denen man arbeiten kann. Der Baum besteht aus 24 Strängen einzeln adressierbarer RGB-LED-Stämme, die über FadeCandy-Boards gesteuert und von einem einzigen 5V 60A Netzteil gespeist werden. Ein Raspberry Pi versorgt die FadeCandy-Boards über Micro-USB-Kabel mit Animationen, die wiederum mit den einzelnen LED-Strängen verbunden sind. Die Stränge sind radial angeordnet, um eine Kegel-/Baumform zu bilden, wie oben gesehen.

Das Schöne an diesem Setup ist, dass es nicht auf eine einzige Verwendung beschränkt ist. Die LED-Stränge können neu angeordnet werden, um viele Formen zu bilden, einschließlich eines regelmäßigen alten Gitters. Wir hoffen, dieses Setup wiederverwenden zu können, um eine interaktive Ausstellung / ein interaktives Spiel für unsere nächste Mini MakerFaire im Frühjahr zu erstellen.

Schritt 1: Teileliste

• 2x - 5V WS2811 LED Stränge (20 Stränge x 50 Pixel = 1000 Pixel)
• 5x - 3 Pin wasserdichte Stecker (5er Pack)
• 24x - 12MM RGB-Montagestreifen
• 3x - Adafruit FadeCandy LED-Controller
• 6x - Stromverteilerblöcke
• 1x - 5V 60A (300W) Netzteil
• 1x- RJ-45 Punch-Down-Buchsen (10er Pack)
• 2x - 22 AWG Stromkabel (65 ft)
• 1x - Anderson-Steckverbinder-Kit
• 1x - 12 AWG Inline-Sicherungshalter
• 3x - 2x8 Crimp-Steckverbindergehäuse
• 1x - 0,1" Crimpstifte (100 Stück)
• 6x - Wasserdichte Elektroboxen
• 3x - 20A Sicherung
• 1x - Computerstromkabel
• 1x - Raspberry Pi 3
• 1x - MicroSD-Karte
• 24 Fuß - CAT5/CAT6-Kabel
• 15 Fuß - 12 AWG Draht (rot & schwarz)
• 6x - RJ-45 Crimpenden
• 2x - 4x8 Blatt 3/4" Sperrholz
• 2x - 4' Winkeleisen
• 200x - Kabelbinder
• ~144x - Wasserdichte Spleißverbinder (optional, aber eine enorme Zeitersparnis)
• Lot
• Schrumpfen durch Hitze
• Abdichten

Schritt 2: Übersicht über das elektrische System

Wie im obigen Diagramm zu sehen ist, kann das elektrische System des Baums in mehrere Hauptkomponenten unterteilt werden: Steuerkasten, Stromanschlusskästen, Datenanschlusskästen und LED-Stränge. Die Steuerbox beherbergt das 5V 60A Netzteil und den Raspberry Pi. Die Data Junction-Boxen enthalten die FadeCandy-LED-Controller. Die Power-Anschlussdosen enthalten Stromschienen zur Verteilung von Strom (5V & GND) an die LED-Stränge. Jedes Paar Anschlussdosen (eine Daten- + eine Stromquelle) steuert acht LED-Stränge. Da in diesem Projekt 24 LED-Stränge verwendet werden, gibt es drei Sätze von Anschlussdosen (insgesamt sechs).

*Im oben gezeigten Diagramm ist ein Fehler aufgetreten, CAT6-Kabel 0 (Strand 0-7) sollte (Strand 0-3) und CAT6-Kabel 1 (Strand 7-15) sollte (Strand 4-7) sein.

Schritt 3: Befestigen Sie wasserdichte Steckverbinder

Da der Baum für den Außenbereich gedacht war, wurde besonders darauf geachtet, dass alle Verbindungen wasserdicht sind. Für diejenigen, die ein ähnliches Innenprojekt durchführen möchten, können die wasserdichten Anschlüsse zugunsten der 3-poligen JST-Anschlüsse, die mit den LED-Strängen geliefert werden, ignoriert werden. Ein Großteil der Arbeit bei diesem Projekt wurde in das Löten der wasserdichten Steckverbinder an die Litzen aufgewendet.

Für unser Setup haben wir den vorhandenen JST-Stecker vom LED-Strang abgeschnitten und an seiner Stelle einen 3-poligen wasserdichten Stecker angebracht. Es sollte darauf geachtet werden, den Stecker auf der "Eingangsseite" des LED-Strangs hinzuzufügen, die Datenverbindung auf den LED-Strängen ist gerichtet. Wir fanden heraus, dass jede LED einen kleinen Pfeil hatte, der die Richtung der Daten anzeigte. Wir haben zunächst jeden der drei Drähte auf der Seite des LED-Strangs mit einer Technik aus Löten, Schrumpfen und Verstemmen befestigt. Schließlich haben wir auf diese wasserdichten Spleißverbinder umgestellt, was sich als enorme Zeitersparnis erwiesen hat.

Auf der Strom- / Datenseite (dh der Seite, mit der die LED-Stränge verbunden sind), haben wir 22 AWG-Draht für Strom / Masse und CAT6-Kabel für Daten / Masse verwendet. Jedes CAT6-Kabel enthält vier verdrillte Paare, sodass wir vier LED-Stränge an ein einzelnes CAT6-Kabel anschließen können. Das obige Diagramm zeigt, wie der 3-polige LED-Strang in 4 Drähte (5V, GND, Data) aufbricht. Das Anschließen von vier Drähten an drei Drähte schien bei der Montage dieses Projekts ein Verwirrungspunkt zu sein. Das Wichtigste ist, dass die beiden Erdungen (Data + Power) am wasserdichten Stecker kombiniert werden.

Jedes CAT6-Kabel wurde mit einem RJ-45-Stecker abgeschlossen, der in ein RJ-45-Buchsengehäuse eingesteckt wurde, das mit einer FadeCandy-Platine verbunden war. Die CAT6-Drähte hätten direkt an die FadeCandy-Platinen gelötet werden können, aber wir haben uns entschieden, Steckverbinder hinzuzufügen, um bei Bedarf einfachere Reparaturen zu ermöglichen. Wir haben alle unsere Kabel 48 Zoll lang gemacht, um uns bei der physischen Montage des Baumes etwas Flexibilität zu geben.

Schritt 4: Anschlüsse an FadeCandy-Boards anbringen

Die FadeCandy-Boards, die wir gekauft haben, wurden nicht mit angebrachten Headern geliefert, sondern es gab zwei Reihen von Durchkontaktierungen mit einem Abstand von 0,1 Zoll. Letztendlich entschieden wir uns, dass die FadeCandys mit den CAT6-Kabeln über Standard-RJ-45-Punch-Down-Buchsen verbunden werden Für den Fall, dass wir eine FadeCandy ersetzen mussten (wie sich herausstellte!), haben wir jedem FadeCandy-Board auch 0,1-Zoll-Pins hinzugefügt. Wir haben an jedem der acht Drähte, die an der RJ-45-Punch-Down-Buchse angebracht sind, weibliche Crimpstifte angebracht, um die 0,1-Zoll-Stiftleisten anzuschließen. Zusätzlich zum Crimpen der Stifte an jedem Draht habe ich auch ein wenig Lötmittel hinzugefügt, um die Stifte zu verhindern Natürlich habe ich diesen Löt-"Trick" erst entdeckt, nachdem die Hälfte der Pins, die ich gecrimpt habe, bei mir versagt haben, Lektion gelernt.

Schritt 5: LEDs in Abstandsstreifen einfügen

Nach dem Lesen einiger Forenbeiträge und dem Anschauen einiger Videos von anderen Leuten, die ähnliche "Bäume" gemacht haben, schien die Verwendung von Kunststoff-Abstandshaltern ein wiederkehrendes Element zu sein. Die Leisten ermöglichen die individuelle Anpassung des Abstands der LEDs und das Spannen der LED-Stränge zwischen dem oberen und unteren Baumring. Die Größe der LED muss der Größe der Abstandshalterlöcher entsprechen (in unserem Fall 12mm), sodass jede einzelne LED genau in die Löcher der Abstandshalter passt. Wir haben uns für unsere LEDs im Zick-Zack-Stil entschieden, sodass 24 LED-Stränge 48 Säulen um den Baum bilden.

Wir haben an dieser Stelle einen Fehler gemacht, der uns gezwungen hat, einige zusätzliche "Löcher" für LEDs zu erzeugen. Wir schneiden die Streifen in zwei Hälften, so dass wir 48 Längen von Abstandshaltern haben. Was wir entdeckten, war, dass jeder 8-Fuß-Abstandshalter 96 Löcher enthielt (eines pro Zoll) und das Schneiden in zwei Hälften auf einem Loch bedeutete, dass wir vier Löcher pro LED-Strang kurz waren. Beachten Sie unseren Fehler und berücksichtigen Sie dies im Voraus! Wir haben schließlich einige "Erweiterungen" lasergeschnitten, um die fehlenden Löcher hinzuzufügen.

Die Vektordatei, die zum Laserschneiden der Erweiterungshalterungen verwendet wurde, ist unten angehängt ("TreeLightBracket.eps")

Schritt 6: Stromanschlussdosen zusammenbauen

Die drei Stromverteilerkästen beherbergen jeweils ein Paar Stromschienen. Der erste Balken verteilt 5V und der andere verteilt GND. Da unser Baum im Freien ausgestellt wurde, entschieden wir uns für wasserdichte Elektrokästen, um die Stromschienen unterzubringen. Wir befestigten jede Stange mit Heißkleber und fügten zwischen jeder Stange und dem Gehäuse einen Rest eines Manila-Ordners hinzu, um Kurzschlüsse zu vermeiden. Jeder Stromanschlusskasten wird über den zuvor beschriebenen 22 AWG-Draht mit acht LED-Strängen verbunden. Jede Box wird mit einem 12 AWG-Kabel an die Hauptstromversorgung angeschlossen und verfügt über einen "Anderson" -Anschluss, um den Transport zu erleichtern.

Schritt 7: Datenanschlusskästen zusammenbauen

Unter Verwendung der gleichen Boxen wie bei den Stromverteilerboxen haben wir drei "Daten"-Verteilerboxen erstellt, in denen jeweils ein einzelnes FadeCandy-Board untergebracht ist. Die Micro-USB-Kabel vom Raspberry Pi werden an die FadeCandy-Boards in dieser Box angeschlossen und die CAT6-Kabel werden auch an die RJ-45-Buchsen angeschlossen. Da die FadeCandy-Boards keine großen Befestigungslöcher haben, haben wir jedes Board mit einem Reißverschluss an ein Stück Sperrholz gebunden. Dieses Sperrholz diente auch als Isolator, um zu verhindern, dass die Platine gegen den Schaltkasten kurzgeschlossen wird.

Schritt 8: Stromversorgung verdrahten

Das 5V 60A Monster eines von uns bestellten Netzteils versorgt das gesamte Projekt mit Strom. Jeder der drei Stromanschlusskästen wird mit einem 12 AWG-Kabel an diese Hauptversorgung angeschlossen. Jede Anschlussdose verfügt über ein eigenes Paar Anderson-Steckverbinder und eine 20-A-Inline-Sicherung, um Kurzschlüsse zu isolieren. Der Raspberry Pi wird auch von dieser Versorgung mit Strom versorgt, was ich erreicht habe, indem ich ein USB-Kabel aufgeschnitten und die Strom- / Massekabel an die Netzteilklemmen angeschlossen habe. Da diese Drähte ziemlich klein waren, fügte ich auch ein paar Kabelbinder hinzu, um diese Verbindungen zu entlasten. Das Netzteil wurde nicht mit einem Netzstecker geliefert, also habe ich ein Standard-Computer-/Monitor-Stromkabel zerschnitten und an die Schraubklemmen angeschlossen. Seien Sie auf der Bühne besonders vorsichtig und überprüfen Sie Ihre Arbeit dreifach! Ich fand dieses Adafruit-Projekt äußerst hilfreich, um zu verstehen, wie die Energie verbunden ist.

Schritt 9: Raspberry Pi einrichten

Ich richte eine microSD-Karte mit dem Raspbian-Betriebssystem ein und richte einen FadeCandy-Server mit den Anweisungen hier ein:

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

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

Ich habe festgestellt, dass das OpenPixelControl-Repository eine großartige Reihe von Beispielen für die Verbindung mit dem FadeCandy-Server enthält. Letztendlich habe ich ein Python-Skript geschrieben, um Animationen im Baum beim Booten des Pi zu wiederholen. Es lädt Videos mit unserer Zielauflösung, geht Bild für Bild durch das Video und sendet für jedes Bild ein FadeCandy-Kontrollarray. Die FadeCandy-Konfigurationsdatei ermöglicht die Verbindung mehrerer Boards, als ob sie ein einziges Board wären, und sorgt für eine sehr saubere Schnittstelle. Das Python-Skript, das den Baum steuert, ist so eingerichtet, dass es Dateien aus einem bestimmten Ordner lädt. Daher ist das Anpassen der Animationen so einfach wie das Hinzufügen/Entfernen von Videodateien aus diesem Ordner.

Beim Testen des Baums ist es mir gelungen, eine microSD-Karte zu beschädigen. Ich führe dies darauf zurück, dass der Pi von der Stromversorgung getrennt wird, ohne dass ein ordnungsgemäßes Herunterfahren erfolgt. Um zukünftige Vorfälle zu vermeiden, habe ich einen Druckknopf hinzugefügt und ihn so konfiguriert, dass er den Pi sicher herunterfährt. Ich habe auch mehrere Backups der endgültigen microSD-Karte gemacht, nur für den Fall.

Bevor ich alle Teile für den eigentlichen Baum erhalten habe, habe ich das OpenPixelControl-Git-Hub-Repository gegabelt und einen ordentlichen LED-Simulator darin entdeckt. Ich habe dieses Programm tatsächlich verwendet, um einen großen Teil des oben erwähnten Animationsskripts zu testen. Der Simulator benötigt eine Konfigurationsdatei, die die physische Platzierung jeder LED im Raum angibt (denken Sie an X, Y, Z) und verwendet dieselbe Schnittstelle wie das FadeCandy-Serverprogramm.

Schritt 10: Animationen erstellen

Das zuvor verlinkte Python-Skript kann jedes Videoformat im Baum abspielen, solange die Auflösung 96x50 beträgt. Die Auflösung des Baums beträgt 48x25, das Tool, das ich zum Konvertieren von Videos in eine niedrigere Auflösung verwendet habe (Handbrake), hatte jedoch eine minimale Pixelgrenze von 32 Pixeln. Aus diesem Grund habe ich einfach die tatsächliche Auflösung des Baums verdoppelt und dann jedes zweite Pixel in meinem Python-Skript abgetastet.

Der Prozess, den ich für die meisten Animationen verwendet habe, bestand darin, ein-g.webp

Mit der OpenPixelControl-Schnittstelle können Sie Muster auch programmgesteuert generieren. Während der ersten Tests habe ich das Python-Skript "raver_plaid.py" ziemlich oft verwendet.

Die für unseren Baum verwendeten Animationen sind unter "makerTreeAnimations.zip" angehängt.

Schritt 11: Elektrischer Systemtest

Nachdem alle wichtigen Elektrik-/Softwarekomponenten angeschlossen waren, war es an der Zeit, alles auszuprobieren. Ich baute einen einfachen Holzrahmen, um die LED-Stränge zu spannen, was sich als sehr nützlich erwies, um festzustellen, ob Stränge nicht in Ordnung waren (was es mehrere gab). Die obigen Videos zeigen eine vorgefertigte Demo von OpenPixelControl und meinem benutzerdefinierten Videoplayer-Python-Skript, das eine Mario-Animation ausführt.

Schritt 12: Rahmen konstruieren

Wir haben alle LED-Stränge an einem Prototyprahmen befestigt, den wir aus PVC und Pex-Rohr bauen. Wir haben die Kabelbinder locker gelassen, damit wir sie bei Bedarf neu positionieren können. Dies erwies sich als eine großartige Entscheidung, da wir entschieden haben, dass das vertikale PVC das LED-Raster zu stark aufbricht und stattdessen auf ein CNC-Design umgestellt hat. Das endgültige Design besteht im Wesentlichen aus einer oberen Schlaufe und einer unteren Schlaufe. Die untere Schlaufe wird an der Basis des Baumes montiert und hat einen größeren Durchmesser als die obere Schlaufe, die (keine Überraschung) an der Spitze des Baumes montiert ist. Die LED-Stränge erstrecken sich zwischen den oberen und unteren Schleifen, um die Kegelform (oder "Baum", wenn Sie so wollen) zu bilden.

Beide Schlaufen wurden auf einer CNC-Fräse aus 3/4" Sperrholz geschnitten, die Vektordatei für die Schlaufen ist unten angehängt ("TreeMountingPlates.eps"). Die oberen und unteren Schlaufen bestehen jeweils aus zwei halbkreisförmigen Stücken, die ein komplettes Schleife. Das zweiteilige Design war so, dass wir die beiden Hälften leicht um den Baum herum befestigen konnten, ohne die Äste zu beschädigen. Unser lokaler CNC-Guru fügte ein nettes bisschen Flair hinzu, indem er die oberen und unteren Rahmenschlaufen in Schneeflocken verwandelte. Ein Hauch von weißer Farbe und etwas Glitzer wurde auch hinzugefügt, um den Rahmen aufzupeppen.

Schritt 13: Untere Scheibe konstruieren / Elektronik montieren

Wir schneiden zwei Halbkreise aus einem weiteren Stück Sperrholz mit dem gleichen Durchmesser wie die zuvor beschriebene untere Schlaufe, um die Elektronik (Schaltkasten, Anschlussdosen) unter der unteren Schlaufe zu montieren. Wie bei den oberen und unteren Schlaufen wurde es in zwei Teilen hergestellt und dann entlang der Mittellinie zu einem vollständigen Kreis verbunden. Die Scheibe wurde grün lackiert, damit sie sich einfügt und sie vor Regen schützt. Auf der Unterseite dieser Scheibe haben wir alle Elektronikboxen montiert, so dass die Scheibe eine Art Schirm zu den elektrischen Komponenten bildet. Überschüssige Drahtlängen wurden gewickelt und mit einem Reißverschluss an diese Scheibe gebunden, um ein sauberes Erscheinungsbild beizubehalten.

Schritt 14: Rahmen am Baum befestigen

Als die oberen und unteren Rahmenschlaufen trocken waren, trieben wir mehrere lange Winkeleisen in den Baumtopf, um den Stamm zu stabilisieren. Das Winkeleisen bot auch Befestigungspunkte für die oberen und unteren Rahmenschlaufen, ohne den physischen Baum zu belasten. Mit allen LED-Strängen an der oberen Schlaufe haben wir ein Stück Seil verwendet, um die obere Ringbaugruppe von der Decke aufzuhängen. Wir fanden, dass es einfacher war, den Ring langsam auf den Baum abzusenken, anstatt zu versuchen, ihn mit der Hand festzuhalten. Sobald der obere Ring auf dem Winkeleisen angebracht war, befestigten wir den unteren Ring am Baum und banden die LED-Stränge auch mit einem Reißverschluss fest an der unteren Schlaufe. Die untere (grüne) Scheibe wurde direkt unter der unteren Schleife mit der gesamten Elektronik montiert.

Schritt 15: Liefern (optional)

Lehnen Sie sich jetzt zurück und genießen Sie die Früchte Ihrer Arbeit! Unser Baum wird den ganzen Monat Dezember (2018) in North Little Rock ausgestellt sein. Ich überlege schon, wie wir das Display für unsere mini MakerFaire im Frühjahr interaktiv gestalten können.

Haben Sie Fragen? Fragen Sie in den Kommentaren!

Zweiter im Make it Glow Contest 2018