Programmierbarer RGB-LED-Sequenzer (mit Arduino und Adafruit Trellis) - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:21

Meine Söhne wollten farbige LED-Streifen, um ihre Schreibtische zu beleuchten, und ich wollte keinen RGB-Streifen-Controller aus der Dose verwenden, weil ich wusste, dass sie sich mit den festen Mustern dieser Controller langweilen würden. Ich dachte auch, es wäre eine großartige Gelegenheit, ein Lehrwerkzeug für sie zu entwickeln, mit dem sie ihre Programmier- und Elektronikfähigkeiten verbessern können, die ich ihnen beigebracht habe. Dies ist das Ergebnis.

Ich werde Ihnen zeigen, wie Sie diesen einfachen, programmierbaren RGB-LED-Streifen-Controller mit einem Arduino Uno (oder Nano), einem Adafruit Trellis und einer Handvoll anderer Teile bauen.

Das Adafruit Trellis ist eines meiner neuen Lieblingsspielzeuge von Lady Ada und ihrer Crew. Zunächst einmal sind es nur 9,95 US-Dollar für das Board und weitere 4,95 US-Dollar für das Silikon-Elastomer-Tastenfeld (Preise zum Zeitpunkt dieses Schreibens). Das ist eine Menge für eine 16-Tasten-4x4-Matrix mit LED-Fähigkeit. Es werden keine LEDs geliefert, die Sie mitbringen müssen, aber das gibt Ihnen die Flexibilität, die gewünschten Farben zu wählen (und hält Kosten und Komplexität im Vergleich zum Einbau adressierbarer LEDs gering). Um dieses Projekt wie meins zu bauen, benötigen Sie eine Handvoll 3mm LEDs. Ich habe 2 rote, 2 grüne, 2 blaue, 4 gelbe und 6 weiße verwendet.

Das Trellis verwendet I2C zur Kommunikation, sodass es nur zwei I/O-Pins (Daten und Takt) benötigt, um 16 Tasten und 16 LEDs zu steuern.

Sie können den Hardware-Teil dieses Projekts auf einem kleinen Proto-Board machen, so habe ich meinen Prototyp gemacht. Mir wurde schnell klar, dass ich etwas Ordentliches und Zurückhaltenderes auf ihren Schreibtischen brauchte (ein nacktes Arduino und ein herumhämmerndes Proto-Board wäre zu zerbrechlich), also machte ich mein eigenes Schild, um die LED-Streifen anzutreiben. Anweisungen und Dateien zum Bau des Schildes sind im letzten Schritt enthalten.

Der Treiber verwendet drei IRLB8721 MOSFETs und drei Widerstände. Und natürlich benötigen Sie einen LED-Streifen zum Fahren; so ziemlich jeder normale 12-V-RGB-LED-Streifen reicht aus. Dies sind einfache LEDs, wie SMD 5050s, keine schicken einzeln adressierbaren (keine NeoPixel usw.) - das ist ein anderes Projekt! Sie benötigen auch ein 12-V-Netzteil, das groß genug ist, um die Anzahl der LEDs zu betreiben, die Sie verwenden möchten.

Um es zusammenzufassen, hier sind die grundlegenden Hardwareanforderungen für dieses Projekt:

• Ein Arduino Uno oder Nano (diese Anweisungen gelten für Uno mit installierten Buchsenleisten, aber Nano auf einem Steckbrett funktioniert gut) (Adafruit, Amazon, Mouser);
• Eine Adafruit Trellis-Platine und eine Silikon-Tastenauflage (Adafruit);
• Drei IRLB8721 N-Kanal-MOSFETs (Adafruit, Amazon, Mouser);
• Drei 1K-Widerstände (Amazon, Mouser);
• Drei 220 Ohm Widerstände (Amazon, Mouser)
• Ein kleines Proto-Board (mein erstes war 1/4 Größe - wählen Sie eine beliebige Größe, mit der Sie bequem arbeiten können) (Adafruit, Amazon);
• Ein 12-V-RGB-LED-Streifen (SMD 5050) (Adafruit, Amazon);
• 12-V-Netzteil - Wählen Sie eine Wattzahl, die für die Anzahl der LEDs geeignet ist, die Sie betreiben möchten.

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Lass uns anfangen…

Schritt 1: Verdrahten Sie die Treiberplatine

Hier ist die LED-Treiberschaltung. Es ist sehr einfach. Es verwendet einen IRBLxxx N-Kanal-MOSFET für jeden Kanal des LED-Streifens. Der LED-Streifen ist eine gemeinsame Anode, was bedeutet, dass +12 V an den LED-Streifen gesendet werden, und die roten, grünen und blauen LED-Kanäle werden durch Bereitstellung von Masse an der jeweiligen Verbindung zum Streifen gesteuert. Also verbinden wir den Drain der MOSFETs mit den LED-Farbkanälen und die Source mit Masse. Die Gates werden mit Arduino-Digitalausgängen verbunden und die Widerstände bieten einen Pull-Down, der sicherstellt, dass jeder MOSFET nach Bedarf vollständig ein- oder ausgeschaltet wird.

Der Arduino bietet an einigen seiner digitalen Ausgänge Pulsweitenmodulation, daher verwenden wir diese Ausgänge (insbesondere D9, D10, D11), damit die Intensität jedes Farbkanals gesteuert werden kann.

Wenn Sie nicht wissen, was Sie an den IRLB8721-MOSFETs an welcher Stelle anschließen sollen, halten Sie einen in der Hand, wobei die Vorderseite zu Ihnen zeigt, wie auf dem Foto oben gezeigt. Der Pin auf der linken Seite (Pin 1) ist das Gate und wird mit einem Arduino-Digitalausgangspin und dem Widerstand verbunden (das andere Ende des Widerstands sollte mit Masse verbunden sein). Der Pin in der Mitte (Pin 2) ist der Abfluss und wird mit dem Farbkanal des LED-Streifens verbunden. Der rechte Pin (Pin 3) ist die Quelle und ist mit Masse verbunden. Achten Sie darauf, welcher Transistor mit welchem LED-Farbkanal verbunden ist.

Ich werde nicht auf die Details zum Löten von Proto-Boards eingehen. Ehrlich gesagt hasse ich es, und ich bin nicht gut darin. Aber im Guten wie im Schlechten funktioniert es, und es ist ein schneller und schmutziger Weg, um einen soliden Prototyp oder ein Einzelstück zu erstellen. Mein erstes Board ist hier abgebildet.

Sie könnten dies auch aufstecken. Es wäre sicherlich schneller, als alles auf einer Proto-Platine zu verlöten, aber weniger dauerhaft.

Sobald Sie Ihren Treiber verdrahtet haben, verbinden Sie die MOSFET-Gate-Eingänge mit den digitalen Arduino-Ausgangspins: D9 für den grünen Kanal, D10 für den roten Kanal und D11 für den blauen Kanal. Verbinden Sie den LED-Streifen auch mit Ihrem Proto-Board.

Stellen Sie außerdem sicher, dass Ihre Treiberplatine eine separate Verbindung von ihrer Masse zu einem der Massestifte des Arduino hat.

Verbinden Sie schließlich für die LED-Stromversorgung das negative (Masse-) Kabel der 12-V-Versorgung mit einer Masse auf Ihrer Treiberplatine. Verbinden Sie dann das Pluskabel der 12V-Versorgung mit dem Anodenkabel Ihres LED-Streifens (dies ist ein schwarzer Draht an meinen im Bild gezeigten Kabeln).

Letztendlich habe ich ein PC-Board-Shield entworfen, das auf dem Uno montiert wird und auch eine Montagehalterung für das Trellis hat. Dies lieferte ein viel fertigeres Endprodukt. Wenn Sie dies tun möchten, können Sie die Verwendung der Proto-Platine wie hier beschrieben überspringen und einfach die Schildplatine herstellen lassen. Das alles wird im letzten Schritt beschrieben.

Schritt 2: Setzen Sie LEDs auf das Trellis

Die Trellis-Platine hat leere Pads für 3mm-LEDs, die wir füllen müssen. Beachten Sie sorgfältig die Symbole an den Pads - es gibt ein sehr subtiles "+" neben dem Pad, um die Anodenseite zu bezeichnen. Wenn Sie die Platine so halten, dass der Text mit der rechten Seite nach oben steht, gibt es oben und unten auf der Platine auch eine Notation, die darauf hinweist, dass sich die LED-Anoden auf der linken Seite befinden.

Löten Sie Ihre 3mm LEDs auf die Platine. Betrachtet man die Vorderseite der Platine, Text mit der rechten Seite nach oben, ist die obere linke Schalter- / LED-Position Nr. 1, die obere rechte ist Nr. 4, die untere linke ist Nr. 13 und die untere rechte ist Nr. 16. Hier sind die Farben, die ich in jeder Position verwendet habe (und es gibt einen Grund dafür, daher empfehle ich Ihnen, meinem Muster zumindest für die oberen beiden Reihen zu folgen):

1 - Rot2 - Grün3 - Blau4 - Weiß5 - Rot6 - Grün7 - Blau8 - Weiß9 - Weiß10 - Weiß11 - Gelb12 - Gelb13 - Weiß14 - Weiß15 - Gelb16 - Gelb

CC-Namensnennung: Das obige Trellis-Bild stammt von Adafruit und wird unter der Creative Commons-Lizenz Namensnennung/Weitergabe unter gleichen Bedingungen verwendet.

Schritt 3: Verbinden Sie das Gitter mit dem Arduino

Das Trellis hat fünf Verdrahtungspads, aber in diesem Projekt werden nur vier verwendet. Das Trellis benötigt SDA und SCL, um mit dem Arduino (unter Verwendung von I2C) zu kommunizieren, und 5V und GND für die Stromversorgung. Das letzte Pad, INT, wird nicht verwendet. Die Trellis-Pads erscheinen an allen vier Kanten des Boards. Sie können jeden beliebigen Satz Pads verwenden.

Löten Sie einen festen Verbindungsdraht an die 5V-, GND-, SDA- und SCL-Pads. Verbinden Sie dann das 5V-Kabel mit dem 5V-Pin des Arduino, den GND mit dem Massepin, das SDA-Kabel mit A4 und das SCL-Kabel mit A5.

Als nächstes werden wir das Arduino einschalten und die Skizze darauf hochladen. Jetzt ist ein guter Zeitpunkt, um das Silikon-Tastenpad auf das Trellis-Board zu legen. Es sitzt nur auf dem Board (beachten Sie die "Noppen" auf der Unterseite des Pads, die in die Löcher des Boards passen), also können Sie ein paar Stücke Klebeband verwenden, um die Kanten des Pads an das Board zu halten jetzt.

CC-Namensnennung: Das obige Trellis-Verdrahtungsbild ist eine beschnittene Version dieses Bildes von Adafruit und wird unter der Creative Commons-Lizenz namens Namensnennung/Weitergabe unter gleichen Bedingungen verwendet.

Schritt 4: Laden Sie die Projektskizze herunter und laden Sie sie auf den Arduino hoch

Sie können die Skizze aus meinem Github-Repository für dieses Projekt herunterladen.

Sobald Sie es haben, öffnen Sie es in der Arduino IDE, schließen Sie das Arduino mit einem USB-Kabel an und laden Sie die Skizze zum Arduino hoch.

Wenn die Skizze hochgeladen wurde und das Trellis richtig angeschlossen ist, sollte eine der Tasten am Trellis beim Drücken dreimal schnell blinken. Dies ist ein Hinweis darauf, dass Sie eine ungültige Taste gedrückt haben, da das System im "Aus"-Zustand angezeigt wird, sodass der einzige gültige Tastendruck zum Einschalten erforderlich ist.

Um das System einzuschalten, halten Sie die untere linke Taste (#13) mindestens eine Sekunde lang gedrückt. Wenn Sie die Taste loslassen, sollten alle LEDs kurz aufleuchten und dann erlöschen die unteren beiden Reihen, außer #13 (unten links). Das System befindet sich nun im eingeschalteten und im Ruhezustand.

Als ersten Test können Sie versuchen, die beiden oberen Reihen zum Aufhellen und Dimmen der LED-Kanäle zu verwenden. Wenn das funktioniert, können Sie mit dem nächsten Schritt fortfahren. Wenn nicht, überprüfen Sie:

1. LED-Netzteil ist angeschlossen und eingeschaltet;

2. Die MOSFETs der Treiberplatine sind korrekt verdrahtet. Wenn Sie die gleichen IRLB8721 verwenden, die ich verwendet habe, überprüfen Sie:

   • Die Signaleingänge der Treiberplatine (MOSFET-Gates, IRLB8721 Pin 1) sind mit Arduino verbunden D9 = grün, D10 = rot, D11 = blau (siehe Hinweis unten);
   • Der LED-Streifen ist mit der Treiberplatine verbunden und die LED-Farbkanäle sind mit den MOSFET-Drains (IRLB8721 Pin 2) verbunden;
   • MOSFET-Source-Pins (IRLB8721 Pin 3) sind auf der Treiberplatine mit Masse verbunden;
3. Masseverbindung zwischen Treiberplatine und Arduino-Massestift.

Im nächsten Schritt spielen wir mit einigen Funktionen der Tastenfeld-Benutzeroberfläche.

HINWEIS: Wenn Ihr Controller funktioniert, aber die Intensitätstasten nicht die richtigen Farben steuern, machen Sie sich keine Sorgen und verdrahten Sie nicht neu! Gehen Sie einfach in die Skizze in der Arduino IDE und ändern Sie die ROTEN, GRÜNEN und BLAUEN Pindefinitionen oben in der Datei.

Schritt 5: Grundlegende Steuerfunktionen

Nachdem das System nun eingeschaltet ist, können wir mit einigen der Tasten spielen und es tun lassen.

Wie ich im vorherigen Schritt sagte, kommt das System beim Einschalten in den "Leerlauf" -Zustand. In diesem Zustand können Sie mit den Tasten in den oberen beiden Reihen die Farbintensität jedes der roten, grünen und blauen LED-Kanäle erhöhen und verringern. Wenn Sie die weißen Erhöhungs-/Verringerungstasten verwenden, erhöht oder verringert das System die Intensität aller drei Kanäle gleichmäßig und gleichmäßig.

Die unteren beiden Reihen werden verwendet, um Preset-Patterns abzuspielen. Diese Muster werden im EEPROM des Arduino gespeichert. Wenn die Skizze zum ersten Mal ausgeführt wird, sieht sie, dass im EEPROM keine Muster gespeichert sind, und speichert einen Satz von Standardmustern. Danach können Sie diese Muster ändern, und Ihre Änderungen werden im EEPROM des Arduino gespeichert und ersetzen das voreingestellte Muster. Dadurch wird sichergestellt, dass Ihre Muster Stromunterbrechungen überstehen. Die Editierfunktion wird im nächsten Schritt beschrieben.

Drücken Sie zunächst kurz eine der Preset-Tasten (die acht Tasten in den unteren beiden Reihen), um das für diese Taste gespeicherte Pattern auszuführen. Die Taste blinkt, während das Muster läuft. Um das Muster zu stoppen, drücken Sie die Mustertaste erneut kurz. Während ein Pattern läuft, können Sie mit den weißen Auf-/Ab-Tasten in den oberen Reihen die Pattern-Rate ändern.

Wenn Sie das Projekt einige Sekunden lang in Ruhe lassen, ohne eine Taste zu berühren, werden Sie feststellen, dass die LEDs dunkler werden. Dies dient sowohl der Energieeinsparung als auch der Vermeidung, dass das Trellis die "Stimmung" überbeleuchtet, die die LEDs zu erzeugen versuchen. Durch Berühren einer Taste am Trellis wird es wieder aufgeweckt.

Um das System auszuschalten, halten Sie die untere linke Taste (#13) eine oder mehrere Sekunden lang gedrückt und lassen Sie sie los. Das Gitter und der LED-Streifen werden dunkel.

Schritt 6: Bearbeiten von Mustern auf der Tastatur

Wie ich im vorherigen Schritt sagte, speichert die Skizze beim ersten Ausführen acht Standardmuster im EEPROM. Sie können 7 dieser Muster in etwas anderes ändern, wenn Sie den Musterbearbeitungsmodus auf dem Tastenfeld verwenden.

Um in den Musterbearbeitungsmodus zu gelangen, entscheiden Sie zuerst, für welche Schaltfläche Sie das Muster bearbeiten möchten. Sie können eine beliebige andere Schaltfläche als die untere linke Schaltfläche auswählen. Rufen Sie den Pattern-Bearbeitungsmodus auf, indem Sie die gewünschte Pattern-Taste lange drücken (länger als eine Sekunde gedrückt halten). Beim Loslassen leuchtet die Taste durchgehend und die oberen beiden Reihen beginnen zu blinken. Dies zeigt an, dass Sie sich im Bearbeitungsmodus befinden.

Der Bearbeitungsmodus beginnt mit dem ersten Schritt des Musters und wird fortgesetzt, bis Sie die Bearbeitung beenden oder die Bearbeitung des 16. Schritts (maximal 16 Schritte pro Muster) beenden. Verwenden Sie bei jedem Schritt die Kanalintensitätstasten in den oberen beiden Reihen, um die gewünschte Farbe für diesen Schritt auszuwählen. Drücken Sie dann kurz die Mustervoreinstellungstaste, um diese Farbe zu speichern und mit dem nächsten Schritt fortzufahren. Anstatt kurz zu drücken, drücken Sie im letzten Schritt einfach lange, um die Bearbeitung zu beenden.

Nachdem Sie die Pattern-Bearbeitung beendet haben, wird das Pattern automatisch abgespielt.

Das ist es! Sie haben jetzt einen RGB-LED-Controller, der Muster sequenziert, die Sie über die Tastatur programmieren können. Sie können hier aufhören, oder wenn Sie eine formellere Version dieses Projekts erstellen möchten, fahren Sie mit den restlichen Schritten fort.

Schritt 7: Bessere Hardware: RGB-LED-Treiberschild und Gehäuse

Sobald ich einen funktionierenden Prototyp hatte, wusste ich, dass ich ein nacktes Arduino und ein Proto-Board nicht als dauerhafte Lösung auf den Schreibtischen meiner Kinder lassen konnte. Ich brauchte ein Gehäuse für das Projekt. Ich entschied auch, dass ich ein besseres Treiberboard machen würde, und ich dachte, es wäre die perfekte Gelegenheit, mein eigenes Schild zu bauen.

Ich habe meinen Papierschaltplan aufgeräumt, indem ich ihn in ExpressSCH eingegeben habe, ein kostenloses Tool von ExpressPCB, einem Platinenhersteller, der kostengünstige Kleinserien kleiner PC-Platinen anbietet. Ich verwende ExpressPCB seit über einem Jahrzehnt für Projekte, aber verwende auf jeden Fall alle Tools und Hersteller, die du bevorzugst.

Ich habe dem Grundschema ein paar kleine Funktionen hinzugefügt, damit es gut als Schild für dieses Projekt funktioniert. Ich habe Verdrahtungspads hinzugefügt, um das Trellis, eine Strombuchse, eine Kontrolllampe und einen Anschluss für den LED-Streifen anzuschließen. Ich habe auch einen Platz für einen Kondensator über der Stromversorgung hinzugefügt. Die letzte Schaltung ist hier gezeigt.

Ich entschied, dass die Energie für das Projekt vom Schild kommen sollte. Die 12V, die dem Schild zugeführt werden, versorgen sowohl den LED-Streifen als auch das Arduino. Der Arduino wird mit Strom versorgt, indem der Versorgungseingang mit dem VIN-Pin des Arduino verbunden wird, der bidirektional ist (Sie können den Arduino an diesem Pin mit Strom versorgen, oder wenn Sie den Arduino an anderer Stelle mit Strom verbinden, erhalten Sie den mitgelieferten Strom an diesem Pin). Die Schutzdiode D1 verhindert, dass eine direkt an den Arduino angeschlossene Stromversorgung (z. B. USB) versucht, die LEDs mit Strom zu versorgen.

Warum nicht die Strombuchse des Arduino verwenden und dort einfach 12V anschließen? Während ich 12 V an die Strombuchse des Arduino hätte liefern und den VIN-Pin verwenden können, um diese Leistung für das Schild zu nutzen, war ich besorgt, dass die D1-Diode und die Spuren des Arduino nicht den hohen Strömen gewachsen sein würden, die beim Ansteuern der LED möglich sind Streifen. Also beschloss ich, dass mein Shield die Stromaufnahme übernimmt und stattdessen den Arduino mit Strom versorgt. Ich brauchte auch 5 V für das Trellis, aber die On-Board-Stromregelung des Arduino liefert 5 V an mehreren Pins, also habe ich einen davon für die Gitter. Das hat mir das Anbringen einer Reglerschaltung auf dem Schild erspart.

Dann habe ich die Platine ausgelegt. Ich habe einige Ressourcen verwendet, die ich gefunden habe, um die genauen Maße für die Platzierung der Pins zu erhalten, um die Header auf dem Arduino Uno zu treffen. Ein bisschen Fleiß und es hat gleich beim ersten Versuch gepasst. Es gibt nicht viel an der Abschirmschaltung selbst, also hatte ich viel Platz. Ich habe breite Leiterbahnen für die LED-Lasten ausgelegt, damit es für meine Bedürfnisse genügend Strombelastbarkeit gibt. Ich habe die MOSFETs dort aufgestellt, wo sie flach montiert werden könnten, mit oder ohne Kühlkörper. Bisher habe ich keine Kühlkörper für die Anzahl der LEDs benötigt, die ich verwendet habe, aber der Platz ist bei Bedarf da.

Ich fügte auch Löcher hinzu, die zu den Befestigungslöchern am Trellis passten, damit ich Abstandshalter verwenden konnte, um das Trellis an meinem Schild zu befestigen. Wenn das Schild an das Arduino angeschlossen ist und das Trellis an Abstandshaltern über dem Schild aufgehängt ist, sollte alles schön und solide sein.

Ich habe dann das Platinenlayout gedruckt und auf ein Stück Schaumstoffkern geklebt und meine Teile eingesetzt, um sicherzustellen, dass alles passt. Alles gut, also habe ich die Bestellung abgeschickt.

Ich habe dann angefangen, an einem Gehäuse zu arbeiten. Mit Fusion 360 habe ich ein einfaches Gehäuse entworfen, das die drei Boards (Arduino Uno, Shield und Trellis) enthält. Löcher im Gehäuse ermöglichen den Anschluss an den USB-Anschluss des Arduino und natürlich den Zugang zum LED-Streifenanschluss und zur Abschirmungsstrombuchse. Die Arduino-Strombuchse ist vom Gehäuse abgedeckt, um sicherzustellen, dass sie nicht verwendet wird. Nach ein paar Prototypen zur Testmontage hatte ich endlich ein Design, mit dem ich zufrieden war. Ich habe die STL-Dateien für das Gehäuse an Thingiverse gepostet.

In Zukunft werde ich eine Version des Boards machen, in die ein Nano direkt eingesteckt werden kann. Das würde das Projekt noch kompakter machen. Bis dahin könnten Sie auch einen solchen Nano-zu-Uno-Shield-Adapter verwenden.

Wenn Sie den Schild herstellen möchten, benötigen Sie zusätzlich zu den in Schritt 1 genannten Teilen Folgendes:

• RGB LED Driver Shield PC-Platine (von ExpressPCB oder anderen; Sie können die Dateien von meinem Github-Repository für das Projekt herunterladen);
• 1N4002-Diode;
• 100uF 25V radialer Elektrolytkondensator (bei großer LED-Last 220uF oder 470uF verwenden);
• Strombuchse, PJ202-AH (5A-Modell).

Die folgenden Teile sind optional:

• 3mm LED -- beliebige Farbe, für Kontrolllampe (kann weggelassen werden)
• 1500 Ohm Widerstand - nur bei Verwendung einer LED-Kontrolllampe erforderlich