Скетч для светодиодной ленты ардуино. Виды транзисторных ключей

На этом занятии мы будем использовать цифровые и аналоговые выходы с «широтно импульсной модуляцией» на плате Arduino для включения RGB светодиода с различными оттенками. Использование RGB LED ленты позволяет создать освещение интерьера с любым оттенком цвета. Расскажем про устройство и распиновку полноцветного (RGB) светодиода и рассмотрим директиву #define в языке C++.

Устройство и назначение RGB светодиода

Для отображения всей палитры оттенков вполне достаточно три цвета, используя RGB синтез (Red - красный, Green - зеленый, Blue - синий). RGB палитра используется не только в графических редакторах, но и в сайтостроении . Смешивая цвета в разной пропорции можно получить практически любой цвет. Преимущества RGB светодиодов в простоте конструкции, небольших габаритах и высоком КПД светоотдачи.

RGB светодиоды объединяют три кристалла разных цветов в одном корпусе. RGB LED имеет 4 вывода — один общий (анод или катод имеет самый длинный вывод) и три цветовых вывода. К каждому цветовому выходу следует подключать резистор. Кроме того, модуль RGB LED Arduino может сразу монтироваться на плате и иметь встроенные резисторы — этот вариант более удобный для занятий в кружке .

Фото. Распиновка RGB светодиода и модуль с RGB светодиодом для Ардуино

Распиновка RGB светодиода указана на фото выше. Заметим также, что для многих полноцветных светодиодов необходимы светорассеиватели, иначе будут видны составляющие цвета. Далее подключим RGB светодиод к Ардуино и заставим его светится всеми цветами радуги с помощью «широтно импульсной модуляции».

Управление RGB светодиодом на Ардуино

Аналоговые выходы на Ардуино используют «широтно импульсную модуляцию» для получения различной силы тока. Мы можем подавать на все три цветовых входа на светодиоде различное значение ШИМ-сигнала в диапазоне от 0 до 255, что позволит нам получить на RGB LED Arduino практически любой оттенок света.

Для занятия нам понадобятся следующие детали:

  • плата Arduino Uno / Arduino Nano / Arduino Mega;
  • макетная плата;
  • RGB светодиод;
  • 3 резистора 220 Ом;
  • провода «папа-мама».

Фото. Схема подключения RGB LED к Ардуино на макетной плате

Модуль «RGB светодиод» можно подключить напрямую к плате, без проводов и макетной платы. Подключите модуль с полноцветным RGB светодиодом к следующим пинам: Минус — GND, B — Pin13, G — Pin12, R — Pin11 (смотри первое фото). Если вы используете RGB LED (Light Emitting Diode), то подключите его по схеме на фото. После подключения модуля и сборки схемы на Ардуино загрузите скетч.

Скетч для мигания RGB светодиодом

#define RED 11 // Присваиваем имя RED для пина 11 #define GREEN 12 // Присваиваем имя GREEN для пина 12 #define BLUE 13 // Присваиваем имя BLUE для пина 13 void setup () { pinMode(RED, OUTPUT ); pinMode(GREEN, OUTPUT ); // Используем Pin12 для вывода pinMode(BLUE, OUTPUT ); // Используем Pin13 для вывода } void loop () { digitalWrite (RED, HIGH ); // Включаем красный свет digitalWrite (GREEN, LOW ); digitalWrite (BLUE, LOW ); delay (1000); digitalWrite (RED, LOW ); digitalWrite (GREEN, HIGH ); // Включаем зеленый свет digitalWrite (BLUE, LOW ); delay (1000); // Устанавливаем паузу для эффекта digitalWrite (RED, LOW ); digitalWrite (GREEN, LOW ); digitalWrite (BLUE, HIGH ); // Включаем синий свет delay (1000); // Устанавливаем паузу для эффекта }

Пояснения к коду:

  1. с помощью директивы #define мы заменили номер пинов 11, 12 и 13 на соответствующие имена RED , GREEN и BLUE . Это сделано для удобства, чтобы не запутаться в скетче и понимать какой цвет мы включаем;
  2. в процедуре void setup() мы назначили пины 11, 12 и 13, как выходы;
  3. в процедуре void loop() мы поочередно включаем все три цвета на RGB LED.

    4. Плавное управление RGB светодиодом

    Управление rgb светодиодом на Arduino можно сделать плавным, используя аналоговые выходы с «широтно импульсной модуляцией». Для этого цветовые входы на светодиоде необходимо подключить к аналоговым выходам, например, к пинам 11, 10 и 9. И подавать на них различные значения ШИМ (PWM) для различных оттенков. После подключения модуля с помощью проводов «папа-мама» загрузите скетч.

    Скетч для плавного мигания RGB светодиода

    #define RED 9 // Присваиваем имя RED для пина 9 #define GREEN 10 // Присваиваем имя GREEN для пина 10 #define BLUE 11 // Присваиваем имя BLUE для пина 11 void setup () { pinMode (RED, OUTPUT ); // Используем Pin9 для вывода pinMode (GREEN, OUTPUT ); // Используем Pin10 для вывода pinMode (BLUE, OUTPUT ); // Используем Pin11 для вывода } void loop () { analogWrite (RED, 50); // Включаем красный свет analogWrite (GREEN, 250); // Включаем зеленый свет analogWrite (BLUE, 150); // Включаем синий свет }

    Пояснения к коду:

    1. с помощью директивы #define мы заменили номер пинов 9, 10 и 11 на соответствующие имена RED , GREEN и BLUE . Это сделано для удобства, чтобы не запутаться в скетче и понимать какой цвет мы включаем;
    2. пины 11, 12 и 13 мы использовали, как аналоговые выходы analogWrite .


В преддверии Нового Года предлагаю вам собрать елочную программируемую RGB гирлянду с возможностью создавать различные узоры.

Что понадобится для гирлянды?

WS2811 RGB Full Color 12mm LED String DC 5V можно приобрести на Aliexpress за 20 долларов. Обычной конец одной такой гирлянды можно соединять с другой, чтобы увеличить длину. Эта статья рассчитана на построение световых узоров, так что, если у вас под рукой есть программируемая LED гирлянда с другим протоколом, вам надо будет, переписать программу и подключить гирлянду в соответствии с datasheet.
5 вольтовый источник тока, рассчитанный на ток, потребляемый вашей гирляндой. Обычно продавец указывает ток, потребляемый гирляндой.
Arduino любой версии. Автор использовал стандартный Arduino Uno.
Зеленая акриловая краска
Изолента
Провод.
Желательно иметь разъемы JST чтобы было легче соединять гирлянду с контроллером

Перед тем как начать собирать елочную гирлянду, убедитесь, что все светодиоды исправны. В интернете можно найти, как подключить WS2811 к Arduino.

Определите выводы +5V и GND по datasheet на вашу WS2811
Красный = + 5В
Синий = GND
Белый = Данные

Подключение получается такое, как на картинке.

Установите популярную библиотеку WS2811 Arduino от Adafruit. Скачать и прочитать инструкцию по установке можно здесь:
Измените прилагаемый код в соответствии с длиной вашей гирлянды в #define LED_COUNT . Загрузите и запустите программу на Arduino. Обратите внимание, что пиксели меняют цвет от красного к зеленому, потом к синему, потом к белому в течении 5 сек. Это гарантирует, что все 3 светодиода внутри пикселя исправны.

(скачиваний: 1085)

Оценка падения напряжения.

Каждый светодиодный пиксель и последующая подключенная LED гирлянда, вызовет какое-то падение напряжения. Так что после 50 светодиода в вашей LED гирлянде напряжение источника питания упадет на какую-то заметную величину. Например, с 5в до 4.7В. Это означает, что следующая гирлянда, которую вы подключите к первой, будет запитана не от 5в, а от 4.7в и напряжение после нее упадет еще ниже. В результате каждый светодиод будет темнее, чем предыдущий. В конечном итоге, когда напряжение упадет до 3.3в, микросхема, обслуживания протокола WS2811, просто перестанет работать.

Так как в каждом пикселе по 3 светодиода и белый цвет свечения гирлянды означает, что все 3 светодиода светятся одинаково, на ней будет падать напряжение больше, чем, если бы горели, к примеру, только красные светодиоды. При запуске программы тестирования вы заметили сильные затемнения на концах гирлянды? Можете подключить туда дополнительно питание 5в. Автор сделал это через каждые 100 пикселей

Покраска гирлянды.

Нормальные новогодние гирлянды окрашены в зеленый цвет, чтобы сливаться с елкой. У вашей светодиодной гирлянды провода разного цвета. Подвесьте гирлянду и покрасьте провода в зеленый цвет акриловой краской, это займет немного времени. Корпуса WS2811 заверните в черную изоленту, это будет быстрее, чем красить их.


Определение позиции X и Y каждого пикселя

Повесьте собранную гирлянду на елку. После этого можно рассчитать положение каждого пикселя по X и Y и вставить эти данные в код программы. Для этого используйте вот этот файл с кодом. Раскомментируйте первую функцию loop () , которая зажигает секции по 10 светодиодов. Если у вас есть больше чем 50 светодиодов, то вы можете продлить эту секцию простым копированием, не забывая указывать нужное количество в #define LED_COUNT

Постарайтесь наложить сетку так, чтобы самый нижний левый светодиод попал в ячейку 1.1. Это делается для того, чтобы программа смогла определить середину дерева в обоих X и Y направлениях. Ввод X и Y координат это ручной процесс, каждую координату вы будете получать, смотря на видео. 200 координат звучит, конечно, устрашающе, но времени это займет в пределах 20 минут.

Можно распечатать сетку и приложить ее к монитору компьютера или дисплею телефона, чтобы не возиться с видеоредакторами.

Прилагаемый файл, так же, как и предыдущий файл является примером кода, перебирающим различные узоры, как на видео.

(скачиваний: 1240)

По видео вы можете понять логику работы программы и написать свои шаблоны или поменять код под себя. Другой прикрепленный файл - это файл настройки, чтобы Arduino управлялся через последовательный интерфейс с другого устройства. Автор использовал Raspberry Pi для управления Arduino.

Вот такая новогодняя гирлянда с использованием Arduino и комплекта WS2811.

(скачиваний: 1132)

Этот несложный Arduino проект предназначен для управления с помощью PWM (широтно-импульсной модуляции). Она может изменить уровень каждого цвета независимо путем изменения скважности ШИМ. Таким образом можно создать любой цвет путем смешивания разных цветов в процентах. Вращение энкодера на плате позволяет пользователю выбрать нужный канал и изменить его яркость. Транзисторы с малым коммутационным сопротивлением, создают очень низкое тепловыделение даже с использованием большого количества светодиодов. Например, IRF540 транзистор имеет вполне низкое проходное RDS-сопротивление - около 70 мОм.

Схема контроллера лент

RGB LED - очень распространенный вид светодиодных лент, который включает в себя красный, зеленый и синий светодиодный чип в одном корпусе. Хотя они находятся в одном корпусе, каждый кристалл можно контролировать независимо. Благодаря этой функции, мы можем получить огромное количество различных цветов с помощью RGB светодиодов и конечно получившийся цвет может быть динамически изменен с помощью регулятора.

Основной контроллер выполнен с применением Arduino Uno. Он считывает входные данные от энкодера и согласно этой информации, происходит переключение транзисторов. Транзисторы управляются выводами 9, 10 и 11, которые имеют внутренние функции ШИМ. Направление сигналов энкодера A и B читаются с помощью элементов 2 и 3, которые подключены к модулю. Кнопка энкодера используется для выбора канала и подключена к выводу 1, что устанавливают в качестве входных данных.

Интересно всегда было попробовать светодиодную ленту ws2812b.Вот получил ленту с Banggood. Тем более подходят новогодние праздники. Применить хотелось в разных вариантах.Как украшение или гирлянду для Нового года или как самостоятельную СДУ.
Китайцы дали такие параметры:
-Работа напряжение: 5 В постоянного тока
-мощность: 43.2w
-Width: 12 мм
-длина: 1m
-waterproof: не водонепроницаемый (ip20)
-Отлично, высокое качество интеллектуальное освещение!
-основана на высокое качество SMD5050 RGB LED s код вставки (встроенный) интегрированные ИКС управления ws2811. каждый LED независимо представляет собой адресуемые, открывая совершенно новые возможности освещения.
-ws2812. 5050 СМД ж / ws2811 IC встроенный in144 RGB LED s на метр
-он ws2811 IC управления ONE LED Чип
-каждый LED индивидуально адресуемые, с 8 битами зеленого, красного и синего данных сдвинуты в течение 24-битном цвете
-strip может быть разрезан one от one привело чип.

Примечание: источник питания или контроллер не включает

В пакет включено:
1 * RGB LED полосы

Что такое ws2812b? Это уже второе поколение полноцветных светодиодов с индивидуальной адресацией, также известное как NeoPixel. В одном корпусе собраны RGB светодиоды и контроллер. Для каждого из цветов доступно 255 уровней яркости. Итого 16 миллионов цветов и всего один провод для управления. Выпускаются в виде отдельных светодиодов, лент, колец, матриц и т.п. Для работы необходим внешний контроллер, на эту роль вполне подходит Ардуино. Каждый из светодиодов (красный, синий, зеленый) при максимальной яркости потребляет 20 миллиампер. Максимальное энергопотребление - 60 миллиампер, когда все три диода горят, получается при белом цвете. Отсюда легко получить максимальное потребление всей ленты, умножив 60 миллиампер на количество светодиодов. Еще немного потребляют контроллеры диодов.





Подключение
Сами по себе ленты не светятся, им необходим микроконтроллер. На его роль отлично подходит Arduino.
подойдет Arduino или Raspberry PI.Собрал схему подключения.


Для каждого из цветов доступно 255 уровней яркости. Итого 16 миллионов цветов и всего один провод для управления. Выпускаются в виде отдельных светодиодов, лент, колец, матриц и т.п. Для работы необходим внешний контроллер, на эту роль вполне подходит Ардуино. Каждый из светодиодов (красный, синий, зеленый) при максимальной яркости потребляет 20 миллиампер. Максимальное энергопотребление - 60 миллиампер, когда все три диода горят, получается при белом цвете. Отсюда легко получить максимальное потребление всей ленты, умножив 60 миллиампер на количество светодиодов. Еще немного потребляют контроллеры диодов.
Приблизительное пиковое потребление для лент длиной 1 метр:
30 диодов на метр 9.5 ватт (чуть меньше 2A при 5V)
60 диодов на метр 19 ватт (3.6А при 5V)
144 диода на метр 35 ватт (7A при 5V)
Блоки питания рекомендуется выбирать с небольшим запасом по мощности.
Подключение.
Сами по себе ленты не светятся, им необходим микроконтроллер. На его роль отлично подходит Arduino(Uno.Nano,Pro mini).


Как применить эту ленту это уже личное ваше дело-как украшение, гирлянду для Нового года или как самостоятельную СДУ. Я приобрел ленту длиной 1 метр с количеством светодиодов 144 штуки. Ее можно разрезать при необходимости на несколько частей. Подложка бывает белого и черного цвета. На концах установлены разьемы для подключения следующей ленты.То есть можно удлинить гирлянду.


Я сделал светомузыкальную установку для визуализации музыки в реальном времени. Много различных световых эффектов, синхронизированных с музыкой.


На один канал подключено 51 сетодиод ленты, и паралельно в данном случае кольцо с светодиодами(чисто для демонстарции)

Подключить к источнику звука-выходы от громкоговорителя. Сделано на светодиодной ленте ws2812b, Arduino UNO, понижающей Dс-Dс плате или блок питания на 5 вольт\3ампера. Осуществлен принцип индикатора уровня сигнала с большим количеством световых эффектов. А где использовать эту схему это уже личное ваше дело и зависит от вашей фантазии.Скетч по ссылке
Плюсом я думаю считается что управление этой лентой осуществляется по одному проводу, и можно получать разные эффекты на каждом светодиоде.
Минусом я считаю что пока конечно цена на эти светодиоды завышена. Тем не менее можно получать массу эффектов в цвете и динамике для для последующих разработок даже начинающим. Всем спасибо за потраченное время и хороших Новогодних праздников!!!
Подробней в видео

Arduino - компьютерная платформа, используемая при построении простых систем автоматики, небольшая плата со встроенным микропроцессором и оперативной памятью. Управление светодиодной лентой через Arduino - один из способов ее применения.

Процессор ATmega управляет программой-скетчем, контролируя многочисленные дискретные выводы, аналоговые и цифровые входы/выходы, ШИМ-контроллеры.

Принцип действия Arduino

«Сердце» платы Arduino - микроконтроллер, к которому подключаются датчики, управляющие элементы. Заданная программа (называется «скетч») позволяет управлять электродвигателями, светодиодами в лентах и других осветительных приборах, даже используется для контроля над другой платой Arduino через протокол SPI. Контроль осуществляется при помощи пульта ДУ, Bluetooth-модуля или сети Wi-Fi.

Для программирования используется открытый исходный код на ПК. Для загрузки программ управления можно пользоваться USB-коннектором.

Принцип управления нагрузкой через Arduino

На плате Arduino есть порты двух типов - цифровые и аналоговые. Первый имеет два состояния - «0» и «1» (логические ноль и единица). При подключении светодиода к плате в одном состоянии он будет светиться, в другом - нет.

Аналоговый вход, по сути, - ШИМ-контроллер, регистрирующий сигналы частотой около 500 Гц. Такие сигналы подаются на контроллер с настраиваемой скважностью. Аналоговый вход позволяет не просто включать или отключать управляемый элемент, но и изменять значение тока (напряжения).

При прямом подключении через порт используйте слабые светодиоды, добавляя к ним ограничительный резистор. Более мощная нагрузка выведет его из строя. Для организации управления светодиодной лентой и другим осветительным прибором примените электронный ключ (транзистор).

Подключение к Arduino

Прямое подключение светодиодной ленты к Arduino уместно только в случае применения слабых LED-диодов. Для светодиодной ленты между ней и платой необходимо установить дополнительные электротехнические элементы.

Через реле

Подключите реле к плате Arduino через цифровой выход. Управляемая полоса может иметь одно из двух состояний - включения или выключения. Если нужно организовать управление RGB-лентой, понадобятся три реле.

Значение тока, контролируемое данным устройством, ограничивается мощностью катушки. Если мощность слишком мала, элемент не сможет замыкать большие контакты. Для наиболее высоких мощностей примените релейные сборки.

С помощью биполярного транзистора

Если нужно повысить ток или напряжение на выходе, подключите биполярный транзистор. При его выборе ориентируйтесь на ток нагрузки. Ток управления не превышает 20 мА, поэтому добавьте резистор на 1 – 10 кОм для ограничения тока за счет сопротивления.

Обратите внимание! В идеале нужно пользоваться транзистором n-p-n типа на базе общего эмиттера. Если требуется большое усиление, примените транзисторную сборку.

С помощью полевого транзистора

Вместо биполярных транзисторов для управления светодиодными лентами возьмите полевые (сокращенно - МОП). Разница между ними связана с принципом управления: биполярные изменяют ток, полевые - напряжение на затворе. Благодаря этому небольшой ток затвора управляет большой нагрузкой (десятками ампер).

Обязательно добавьте к схеме резистор для ограничения тока. Из-за высокой чувствительности к помехам к выходу контроллера подключается масса резистора на 10 кОм.

С помощью плат расширения

Если нет желания использовать реле и транзисторы, можно купить целые блоки - платы расширения. К ним относятся Wi-Fi, Bluetooth, эквалайзер, драйвер и т. д., которые необходимы для управления нагрузкой разных мощностей и напряжений. Это могут быть как одноканальные элементы, которые подойдут монохромным лентам, так и многоканальные (для управления цветными RGB-лентами).

Различные программы

Библиотеки с программами для платы Arduino можно загрузить с официального сайта или найти в Интернете на других информационных ресурсах. Если есть навыки, можете даже самостоятельно написать скетч-программу (исходный код). Для сбора электрической цепи не требуется каких-то специфичных знаний.

Варианты применения системы под управлением Arduino:

  1. Освещение. Наличие датчика позволит задать программу, в соответствии с которой свет в комнате либо появляется сразу, либо плавно включается параллельно заходу солнца (с увеличением яркости). Для включения можно использовать Wi-Fi, телефон и интеграцию в систему «Умный дом».
  2. Освещение коридора и лестничных площадок. Arduino позволит организовать освещение каждой детали (к примеру, ступени) отдельно. Добавьте в плату датчик движения, чтобы адресные светодиоды загорались последовательно в зависимости от того места, где зафиксировано движение объекта. Если движения нет, диоды будут гаснуть.
  3. Светомузыка. Воспользуйтесь фильтрами и подайте на аналоговый вход звуковые сигналы, чтобы на выходе организовать светомузыку (эквалайзер).
  4. Модернизация компьютера. Некоторые датчики позволят создать зависимость цвета светодиодов от температуры процессора, его загрузки, нагрузки на оперативную память. Используется протокол DMX 512.

Микросхемы Arduino расширяют возможности применения монохромных и многоканальных (RGB) светодиодных лент. Помимо слияния различных цветов, образования сотен тысяч оттенков сможете создать неповторимые эффекты - затухание при заходе солнца, периодическое включение/выключение при фиксации движения и многое другое.