RGB-светодиоды: адресуемая светодиодная лента. Светодиодная лента WS2812B. Светомузыкальная установка на Arduino. Подготовка к Новому году

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.

Здравствуйте Хабр-сообщество.

В данное время стали доступны светодиодные ленты с изменяемым цветом свечения. Они классно выглядят, не дорого стоят и их можно хорошо приспособить для декоративной подсветки интерьера, рекламы, и т.д.

К таким лентам можно купить источник питания, диммер, диммер с пультом управления. Это позволит вам использовать светодиодную ленту для посветки. Однако если вы захотите запи запрограммировать алгоритм изменения цвета, или сделать управление из компьютера - то тут начинается разочарование. Вы в продаже не найдете диммеров с управлением через COM-порт или Ethernet.

Добро пожаловать под кат.

Теоретическая часть

Для реализации плавного изменения свечения всех 3 каналов нам потребуется сделать собственный димер. Сделать его очень просто, для этого требуется взять силовые ключи и управлять ими с помощью ШИМ сигнала. Также наш диммер должен быть программируемым и/или управляемым из вне.

В качестве мозгов идеально подходит Arduino. В её программу можно записать любой алгоритм изменения цветов, а также её можно управлять как с помощью модулей Arduino, так и удаленно по Ethernet, Ик-порту, Bluetooth, используя соответствующие модули.

Для реализации задуманного я выбрал Arduino Leonardo. Она одна из самых дешевых плат Arduino, и она имеет много выводов с поддержкой ШИМ.

PWM: 3, 5, 6, 9, 10, 11, and 13. Provide 8-bit PWM output with the analogWrite() function.

И так, источник ШИМ у нас имеется, остаётся придумать с силовыми ключами. Если побродить по интренет магазинам, то выяснится, что не существует модуля Arduino для управления RGB лентами. Или просто универсальных модулей с силовыми транзисторами. Также можно найти огромное количество сайтов радиолюбителей, которые делают платы с силовыми ключами сами.

Однако есть способ проще! Нас выручит модуль Arduino для управления двигателями. Этот модуль имеет все необходимое для нам - на нем установлены мощные ключи на 12В.

Пример такого модуля является «L298N Module Dual H Bridge Stepper Motor Driver Board Modules for Arduino Smart Car FZ0407». Такой модуль основан на микросхеме L298N, которая представляет из себя 2 моста. Однако мостовое включение полезно для двигателя (от этого он может менять направление вращения), а в случае RGB ленты, оно бесполезное.

Мы будем использовать не весь функционал этой микросхемы, а только 3 её нижних ключа, подключив ленту как показано на рисунке.

Практическая часть часть

Для реализации потребуется Arduino Leonardo, Модуль управления двигателями L298N, Источник 12В (для запитки ленты), сама RGB лента, соединительные провода.
Для удобства подключения я еще использовал Fundruino IO Expansion, но он никакой функциональной нагрузки не несет.

Схема подключения показана на рисунке.

Хочу дополнительно описать питание системы. В данной схеме питание подается на модуль управления двигателями, в нем стоит понижающий источник питания на 5В, и эти 5В я подаю на вход Vin питания Arduino. Если разорвать эту связь (естественно земли оставив соединенными), то запитывать Arduino и силовые ключи можно от разных источников питания. Это может быть полезно когда к Arduino много всего подключено, и источник в модуле управления двигателями не справляется (выключается по перегреву).

Управляется RGB лента с помощью команд analogWrite, которая настраивает выход для формирования ШИМ сигнала.

Исходный код программы для arduino:
#define GRBLED_PIN_R 9 // пин для канала R #define GRBLED_PIN_G 10 // пин для канала G #define GRBLED_PIN_B 11 // пин для канала B int rgbled_r=0, rgbled_g=0, rgbled_b=0; void setup(){ //enable serial datada print Serial.begin(9600); Serial.println("RBG LED v 0.1"); // RGBLED pinMode(GRBLED_PIN_R, OUTPUT); pinMode(GRBLED_PIN_G, OUTPUT); pinMode(GRBLED_PIN_B, OUTPUT); } void loop(){ // change color rgbled_r = (rgbled_r+1)%1024; rgbled_g = (rgbled_g+2)%1024; rgbled_b = (rgbled_b+3)%1024; // Output Z1_output_rgbled(); delay(1); } void Z1_output_rgbled() { analogWrite(GRBLED_PIN_R, rgbled_r); analogWrite(GRBLED_PIN_G, rgbled_g); analogWrite(GRBLED_PIN_B, rgbled_b); }

На видео можно увидеть как это работает:

Экономическая часть

L298N Module Dual H Bridge Stepper Motor Driver Board Modules for Arduino Smart Car FZ0407	$ 5.31	1
Leonardo R3 Development Board for Arduino Compatiblae + USB Cable Wire FZ0437	$ 10.00	1
5050 LED Strip RGB and single color 5M DC12V/24V 60leds/m Waterproof Flexible Car auto Strip Light saving light	$ 12.38	1
Retail AC85~265V to DC 12V/6A power supply adaptor transformer switching for led light	$ 9.98	1

Итого $37,65 = 1 300 руб

Вместо заключения

Для тех, кто захочет повторить описанную здесь схему - хочу заметить, что драйвер L298N рассчитан на ток 2-3А, а RGB светодиодные ленты, на светодиодах 5050 с плотностью 60 светодиодов на метр, продающиеся по 5 метров, могут потреблять до 6А. По этому если вы хотите использовать длинные и яркие ленты - возможно потребуется схему модернизировать (подключать ленту по сегментам, или взять более мощный драйвер) или использовать ленты по проще.

Данный проект посвящен тому, как сделать светодиодную подсветку, управляемую с соседней комнаты, чтобы не вставать с дивана. Светодиодная RGB-подсветка одинаково хорошо украшает как маленький аквариум, так и большую комнату.

Можно засветить разными цветами баню от RGB ленты на Arduino. Создать, так сказать, баню на микропроцессорном управлении от Arduino.

Всего лишь понадобятся для сборки RGB-подсветки такие компоненты:

1. Bluetooth модуль HC-05 для беспроводной связи с Arduino.
2. Плата Arduino nano, mini, Uno с микропроцессором ATmega 8, ATmega 168, ATmega 328.
3. Светодиодная лента RGB, при необходимости во влагозащитном исполнении IP65 или без него.
4. Смартфон с Android как пульт управления RGB-подсветкой.
5. Полевые MOSFET транзисторы, такие как P3055LD, P3055LDG, PHD3355L, но лучше с выводами для закрепления в монтажных отверстиях. Биполярные транзисторы работают хуже .
6. Резисторы 10 кОм, 0.125 Вт - 3 штуки.

Немного теории про подключение RGB ленты к Arduino

Нельзя подключить светодиодную полоску напрямую к плате Arduino. Светодиодная лента светиться от 12 В, тогда как микропроцессору нужно для работы всего 5 В.

Но, самая главная проблема в том, что выходы микропроцессора не имеют достаточной мощности для питания целой ленты светодиодов. В среднем метровой длины светодиодная полоса потребляет 600 мА. Такой ток точно выведет из строя плату Arduino.

Используемые ШИМ выходы микропроцессора не имеют достаточной мощности, чтобы засветить RGB ленту, но всё-таки их можно использовать для снятия сигнала управления.

Для развязки по питанию, в качестве ключей, рекомендуется использовать транзисторы. Лучше использовать полевые MOSFET транзисторы: им для открытия нужен мизерный ток на «затвор», к тому же они имеют большую мощность в сравнении с биполярными ключами такого же размера.

RGB ленты к Arduino

На электромонтажной схеме на управление лентой задействованы ШИМ-выхода: 9 (красный), 10 (зеленый), 11 (голубой).

Три резистора по 10 кОм, 0.125 Вт повешены на «затвор» каждого транзистора.

Плюс от блока питания 12 В (красный провод) идет напрямую на RGB ленту.

Минус от блока питания 12 В (черный провод) распределяется по «истокам» полевых транзисторов.

«Сток» каждого транзистора связан с отдельным контактом ленты: R, G, B. Рекомендуется для удобства при подключении использовать провода красного, зеленого, голубого цвета.

Контакт заземления GND платы Arduino следует посадить на минус входного питания.

Сама плата Arduino Uno запитывается от отдельного сетевого адаптера. Для Arduino nano, mini потребуется собрать простенький источник питания на интегральном стабилизаторе 7805.

Подключение Bluetooth модуля HC-05:

• VCC - 5V (питание +5 В);
• GND - GND (земля, общий);
• RX - TX на Arduino nano, mini, Uno;
• TX - RX на Arduino nano, mini, Uno;
• LED - не используется;
• KEY - не используется.

Приведенный ниже эскиз программы является универсальным для управления как одним светодиодом, так и светодиодной полосой. Главное оставить нужные строчки, а ненужные удалить или сделать комментариями в косых черточках.

Unsigned long x; int LED = 9; // зеленый подключен к 9 пину int LED2 = 10; // синий подключен к 10 пину int LED3 = 11; // красный подключен к 11 пину int a,b,c = 0; void setup() { Serial.begin(9600); Serial.setTimeout(4); pinMode(LED, OUTPUT); pinMode(LED2, OUTPUT); pinMode(LED3, OUTPUT); } void loop() { if (Serial.available()) { x = Serial.parseInt(); if (x>=0 && x<=255) { a = x; // для RGB ленты //a = 255-x; // для светодиода analogWrite(LED, a); } if (x>=256 && x<=511) { b = x-256; // для RGB ленты //b = 511-x; // для светодиода analogWrite(LED2, b); } if (x>=512 && x<=767) { c = x-512; // для RGB ленты //c = 767-x; // для светодиода analogWrite(LED3, c); } /* Serial.println(x); Serial.println(a); Serial.println(b); Serial.println(c); */ } }

Если понадобиться подключить один RGB светодиод, тогда есть электромонтажная схема его подключения.

Установка приложения на телефон

Скачиваем приложение с коротким названием RGB на телефон. .

После установки запускаем приложение по иконке.

Кликаем по надписи

Находим в списке установленный Bluetooth модуль HC-05.

При наличии связи вместо надписи будет отображаться адрес и название установленного модуля Bluetooth.

Ну, вот и всё, управление RGB подсветкой налажено!

Вот видео-пример работы нашего проекта:

GPS часы на Arduino Биометрический замок – Схема и сборка ЖК дисплея

Ардуино идеально подходит для управления любыми устройствами. Микропроцессор ATmega с помощью программы-скетча манипулирует большим количеством дискретных выводов, аналогово-цифровых входов/выводов и ШИМ-контроллерами.

Благодаря гибкости кода микроконтроллер ATmega широко используется в модулях различной автоматики, в том числе на его основе возможно создать контроллер управления светодиодным освещением.

Принцип управления нагрузкой через Ардуино

Плата Ардуино имеет два типа портов вывода: цифровой и аналоговый (ШИМ-контроллер). У цифрового порта возможно два состояния – логический ноль и логическая единица. Если подключить к нему светодиод он либо будет светиться, либо не будет.

Аналоговый выход представляет собой ШИМ-контроллер, на который подаётся сигнал частотой около 500Гц с регулируемой скважностью. Что такое ШИМ-контроллер и принцип его работы можно найти в интернете. Через аналоговый порт возможно не только включать и выключать нагрузку, а и изменять напряжение (ток) на ней.

Синтаксис команд

Цифровой вывод:

pinMode(12, OUTPUT); — задаём порт 12 портом вывода данных;
digitalWrite(12, HIGH); — подаём на дискретный выход 12 логическую единицу, зажигая светодиод.

Аналоговый вывод:

analogOutPin = 3; – задаём порт 3 для вывода аналогового значения;
analogWrite(3, значение); – формируем на выходе сигнал с напряжением от 0 до 5В. Значение – скважность сигнала от 0 до 255. При значении 255 максимальное напряжение.

Способы управления светодиодами через Ардуино

Напрямую через порт можно подключить лишь слабый светодиод, да и то лучше через ограничительный резистор. Попытка подключить более мощную нагрузку выведет его из строя.

Для более мощных нагрузок, в том числе светодиодных лент, используют электронный ключ – транзистор.

Виды транзисторных ключей

• Биполярный;
• Полевой;
• Составной (сборка Дарлингтона).

Способы подключения нагрузки
Через биполярный транзистор	Через полевой транзистор	Через коммутатор напряжения

При подаче высокого логического уровня (digitalWrite(12, HIGH);) через порт вывода на базу транзистора через цепочку коллектор-эмиттер потечет опорное напряжение на нагрузку. Таким образом можно включать и отключать светодиод.

Аналогичным образом работает и полевой транзистор, но поскольку у него вместо «базы» сток, который управляется не током, а напряжением, ограничительный резистор в этой схеме необязателен.

Биполярный вид не позволяет регулировать мощные нагрузки. Ток через него ограничен на уровне 0,1-0,3А.

Полевые транзисторы работают с более мощными нагрузками с током до 2А. Для ещё более мощной нагрузки используют полевые транзисторы Mosfet с током до 9А и напряжением до 60В.

Вместо полевых можно использовать сборку Дарлингтона из биполярных транзисторов на микросхемах ULN2003, ULN2803.

Микросхема ULN2003 и принципиальная схема электронного коммутатора напряжения:

Принцип работы транзистора для плавного управления светодиодной лентой

Транзистор работает как водопроводный кран, только для электронов. Чем выше напряжение, подаваемое на базу биполярного транзистора либо сток полевого, тем меньше сопротивление в цепочке эмиттер-коллектор, тем выше ток, проходящий через нагрузку.

Подключив транзистор к аналоговому порту Ардуино, присваиваем ему значение от 0 до 255, изменяем напряжение, подаваемое на коллектор либо сток от 0 до 5В. Через цепочку коллектор-эмиттер будет проходить от 0 до 100% опорного напряжения нагрузки.

Для управления светодиодной лентой arduino необходимо подобрать транзистор подходящей мощности. Рабочий ток для питания метра светодиодов 300-500мА, для этих целей подойдет силовой биполярный транзистор. Для большей длины потребуется полевой транзистор.

Схема подключения LED ленты к ардуино:

Управление RGB лентой с помощью Andurino

Кроме однокристальных светодиодов, Ардуино может работать и с цветными LED. Подключив выводы каждого цвета к аналоговым выходам Ардуино можно произвольно изменять яркость каждого кристалла, добиваясь необходимого цвета свечения.

Схема подключения к Arduino RGB светодиода:

Аналогично построено и управление RGB лентой Arduino:

Аrduino RGB контроллер лучше собирать на полевых транзисторах.

Для плавного управления яркостью можно использовать две кнопки. Одна будет увеличивать яркость свечения, другая уменьшать.

Скетч управления яркостью светодиодной ленты Arduino

int led = 120; устанавливаем средний уровень яркости

void setup() {
pinMode(4, OUTPUT); устанавливаем 4й аналоговый порт на вывод
pinMode(2, INPUT);

pinMode(4, INPUT); устанавливаем 2й и 4й цифровой порт на ввод для опроса кнопок
}
void loop(){

button1 = digitalRead(2);

button2 = digitalRead(4);
if (button1 == HIGH) нажатие на первую кнопку увеличит яркость
{
led = led + 5;

analogWrite(4, led);
}
if (button2 == HIGH) нажатие на вторую кнопку уменьшит яркость
{
led = led — 5;

analogWrite(4, led);
}

При удержании первой или второй кнопки плавно изменяется напряжение, подаваемое на управляющий контакт электронного ключа. Тогда и произойдет плавное изменение яркости.

Модули управления Ардуино

Для создания полноценного драйвера управления светодиодной лентой можно использовать модули-датчики.

ИК-управление

Модуль позволяет запрограммировать до 20 команд.

Радиус сигнала около 8м.

Цена комплекта 6 у.е.

По радиоканалу

Четырёхканальный блок с радиусом действия до 100м

Цена комплекта 8 у.е.

Позволяет включать освещение еще при приближении к квартире.

Бесконтактное

Датчик расстояния способен по движению руки увеличивать и уменьшать яркость освещения.

Радиус действия до 5м.

Цена модуля 0,3 у.е.

Для управления этими устройствами используется RGB-контроллер. Но, кроме него, в последние годы применяется плата Arduino.

Ардуино – принцип действия

плата Arduino

Плата Ардуино – это устройство, на котором установлен программируемый микроконтроллер. К нему подключены различные датчики, органы управления или encoder и, по заданному скетчу (программе), плата управляет моторами, светодиодами и прочими исполнительными механизмами, в том числе и другими платами Ардуино по протоколу SPI. Контроль устройства может осуществляться через дистанционный пульт, модуль Bluetooth, HC-06, Wi-Fi, ESP или internet, и кнопками. Одни из самых популярных плат – Arduino Nano и Arduino Uno, а также Arduino Pro Mini – устройство на базе микроконтроллера ATmega 328

Внешний вид Arduino Pro Mini
Внешний вид Arduino Uno
Внешний вид Arduino micro

Программирование осуществляется в среде Ардуино с открытым исходным кодом, установленным на обычном компьютере. Программы загружаются через USB.

Принцип управления нагрузкой через Ардуино

управление Arduino

На плате есть много выходов, как цифровых, имеющих два состояния — включено и выключено, так и аналоговых, управляемых через ШИМ-controller с частотой 500 Гц.

Но выходы рассчитаны на ток 20 – 40 мА с напряжением 5 В. Этого хватит для питания индикаторного RGB-светодиода или матричного светодиодного модуля 32×32 мм. Для более мощной нагрузки это недостаточно.

Для решения подобной проблемы во многих проектах нужно подключить дополнительные устройства:

• Реле. Кроме отдельных реле с напряжением питания 5В есть целые сборки с разным количеством контактов, а также со встроенными пускателями.
• Усилители на биполярных транзисторах. Мощность таких устройств ограничена током управления, но можно собрать схему из нескольких элементов или использовать транзисторную сборку.
• Полевые или MOSFET-транзисторы. Они могут управлять нагрузкой с токами в несколько ампер и напряжением до 40 – 50 В. При подключении мосфета к ШИМ и электродвигателю или к другой индуктивной нагрузке, нужен защитный диод. При подключении к светодиодам или LED-лампам в этом нет необходимости.
• Платы расширения.

Подключение светодиодной ленты к Ардуино

подключение светодиодной ленты к Arduino

Мнение эксперта

Алексей Бартош

Специалист по ремонту, обслуживанию электрооборудования и промышленной электроники.

Задать вопрос эксперту

Arduino Nano могут управлять не только электродвигателями. Они используются также для светодиодных лент. Но так как выходные ток и напряжение платы недостаточны для прямого подключения к ней полосы со светодиодами, то между контроллером и светодиодной лентой необходимо устанавливать дополнительные приспособления.

Через реле

Подключение через реле

Реле подключается к устройству на цифровой выход. Полоса, управляемая с его помощью имеет только два состояния — включенная и выключенная. Для управления red-blue-green ленточкой необходимы три реле. Ток, который может контролировать такое устройство, ограничен мощностью катушки (маломощная катушка не в состоянии замыкать большие контакты). Для подсоединения большей мощности используются релейные сборки.

С помощью биполярного транзистора

Подключение с помощью транзистора

Для усиления выходного тока и напряжения можно использовать биполярный транзистор. Он выбирается по току и напряжению нагрузки. Ток управления не должен быть выше 20 мА, поэтому подается через токоограничивающее сопротивление 1 – 10 кОм.

Транзистор лучше применять n-p-n с общим эмиттером. Для большего коэффициента усиления используется схема с несколькими элементами или транзисторная сборка (микросхема-усилитель).

С помощью полевого транзистора

Кроме биполярных, для управления полосами используются полевые транзисторы. Другое название этих приборов – МОП или MOSFET-transistor.

Такой элемент, в отличие от биполярного, управляется не током, а напряжением на затворе. Это позволяет малому току затвора управлять большими токами нагрузки – до десятков ампер.

Подключается элемент через токоограничивающее сопротивление. Кроме того, он чувствителен к помехам, поэтому выход контроллера следует соединить с массой резистором в 10 кОм.

С помощью плат расширения

Подключение Arduino с помощью плат расширения

Кроме реле и транзисторов используются готовые блоки и платы расширения.

Это может быть Wi-Fi или Bluetooth, драйвер управления электродвигателем, например, модуль L298N или эквалайзер. Они предназначены для управления нагрузками разной мощности и напряжения. Такие устройства бывают одноканальными – могут управлять только монохромной лентой, и многоканальными – предназначены для устройств RGB и RGBW, а также лент со светодиодами WS 2812.

Пример программы

Arduino и светодиодная лента

Платы Ардуино способны управлять светодиодными конструкциями по заранее заданным программам. Их библиотеки можно скачать с официально сайта , найти в интернете или написать новый sketch (code) самому. Собрать такое устройство можно своими руками.

Вот некоторые варианты использования подобных систем:

• Управление освещением. С помощью датчика освещения включается свет в комнате как сразу, так и с постепенным нарастанием яркости по мере захода солнца. Включение может также производиться через wi-fi, с интеграцией в систему «умный дом» или соединением по телефону.
• Включение света на лестнице или в длинном коридоре. Очень красиво смотрится диодная подсветка каждой ступеньки в отдельность. При подключении к плате датчика движения, его срабатывание вызовет последовательное, с задержкой времени включение подсветки ступеней или коридора, а отключение этого элемента приведет к обратному процессу.
• Цветомузыка. Подав на аналоговые входы звуковой сигнал через фильтры, на выходе получится цветомузыкальная установка.
• Моддинг компьютера. С помощью соответствующих датчиков и программ цвет светодиодов может зависеть от температуры или загрузки процессора или оперативной памяти. Работает такое устройство по протоколу dmx 512.
• Управление скоростью бегущих огней при помощи энкодера. Подобные установки собираются на микросхемах WS 2811, WS 2812 и WS 2812B.

Видеоинструкция