LED Audio Visual Display: 8 steg

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:44

Av beckslelandsimpsonFölj mer av författaren:

[VARNING: BLINKANDE LJUS I VIDEO]

RGB LED -matriser är ett vanligt projekt för amatörer som vill experimentera med ljusskärmar, men ofta är antingen dyra eller begränsande i storlek och konfiguration. Syftet med detta projekt var att skapa en omkonfigurerbar display som kunde fungera som en egen fristående del eller som en interaktiv display som styrs av en konsol med ett sortiment av joysticks och knappar. Displayen kan arrangeras i en mängd olika layouter från en matrisformation till en mer statisk dekorativ linjär remsa.

Genom att bifoga ett sortiment av ljudsensorer, knappar och joysticks kan skärmen växlas mellan interaktiva och automatiska lägen, med konfigurerbara färger, effekter, lägen, hastigheter, ljusstyrka och mönster.

Användare kan växla mellan lägen och konfigurationer med MODE- och CONFIG -knapparna, med hjälp av joysticken och SELECT -knappen för att göra sina val. Användarens nuvarande val visas på 16x2 LCD -skärmen i mitten av konsolen.

Detta projekt involverade en LED -remsa bestående av 250 lysdioder men koden kan enkelt ändras för att möjliggöra en remsa av valfri storlek.

Lägen

• Spel: Spel kan spelas med led -matrisen som en skärm
• Buller: Lysdioder lyser enligt miljöbuller och -frekvens.
• Färg: Lysdioder som används som ett ljus som visar en fördefinierad färgpalett.
• Regn: Fallande regn Ljuseffekter

Lägeskonfigurationer

• Färg - Ställer in färgpaletten för remsan

  • Pride Flag - Rainbow
  • Transflagga - blå, rosa, vit
  • Eld - Röd, Orange, Gul
  • Ljus - vit

• Style - Ställer in visningseffekt för remsor

  • Block - Om den är i lägesfärg förblir färgerna på lysdioderna konstanta, i läget brus gör det att alla lysdioder ställs in det senaste brusfärgvärdet, vilket skapar en blinkande effekt.
  • Skimmer - Alternativa lysdioder oscillerar, bleknar mellan på och av.
  • Spår - Om den är i lägesfärg, rör sig färgschemat för lysdioderna över remsan. I modebrus får det brusfärgerna att färdas över remsan som en rörlig våg.

• Regneffekt - Hur regnmönstren genereras

  • Slumpmässigt - Nya regnband placeras slumpmässigt och mönstret varierar.
  • Konstant - Regnmönstret upprepas.

• Spel - Vilket spel kan du spela på matrisen

  Snake - Viva la Nokia, bara spelbar när remsan är i matriskonfiguration

• Effektfärg - Vilken färgkälla använder effekterna?

  • Färgsats - Effekter (t.ex. regn) tar en slumpmässig färg från den inställda färgpaletten.
  • Brusfrekvens - Effekter vid generering tar färgen som motsvarar den aktuella brusfrekvensen.
  • Noise Vol - Effekter vid generering tar färgen som motsvarar den aktuella brusvolymen.

• Storlek - Hur är displayen ordnad?

  • 250x1 remsa
  • 50x5 matris
  • 25x10 matris

Hastighet och ljusstyrka

Styrs via vridbara analoga potentiometrar, för att ändra ljusstyrkan på lysdioderna och hastigheten som skärmen uppdaterar. Detta påverkar i hög grad intensiteten i ljudeffekterna och svårigheterna med spelen.

Strobe- och LED -status

Konsolens övre vänstra switch gör att lysdioderna kan stängas av, som ett alternativ när skärmen konfigureras. Den nedre vänstra omkopplaren slår på Strobe -effekten och blinkar i displayen med den inställda hastigheten.

Steg 1: Krav

Komponenter:

• Brödbräda ~ £ 5
• StripBoard ~ £ 10 för set 5
• Arduino Mega (någon klon kommer att göra) ~ £ 20
• 2x 1M potentiometermotstånd
• 300 RGB individuellt adresserbar remsa ~ £ 30
• Pin Headers ~ £ 5
• 10x 10K, 1x 300 motstånd
• I2C LCD -modul ~ £ 5
• 4-växlings joystick ~ £ 10
• Ljudsensor ~ £ 5
• 1x 1μF, 1x 10μF, 1x 100nF kondensatorer
• 3x (tillfälliga) knappar. Rekommendationer: Arcade, Mini ~ £ 3
• 2x omkopplare. Rekommendationer: Växla ~ £ 5
• Power Jack
• Box ~ 20x20x15cm - Kartong är lättast, men om du har tillgång till en laserskärare gör du det.

Mina Joystick/Button -rekommendationer var rent stilistiska val, efter ett arkadtema; tillfälliga växlar av vilken art som helst kommer att göra. Billigare joysticks kan erhållas som rapporterar sin position via analoga signaler som produceras med 2 potentiometrar (en för varje axel). Om du är beredd att ändra koden kan du använda tumstyrspakar som sådana.

Medan jag använde en minimal procentandel av Arduino Megas I/O -stiften, valdes den för sin större dynamik och programminnestorlek, för vilken Arduino Uno visade sig vara otillräcklig.

LEDStrip val

LEDstripen jag använde var en 300 RGB individuellt adresserbar WS2813 LED flexibel remsa. en uppgraderad version av WS2812, detta format, medan det är lite dyrare, förbättrar WS2812 med dubbla signalöverföringar, vilket innebär att om en LED slutar fungera, resten av remsan efter att den fortfarande fungerar. Som sådan har den 4 stift: 5V, GND, DI (dataingång) och BI (backupingång).

Total kostnad: ~ £ 100

Utrustning:

• Lödkolv + Lödning
• Multimeter (valfritt, men rekommenderas)
• Trådskärare och avskalare
• Tråd: helst enkelkärna, flexibel (LOTS)
• Skalpell
• Linjal/pennor
• 1x 5V strömförsörjning
• Manuella skruvmejslar
• Skrivare A till B USB -kabel

Programvara:

Arduino IDE

Kompetens:

• Lödning
• Vissa Arduino -upplevelser är absolut nödvändiga

Steg 2: Schematisk och kod

Detta projekt bestod av 2 potentiometrar, 1 ljudsensor, 1 LED -remsa, 3 momentana knappar, 1 joystick (4 momentana knappar), 1 LCD -modul och 2 switchar.

Jag rekommenderar att du förstår kablarna och ställer in de grundläggande kretsarna på en brödbräda innan du lödar elektroniken till bandplattan i nästa steg för långsiktig hållbarhet. Du bör åtminstone kunna ansluta de olika Arduino -stiften till standard HIGH (5V)/LOW (GND) -värden och experimentera med olika originalinställningar för LEDStrip i koden (detta är markerat - se kodsteg) för att se några av de preliminära ljuseffekterna.

Ljudkrets

Ljudkretsen diskuteras i nästa steg och är bara nödvändigt om du önskar ljudeffekter, annars kan du helt enkelt ansluta AUDIO analoga ingångsstiften A0, A1 till GND via ett neddragningsmotstånd (~ 300 Ohm). Denna krets försöker extrahera det uppmätta ljudets frekvens och volym, vilket ger två olika ingångsvärden för att styra ljudvisualiseringarna t.ex. höjd (volymamplitud) och färg (frekvens).

LED -remsa

Jag har bifogat databladet för WS2813 -remsan, den har den perfekta ledningen. BI -stiftet kan dras ner genom ett motstånd mot marken och en kondensator bör anslutas mellan GND och +5V och placeras nära remsan. Detta slätar ut plötsliga förändringar i remsans nuvarande efterfrågan, till exempel om det blir en plötslig stor ökning när alla lysdioder tänds kan kondensatorn med sin lagrade laddning snabbare leverera detta än Arduino, vilket minskar belastningen på brädkomponenterna.

Remsan styrs med hjälp av FASTLED -biblioteket (se kodsteg för mer detaljer) och ansluts till stift 5.

LCD -modul

LCD -modulen jag har rekommenderat använder en intern krets så att den bara kräver 2 ingångsstiften, detta minskar kraftigt komplexiteten i att lödas in i kretsen. Den är ansluten till SCL, SDA -stiften.

Potentiometrar

Potentiometrar är variabla motstånd, som låter dig styra spänningen som mäts vid den interna stiftet, Arduino kan läsa detta som ett analogt värde. Jag använde dessa som ett interaktivt sätt att manuellt styra skärmens hastighet och ljusstyrka och de är anslutna till analoga ingångsstiften: A3, A2.

Extern ström

För mindre projekt (<20 lysdioder) kan Arduino drivas enbart via USB, men för detta större användningsfall (250 lysdioder) krävs en extern +5V strömkälla på grund av det stora strömbehovet. Jag drev Arduino genom en extern jack ansluten till Arduino GND och VIN. När den bara drivs via USB kommer LED -färgerna att förvrängas och LCD -skärmen lyser inte helt.

Knappar/omkopplare/joystick

I neutralläge dras knapparnas INPUT -stift ner till GND och Arduino läser digitalt LÅGT, men när det trycks in är stiften anslutna till +5V läsning digital HÖG. Se här för ett typiskt Arduino -knappexempel. Dessa läsvärden kan användas som villkorliga booleska värden för programmet, vilket orsakar körning av olika segment av kod. Knapparna/omkopplarna är anslutna till följande digitala ingångspinnar: Mode/Config: 3/2. Joystick L/R/U/D: 10/11/13/12. Välj: 9.

Steg 3: Ljudeffekter

Den mest komplicerade delen av kretsen var Audio Voltage - Frequency Converter. Jag följde schemat som visas ovan (Se här för mer info). Någon ändring av kondensatorn, motståndsvärden kan krävas beroende på styrkan på din ljudsignal. I exemplet som använts använde jag en alternerande 12V -signal, jag hittade bra resultat genom att använda 3,3V som matningsspänning och mata 5V till ljudsensorn.

De två signalerna som jag extraherade från denna krets var frekvensen (VOUT) och volymen (V2 +).

Användbara anteckningar

Större kondensatorer (tröskel ungefär över 1µF, icke -keramisk) är polariserade, dessa inkluderar elektrolytkondensatorer, strömflöden i dem från + till - sida. På diagrammet har jag noterat i vilken riktning de ska ordnas.

Transistorn som används i denna krets är PNP, dessa transistorer tillåter ström att strömma från sändaren till kollektorn när en negativ polaritet appliceras på deras bas i förhållande till sändaren.

Sorg #1

Ursprungligen försökte jag mata in ljudet i kretsen med ett ljuduttag, drömmen var att ansluta ljudet direkt från min telefon. Tyvärr verkade signalen som denna producerade för svag, och efter en veckas kämpande för att få den att fungera använde jag mig av att använda en ljudsensormodul. Jag är säker på att det finns förstärkningstekniker jag kunde ha använt, och detta är definitivt huvudproblemet med mitt projekt som jag skulle försöka rätta till i framtiden.

Steg 4: Konsoldesign och skapande

Min konsoldesign inspirerades av gamla skolans arkader, med retro joystick, knappar och vippomkopplare. Jag konstruerade den med en gammal kartong hörlurar, (hamstring har sin användning); Detta var mycket effektivt eftersom lådan hade ett inre foder av skum, så när den väl vänds ut och ut gav den en fin polerad effekt.

1. Skissera den allmänna layouten för den konsol du vill ha.
2. Mät upp och markera positionerna för de olika komponenterna ovanpå lådan. Se till att du tar de inre måtten på knapparna/omkopplarna/joystickarna eftersom du vill att luckorna ska vara tillräckligt stora för att pressa igenom komponenterna men ändå ha sina yttre kanter på kartongen. Jag rekommenderar att du använder en skalpell för att klippa dessa hål, men vass sax i kombination med skruvmejslar för cirkulära hål borde göra susen. Klipp långsamt, försök att passa in komponenten och gradvis öka storlekarna, gör en komponent i taget.
3. För de större komponenterna som joysticken och LCD -displayen rekommenderar jag att du skruvar några muttrar/bultar genom konsolens ovansida för att hålla dem säkert på plats.
4. Klipp tre hål i botten av konsolens baksida, dessa kommer att vara för strömingången, USB -ingången för att eventuellt programmera Arduino- och LEDStrip -utgången.

Topptips

Jag rekommenderar förlödning av alla metallkomponenter innan du placerar dem i konsolen för enkel åtkomst och för att minska risken för att kartongen bränns.

Steg 5: Lödschema

Du behöver en bit av bandbräda minst 25 rader med 20 cols i storlek. Men genom att välja en som är större kan du blåklicka din Micro-Controller på Stripboard bredvid kablarna. Det som är väsentligt vid varje steg i denna process är om möjligt att minska den belastning som eventuella ledningar kan ha för att säkerställa en långvarig slutprodukt.

Jag använde stifthuvuden för att ordentligt organisera trådarna i grupper och ansluta dem till Arduino på ett sätt som enkelt kan lossas för felsökning.

Jag stöttade delvis Stripboard som innehöll de tyngsta kretsarna genom att använda lite snöre/tråd för att ansluta den till kartongens inre vägg.

Huvudström- och LEDStrip -kablarna som lämnade konsolen hade midwire -kontakter som kunde lossas, det innebar att trådarna kunde trängas genom hål i botten av konsolen och fortfarande låta lådan öppna.

Lödningstips

En klämma för att hålla trådarna/remsorna under lödning kommer att göra processen mycket enklare. Förlöd alltid varje tråd innan du försöker ansluta dem.

Layouttips

Alla trådar (som går mot Arduinos -stiften) är placerade vid kanten av brädet.

Om möjligt med hjälp av annan färgad tråd i närliggande rader hjälper till att undvika ledningsförvirring.

GND, +3.3V, +5.5V bör alltid placeras vid kantraderna, för enkel identifiering, placerar GND och +3.3/5V vid motsatta kanter hjälper till att förhindra potentiell kortslutning men personligen störde jag mig inte och placerade dem i topp 3 rader. Konsolens layout kan delvis bestämma ordningen på trådraderna, komponenter i närheten karta till närliggande rader, PIN -numren i Arduino IDE kan alltid skrivas om.

Genom att löda alla +5V stift på knapparna/motstånden på baksidan av konsolen till varandra i en kedja behövs bara en +5V kabel mellan Stripboard och konsolens topp, vilket massivt minskar antalet sårbara anslutningskablar. Till exempel för de fyra omkopplarna på joysticken kopplade jag alla deras 5V -terminaler ihop.

Var generös i längden på ledningar som sträcker sig mellan Stripboard och konsol, mycket lättare att minska senare, än försök att öka.

Om möjligt, använd flexibel tråd mellan Stripboard och konsolkomponenter, vilket gör det lättare att öppna och felsöka konsolen senare.

Steg 6: Tillägg 1: LED Matrix

Genom att ansluta LED -remsan som den är till konsolen kan majoriteten av regn-, färg-, strobe- och bruseffekter visas, men visualiseringsformuläret är begränsat. Koden gör att displayen kan konfigureras ytterligare till 250x1, 50x5 och 25x10 arrangemang, detta möjliggör matrisvisualiseringar. Buller kan visas som rörliga vågor, spel kan spelas på matrisen som en skärm med låg upplösning. Valet av en individuell remslängd på 25 pixlar var personligt, och du kan välja detta själv och ange det i koden. Vad jag ville ha framför allt var flexibilitet, så att oavsett vilken grafisk effekt jag bestämde mig för att koda vid ett senare tillfälle, kunde jag montera HW i det önskade arrangemanget.

Sorg #2

Jag hade en dröm, och det var att använda ett ledande bläck för att måla kretsanslutningar på kartong, som kunde pressas mot de angränsande ändarna av LED -remsorna.

Fördelar:

1. Ser superkul ut, och jag kan använda ganska olika färgade kartonger
2. Jag får rita kretsar
3. Ultimate anpassning, tänk på ett nytt arrangemang, bara rita det.

Nackdelar:

1. Det fungerade inte.
2. Inte ens en liten bit.
3. Varför skulle du kunna dra för hand en tillräckligt noggrann kabeldragning och sedan applicera ett exakt och konsekvent tillräckligt tryck på ett komprimerbart material som kartong?

Jag hävdar att om det hade fungerat hade det varit riktigt häftigt och jag ångrar bara delvis de 2 timmar som tilldelats denna strävan.

Faktisk lösning

Jag bestämde mig för att använda ett system med pluggbara manliga/kvinnliga rubriker, liknande de som används för att ansluta Stripboard -trådarna till Arduino. Genom att placera M/F alternativt i varje ände kan de enskilda remsorna valfritt anslutas till varandra för att återskapa den ursprungliga oklippta remsan. Eller mellanliggande flexibla trådkontakter kan användas så att remsor kan vikas tillbaka på sig själva för att bilda en matris eller någon annan rymdkonfiguration.

1. Skär Led Strip i segment, jag valde 10 remsor med längden 25, vilket lämnade 50 lysdioder lediga till ett annat projekt
2. Löd var och en av kopparanslutningarna i varje ände av remsan. Var försiktig så att du inte smälter plasten, om du köpte en med vattentät täckning måste du klippa bort en liten toppdel i varje ände.
3. Min LEDStrip hade 4 kontakter i varje ände och 10 remsor så jag klippte 10 hane, 10 honhuvudsegment var och en med längd 4. För varje remsa lödde jag hane i ena änden och hon till den andra. Se till att samma ändar är hane/hona för varje remsa, detta gör att du kan ansluta dem i en tusensköna -liknande kedja.
4. Testa anslutningarna genom att ansluta de 10 remsorna, korrigera med mer lödning om det behövs.
5. Vi behöver nu trådanslutningarna, dessa kommer att användas för att ansluta de enskilda remsorna till flexibla arrangemang, oavsett om det är målet att nå avstånd från varandra eller montera en matris. Deras längd avgör hur långt ifrån varandra du kan placera varje kontinuerlig sektion av LEDStrip; klipp av tråden lite längre än du vill ha den eftersom en viss längd går förlorad när du ansluter ledningarna. Klipp ytterligare 10 hane, 10 honhuvudsegment med längd 4. Klipp 40 bitar av tråd (helst mångfärgad, flexibel), ta bort varje ände och förlöd.
6. För att skapa en trådbunden anslutning, ta först fyra ledningar (helst olika färger för att möjliggöra identifiering av vilken tråd som ansluter till vilken stift) och löd dem till en hanrubrik. Du vill sedan fläta dessa 4 trådar, detta håller ledningarna snygga. När den är flätad (tillräcklig är kvaliteten vi letar efter här) kan du lödda de andra ändarna till honkontakten. Se till att samma trådar är lödda till samma stift. Om all din tråd har samma färg, gör markeringar eller använd en multimätare för att avgöra vilken tråd som är, eftersom det inte kommer att vara klart efter flätning. Upprepa denna process för varje trådbunden anslutning du behöver.
7. Testa anslutningarna igen, genom att ansluta alla remsor med de trådbundna anslutningarna, leka med inställningen för konsolstorlek och ordna LEDStrips i olika matrisformationer. Det är bättre att bryta och identifiera svaga förbindelser tidigare snarare än senare.

Du har nu 10 individuella remsor, som kan anslutas direkt till varandra för att återskapa en lång enda remsa eller ordnas om i matrisformationer.

Steg 7: Konfiguration och installation

Den senaste versionen finns alltid på min github: rs6713/leddisplay/, gaffla den gärna/ladda ner och spela runt.

Installera Arduino IDE

I den mirakulösa händelsen slutförde du på något sätt denna handledning utan tidigare Arduino -upplevelse, Arduino IDE kan laddas ner här. Installera och öppna bara koden i IDE, anslut kortet via skrivarkabeln till datorn. (Du kan behöva installera en drivrutin för att datorn ska känna igen Arduino -kortet, men detta bör ske automatiskt första gången du ansluter en Arduino till din dator). Välj korttyp och välj den aktiva COMM -porten som Arduino är ansluten till.

Konfiguration

För att ändra de olika inställningarna på displayen krävs ingen sofistikerad programmeringskunskap.

Områden i programmet som är mottagliga för konfiguration är markerade med /*** CONFIGURE ME *** /

Du kan enkelt ändra/konfigurera följande områden i programmet:

• Stiften som komponenterna är anslutna till
• Storleken på de enskilda LEDStrips
• Totalt antal lysdioder i remsorna totalt
• De lägen du vill tillåta för programmet
• Regndropparnas längd för regneffekten.

Stiften och det totala antalet lysdioder är viktiga för att få koden att fungera med din version av den elektroniska kretsen som diskuterades i föregående steg. Det är också användbart så att du kan testa olika visningslägen genom att ställa in dem under kodinitiering snarare än att behöva konstruera och ansluta alla joystick-, läges- och konfigurationsknappar.

Ladda upp

När du har ställt in rätt PIN -nummer för komponenterna, Stripstorlek och antal lysdioder kan du ladda upp programmet till Arduino genom att trycka på upload. Förhoppningsvis har du redan gjort detta vid denna tidpunkt som en självklarhet under testningen. Anslut den externa 5V -nätaggregatet och du bör vara klar.

Felsökning

Om LEDStrip/Console inte fungerar som förväntat finns det ett antal möjliga orsaker.

LEDStrip är helt/delvis avstängd:

• Kontrollera att LEDStrip -omkopplaren är påslagen,
• Om du förlängde remsan och de sista ändsegmenten på LEDStrip inte lyser beror det troligen på en felaktig anslutning. Kontrollera dina anslutningar med avseende på torra fogar och lödare, försök ändra ordning på remsorna, och om det är en kabelanslutning, försök byta en trådanslutning till en annan.

LCD -skärmens ljusstyrka är låg/ LEDStripfärger är felaktiga:

• Kontrollera att den externa strömanslutningen är på/korrekt ansluten. När strömmen är låg lyser inte alla färger på RGB -lysdioderna konsekvent och LCD -skärmen kämpar för att lysa upp sig själv.
• Färgerna kan också vara fel om storlekskonfigurationen t.ex. 250x1 i programmet återspeglar inte det verkliga LED -arrangemanget.
• I värsta fall kan du ändra programmet för att minska antalet belysta remsor.

Slumpmässig fruktansvärdhet

Som en sista utväg, kommenterade Serial.prints har lämnats i hela koden, om du inte kommenterar dem kommer du att få feedback på olika komponent- och inre programtillstånd.

En trolig situation är att en ingång som bör jordas, har kopplats bort och lämnas flytande, detta kommer att skapa falska händelseutlösare (slumpmässigt oscillerande stiftavläsning mellan FALSKT och SANT) och oförutsägbart programbeteende.

Programändringar

Ytterligare områden med möjliga ändringar markeras med /** ÄNDRA MIG ** /

Dessa områden är utmärkta exempel där du kan lägga till dina egna anpassningar:

• Lägg till nya färgpalettalternativ
• Lägg till nya effekter t.ex. skimmer
• Lägg till nya spel

Detta är bara förslag, ändra gärna koden hur du vill.

Steg 8: Tillägg 2: OpenProcessing

** I skrivande stund förblir den här funktionen oimplementerad, så det här steget är avsett att lyfta fram framtida planer/manifestationer av detta projekt och att markera betydelsen av att förlänga LEDStrip för att möjliggöra matrisdisplayer. **

En av anledningarna till att jag var så exalterad över att förlängningen av LEDStrip gjorde att den kunde ordnas som en matris, var att det att ha en skärm visar många möjligheter att kartlägga 2D -visualiseringar från annan programvara till Arduino HW.

OpenProcessing är en gemenskap av 2D interaktiv grafik baserad på bearbetningsspråket. Genom att använda en enkel Serial Print -funktion kan utseendet på varje ram överföras pixel för pixel till Arduino. Därför kan det finnas ett framtida läge för konsolen, där Arduino bara lyssnar på den seriella anslutningen och bara uppdaterar LED -matrisen bild för bild i enlighet med animationen som anges av bearbetningsprogrammet. Detta har många fördelar genom att Processing är ett språk specialiserat på bildkonst och är lätt att lära sig, vilket gör det väldigt snabbt att skapa komplexa konstvisualiseringar. Det flyttar också minnet och bearbetningskomplexiteten till din dator med det relativt begränsade minnet/processorkraften begränsad Arduino som bara behöver hantera informationen som skickas över serien.

Genom att lägga ut dina LED-skärmvisualiseringar till ett redan existerande bibliotek med 2D-grafiska effekter är möjligheterna oändliga. Kolla in openprocessing.org -katalogen för inspiration.