Stojak na butelki z muzyką z regulowanymi światłami: 14 kroków

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:29

Jakiś czas temu mój przyjaciel zamówił 16-bitowy pierścień LED do majsterkowania, a robiąc to, wpadł na pomysł, aby umieścić na nim butelkę. Kiedy to zobaczyłem, byłem zafascynowany wyglądem światła oświetlającego kolbę i przypomniałem sobie niesamowity projekt „Mc Lighting” użytkownika Hackadaya Tobiasa Bluma:

hackaday.io/project/122568-mc-lighting

Jednym z aspektów jego projektu było sterowanie diodami LED WS2812 za pomocą samodzielnie napisanego interfejsu internetowego bez użycia jakiejkolwiek usługi zewnętrznej. Zainspirowany jego podejściem do sterowania pierścieniem LED, postanowiłem połączyć te dwa pomysły i przenieść je na wyższy poziom. W mojej głowie miałem stojak na maksymalnie trzy butelki, sterowany za pośrednictwem lokalnej strony internetowej, z kilkoma błyskawicami tryby, w tym te, które współdziałają z muzyką otoczenia. W celu stworzenia przenośnego urządzenia zasilane jest ogniwem litowo-jonowym.

W tej instrukcji przejdę przez proces budowania i nauczę Cię o jego podstawowej funkcji. Następnie powinieneś być w stanie zbudować własną wersję i mieć pomysł, jak dodać kontrolę sieci do projektu bez korzystania z żadnej usługi zewnętrznej.

Krok 1: Opcje budowania

Jeśli chodzi o elektronikę tego projektu, możesz użyć płytki NodeMCU, która jest łatwa w użyciu i dość tania, lub możesz zbudować własną płytkę, tak jak ja. Nie ma z tego żadnych szczególnych korzyści, po prostu miałem układ ESP8226-12E i postanowiłem go użyć, aby móc zachować płytę NodeMCU do szybkiego prototypowania. Jest tylko jedna zasadnicza różnica: potrzebujesz 3.3 V USB do płyty szeregowej, aby zaprogramować samodzielnie wykonaną płytę kontrolera. Mimo to nie ma znaczenia, jaki typ wybierzesz, po prostu miej to na uwadze, jeśli chodzi o wymagane części.

Istnieje jednak opcja, która robi dużą różnicę: tryb muzyczny. Jeśli zdecydujesz się na to, stojak na butelki może służyć jako miernik wysterowania, a ponadto jest w stanie zmienić kolor diod LED, gdy bas muzyki osiągnie określony próg. Wymaga to jednak dodatkowego sprzętu. Musisz zbudować wzmacniacz, który wzmacnia wyjście kapsuły mikrofonu pojemnościowego i filtr dolnoprzepustowy dla częstotliwości basowych. Choć może się to wydawać trudne, tak naprawdę nie jest. Nie wymaga żadnych specjalnych części i gorąco polecam włączenie tego układu, ponieważ bardzo wzbogaca urządzenie.

Krok 2: Wymagane części i materiały

Walizka:

Być może najtrudniejsza część tego projektu to sprawa. Chcąc spróbować czegoś nowego postanowiłem użyć płyt MDF o grubości 18 mm i je pomalować. W porównaniu z innymi rodzajami drewna/materiałów płyta MDF ma tę zaletę, że jej powierzchnię można szlifować wyjątkowo gładko, dzięki czemu farba na niej może wyglądać wyjątkowo błyszcząco. Dodatkowo potrzebujesz trochę szkła akrylowego o grubości 4 mm jako osłony pierścieni LED.

Etui ma długość 33 cm i szerokość 9 cm, dlatego polecam płytkę o następujących wymiarach:

Płyta MDF 400 x 250 x 18 mm

Osłony pierścieni LED mają średnicę około 70 mm, więc Twoja płyta ze szkła akrylowego powinna mieć co najmniej następujące wymiary:

Płyta akrylowa 250 x 100 x 4 mm

Do malowania zaopatrzyłem się w 125ml białej farby akrylowej i 125ml błyszczącego lakieru bezbarwnego. Ponadto polecam użyć wałka piankowego, ponieważ pozwala to na bardziej równomierne nakładanie farby. Do części szlifierskiej użyłem arkusza papieru ściernego o ziarnistości 180, jednego o ziarnistości 320 i jednego o ziarnistości 600.

Elektronika:

Do elektroniki potrzebne są trzy 16-bitowe pierścienie LED WS2812. Tylko uważaj, bo znalazłem dwa rodzaje 16-bitowych pierścieni LED, potrzebujesz tych o większej średnicy (około 70 mm), a więc większej szczeliny między diodami.

Do zasilania potrzebne jest ogniwo Li-Ion, odpowiednia ładowarka i włącznik. Dodatkowo do zasilania mikrokontrolera potrzebny jest regulator napięcia 3,3 V z niskim napięciem spadku napięcia (LDO) oraz dwa kondensatory. Wyjaśniam, dlaczego potrzebujesz regulatora LDO w kroku 7.

Jeśli zdecydujesz się zbudować opcjonalny wzmacniacz muzyczny i obwód filtrujący, potrzebujesz wzmacniacza operacyjnego i niektórych elementów pasywnych. A jeśli zdecydujesz się stworzyć własną jednostkę sterującą, potrzebujesz układu ESP, płytki zaciskowej, kilku rezystorów, przycisku i kilku pinów.

I zdecydowanie polecam kawałek płyty perforowanej, aby wszystko na niej wlutować.

Pierścień LED

Ogniwo Li-Ion 3,7 V (uratowałem jeden typ TW18650 z nieużywanego akumulatora)

Ładowarka litowo-jonowa

Przełącznik (nic specjalnego, użyłem starego, który uratowałem z uszkodzonego zestawu głośników)

Regulator napięcia LDO (dodatkowo kondensatory wymienione w karcie katalogowej: 2 x 1uF kondensator ceramiczny)

płyta perforowana

Obwód muzyczny (opcjonalnie):

Zgodnie ze schematem

Mikrokontroler:

WęzełMCU

ESP8266 12E (płytka adaptera, przycisk, rezystory i piny wg schematu)

USB to Serial (wymagany do zaprogramowania samodzielnie wykonanej płyty kontrolera, jeśli już ją posiadasz, nie ma potrzeby kupowania kolejnej)

Krok 3: Frezowanie obudowy

Mój przyjaciel zbudował sobie MP-CNC i był tak miły, że wyfrezował mi dwie części MDF i trzy akrylowe pierścienie. Drewniane części to górna i dolna część pudełka w kształcie pigułki. Na górze pudełka znajdują się trzy miejsca na pierścienie LED i ich akrylowe osłony. Ponieważ te pogłębienia są zaprojektowane tak, aby były tylko o ułamek większe niż płytki drukowane, pasują i siadają na miejscu bez potrzeby stosowania kleju lub śrub. To samo dotyczy akrylowych okładek. Ponieważ mają większą średnicę niż pierścienie LED, są umieszczone na krawędzi nad diodami LED (patrz rysunek).

Krok 4: Uzupełnij sprawę

Być może zauważyłeś, że w tej chwili w frezowanej obudowie brakuje kilku rzeczy. Rzeczy takie jak otwory na kable pierścienia, otwór na gniazdo USB i kieszeń na baterię. Co więcej, jeśli zdecydujesz się dołączyć obwód muzyczny, potrzebny jest również otwór na mikrofon. Dodatkowo polecam wywiercić otwory pod pierścieniami LED, aby można było je wypchnąć z obudowy. Do dodania opisanych powyżej otworów użyłem obrotowego narzędzia szlifierskiego.

Na trzecim zdjęciu widać otwory "konserwacyjne" i kablowe do pierścienia. Jak pewnie już zauważyłeś, stworzyłem dwa otwory na kable. To nie było celowe. To było na wczesnym etapie, kiedy myślałem, że kąty pierścieni będą nieistotne, ale tak nie jest. Zamontuj wszystkie trzy z ich kablami po tej samej stronie. Skończyło się na zamontowaniu ich z przodu.

Ważne: Zawsze noś maskę przeciwpyłową podczas cięcia, wiercenia lub frezowania w MDF. To samo dotyczy szlifowania.

Krok 5: Kończenie sprawy

Teraz sprawa zostaje pomalowana. Zanim to zrobisz, polecam obejrzeć lub przeczytać samouczek na ten temat, ponieważ okazało się, że jest to trudniejsze niż myślałem. Ten zawiera wszystko, co musisz wiedzieć na ten temat.

Najpierw dokładnie przeszlifuj zewnętrzną stronę części MDF. Użyłem do tego papieru o ziarnistości 160. Następnie wiele samouczków zaleca uszczelnienie powierzchni, szczególnie na krawędziach, specjalnym podkładem MDF. Pominąłem tę część, ponieważ podkład jest dość drogi i chociaż wynik nie jest tak dobry, jak mógłby być, zrobiłbym to ponownie.

Następnie możesz zacząć malować powierzchnię na wybrany kolor. Postanowiłem pomalować moje na czystą biel. Poczekaj, aż kolor wyschnie, a następnie przeszlifuj drobnym papierem ściernym (ja użyłam ziarnistości 320), odkurz i nałóż kolejną warstwę koloru. Powtarzaj ten proces, aż będziesz zadowolony z krycia koloru. Nałożyłam cztery warstwy koloru.

Po ostatniej warstwie koloru przeszlifuj ją jeszcze drobniejszym niż poprzednio papierem ściernym (w moim przypadku ziarnistość 600) i usuń cały kurz pozostały na powierzchni. Następnie możesz nałożyć pierwszą warstwę błyszczącego lakieru bezbarwnego. Podobnie jak w przypadku koloru, nałóż tyle warstw, ile potrzeba, aby Cię usatysfakcjonować. Użyłem trzech na górze i po bokach, a dwóch na dole. Możesz zobaczyć wynik na jednym ze zdjęć. Choć powierzchnia mogłaby być gładsza (więcej szlifowania i podkładu MDF), jestem zadowolony z uzyskanego efektu połysku.

Krok 6: Przygotowanie pierścieni

Równolegle z procesem schnięcia pierwszej warstwy koloru można szlifować krążki akrylowo-szklane. Następnie pierścienie te rozpraszają światło emitowane przez pierścienie LED. Skoro o tym mowa, zauważyłem, że płytki PCB tych pierścieni mają pewne niechciane krawędzie, które pozostały z procesu produkcyjnego, więc może być konieczne ich gratowanie. W przeciwnym razie nie zmieszczą się w etui.

Następnie niektóre przewody należy przylutować do pierścieni. Polecam używanie elastycznego drutu. Użyłem sztywnych i miałem problem, że rozsunęły dwie części obudowy, co wymagało brzydkiego zgięcia. Ponadto sztywny drut jest bardziej podatny na pękanie, co powoduje nieprzyjemny proces lutowania, ponieważ musisz wyjąć odpowiedni pierścień i płytę kontrolera z obudowy.

Krok 7: Zasilanie

Jako źródło zasilania używana jest pojedyncza bateria litowo-jonowa. Jest ładowany przez obwód ładowarki. Obwód ten posiada zabezpieczenie przed nadmiernym rozładowaniem i przetężeniem. Aby wyłączyć urządzenie, wbudowany jest przełącznik, który przerywa dodatnie wyjście płytki ładowarki.

Ponieważ maksymalne napięcie ogniwa akumulatora wynosi 4,2 V, ESP8266 nie może być zasilany bezpośrednio. Napięcie jest zbyt wysokie dla mikrokontrolera 3,3 V, ponieważ wytrzymuje tylko napięcia w zakresie od 3,0 V do 3,6 V. Regulator napięcia o niskim spadku (LDO) to regulator napięcia, który działa nawet wtedy, gdy napięcie wejściowe jest zbliżone do określonego napięcia wyjściowego. Tak więc napięcie zaniku 200 mV dla 3,3 V LDO oznacza, że wyprowadza 3,3 V, o ile napięcie wejściowe jest powyżej 3,5 V. Gdy spadnie poniżej tej wartości, napięcie wyjściowe zaczyna spadać. Ponieważ ESP8266 pracuje z napięciami do 3,0 V, działa, dopóki napięcie wejściowe LDO nie spadnie do około 3,3 V (zejście nie jest liniowe). Dzięki temu możemy zasilać kontroler przez ogniwo akumulatora, aż do całkowitego rozładowania.

Krok 8: Płytka mikrokontrolera

Jeśli używasz płyty NodeMCU, ten krok jest dość prosty. Wystarczy podłączyć wyjście 3,3V i masę zasilacza do jednej z płytek 3V i pinów G. Ponadto polecam przylutować płytkę do kawałka płyty perforowanej, ponieważ ułatwia to połączenie wszystkiego.

W przypadku, gdy zdecydujesz się zbudować własną płytkę kontrolera, pierwszym krokiem jest przylutowanie układu ESP do płytki adaptera. Następnie dodaj wszystkie komponenty i połączenia, jak pokazano na schemacie. Te dwa przyciski są niezbędne do zresetowania i flashowania kontrolera. Możesz zauważyć na poniższych zdjęciach, że używam tylko jednego przycisku. Powodem tego jest to, że właśnie znalazłem jeden leżący, więc zamiast przycisku dla GPIO0 używam dwóch pinów i zworki.

Możesz zobaczyć mój ukończony obwód w następnym kroku.

Krok 9: Obwód muzyczny (opcjonalnie)

Jako wejście dla muzyki wykorzystywana jest prosta kapsuła mikrofonu pojemnościowego. Zasilany jest przez rezystor ograniczający prąd podłączony do szyny zasilającej 3,3V. Krótko mówiąc, kapsuła działa jak kondensator, więc gdy fale dźwiękowe uderzają w membranę, zmienia się jej pojemność i analogicznie napięcie. To napięcie jest tak niskie, że z trudem możemy je zmierzyć przetwornikiem analogowo-cyfrowym (ADC) ESP. Aby to zmienić, wzmacniamy sygnał za pomocą wzmacniacza operacyjnego. Wzmocnione napięcie wyjściowe jest następnie filtrowane przez pasywny filtr dolnoprzepustowy pierwszego rzędu o częstotliwości odcięcia około 70 Hz.

Jeśli zdecydujesz się użyć płyty NodeMCU, możesz podłączyć wyjście opisanego powyżej obwodu do pinu A0 płyty. Jeśli chcesz zbudować własną płytkę kontrolera, musisz dodać dzielnik napięcia do obwodu. Powodem tego są ESP na pokładzie ADC, które mają maksymalne napięcie wejściowe 1V. NodeMCU ma już wbudowany dzielnik napięcia, więc aby kod i wzmacniacz działały na obu płytach, ten sam jest również potrzebny.

Krok 10: Zakończ i zamontuj elektronikę

Najpierw włóż pierścienie LED do wyznaczonych zagłębień na górze obudowy. Następnie podłącz zasilacz, mikrokontroler, pierścienie i, jeśli go zbudowałeś, obwód wzmacniacza zgodnie ze schematem.

Ostrzeżenie: Zanim to zrobisz, sprawdź, czy wyłączyłeś zasilanie za pomocą przełącznika. Zapomniałem o tym i podczas lutowania usmażyłem regulator LDO. Następnie jesteś gotowy do zamontowania elektroniki wewnątrz obudowy.

Zacząłem od przyklejenia ogniwa akumulatora do obudowy za pomocą gorącego kleju. Następnie ustawiłem obwód ładowarki i sprawdziłem, czy mogę podłączyć kabel USB, czy nie. Ponieważ nie ufałem, że gorący klej wytrzyma siłę wielokrotnego wciskania kabla, ostrożnie wbijałem cienkie gwoździe przez podkładki lutownicze ładowarki, aby uzyskać napięcie wejściowe. Po ładowarce przykleiłem kapsułę mikrofonu na miejsce.

Następnie użyłem wygiętych szpilek z drutu, aby naprawić mikrokontroler. Ta metoda pozwala mi wyjąć kontroler z obudowy w celu naprawy, kiedy tylko zajdzie taka potrzeba, bez konieczności przecinania gorącego kleju i niszczenia płyty MDF.

Teraz użyłem opasek kablowych i wygiętych szpilek do montażu przewodów. Ostatnią rzeczą do zrobienia jest włożenie akrylowych pierścieni osłonowych. Zachowaj ostrożność, aby nie uszkodzić lakieru, ponieważ jest to dość ciasne dopasowanie. Możesz nawet zmniejszyć wewnętrzną i/lub zewnętrzną średnicę pierścieni akrylowych, ponieważ płyta MDF pochłonęła trochę farby, a wgłębienia stały się nieco mniejsze.

Krok 11: Flashowanie mikrokontrolera

Po zakończeniu budowy sprzętu pozostaje tylko flashowanie oprogramowania. Użyłem do tego Arduino IDE. Ale zanim będziesz mógł zaprogramować sterownik, musisz dodać kilka bibliotek i wybrać odpowiednią płytkę.

Biblioteki

Możesz użyć Menedżera bibliotek IDE (Sketch -> Include Libraries -> Mange Libraries), aby je dodać, lub pobrać i przenieść je do folderu biblioteki IDE. Polecam kierownika, ponieważ jest to wygodniejsze i można tam znaleźć wszystkie potrzebne biblioteki.

DNSServer autorstwa Kristijana Novoselica (niezbędny dla WiFiManager)

WiFiManager firmy tzapu i tablatronix (otwiera AP, w którym można wprowadzić dane uwierzytelniające lokalnego WiFi)

WebSockets firmy Markus Sattler (niezbędne do komunikacji między urządzeniem użytkownika a stojakiem na butelki)

Adafruit NeoPixel firmy Adafruit (niezbędny do sterowania pierścieniami LED)

Deska

Bez względu na rodzaj płyty kontrolera, którą wybrałeś, w menu Narzędzia -> Płyta wybierz NodeMCU 1.0 (moduł ESP-12E). Upewnij się, że rozmiar pamięci flash jest ustawiony na 4M (1M SPIFFS), a prędkość wysyłania na 115200.

Błyskowy

Aby sflashować płytę NodeMCU po prostu podłącz ją do komputera, wybierz odpowiedni port i wgraj program. Flashowanie samodzielnie wykonanej płyty kontrolera jest nieco bardziej skomplikowane. Podłącz konwerter USB na szeregowy do trzech pinów płyty. Połącz GND i GND, RX i TX oraz TX i RX. Aby wejść w tryb flash kontrolera, uruchom go ponownie przyciskiem RST i przy tym trzymaj wciśnięty przycisk GPIO0. Następnie upewnij się, że karta konwertera jest ustawiona na 3,3V. Zakończ proces, przesyłając program.

Ważne: włącz urządzenie przed flashowaniem.

Krok 12: Prześlij stronę internetową

Pliki potrzebne do stworzenia strony są przechowywane w pamięci flash mikrokontrolera. Przed pierwszym użyciem musisz je ręcznie wgrać. Aby to zrobić, zasil urządzenie (być może musisz je najpierw naładować). Diody LED powinny świecić na czerwono (z powodu mojego aparatu wygląda to na pomarańczowo na zdjęciu), co oznacza, że stojak na butelki nie jest podłączony do sieci. Po chwili powinien się otworzyć punkt dostępu Wi-Fi o nazwie „bottleStandAP”. Domyślne hasło to „12345678”, możesz je zmienić w pliku ino. Podłącz do niego smartfon/tablet/laptop. Powiadomienie powinno wyskoczyć i przekierować Cię na stronę internetową. Jeśli nic takiego się nie stanie, po prostu otwórz przeglądarkę i wpisz 192.168.4.1. Na tej stronie kliknij Konfiguruj Wi-Fi i wprowadź dane logowania do sieci. Następnie punkt dostępowy powinien się zamknąć, a diody LED zmienią kolor na jasnoniebieski. Oznacza to, że urządzenie pomyślnie połączyło się z Twoją siecią.

Teraz musisz określić adres IP urządzenia. Aby to zrobić, możesz podłączyć go do komputera, otworzyć Serial Monitor Arduino IDE (szybkość transmisji wynosi 115200) i ponownie uruchomić urządzenie. Alternatywnie możesz otworzyć stronę internetową routera Wi-Fi. Po poznaniu adresu IP urządzenia otwórz przeglądarkę i wpisz xxx.xxx.xxx.xxx/upload (gdzie xs oznacza adres IP stojaka na butelki). Wyodrębnij pliki z.rar i prześlij je wszystkie. Następnie wpisz adres IP swojego urządzenia, a strona kontrolna powinna się otworzyć. I przez to skończyłeś budować swój własny stojak na butelki. Gratulacje!

Krok 13: Strona internetowa

Strona internetowa umożliwia sterowanie stojakiem na butelki. Kiedy otworzysz stronę główną, zobaczysz trzy niebieskie kółka w górnej połowie. Pozwalają one wybrać, które ustawienia dzwonka chcesz zmienić. Koło kolorów zmienia wybrany kolor pierścieni po kliknięciu. Poniższe pole pokazuje wybrany kolor. Naciskając przycisk losowy, wybrane pierścienie są ustawiane w trybie losowego koloru. Oznacza to, że kolor zmienia się po zakończeniu cyklu trybu oddechowego.

Na drugiej stronie możesz wybrać różne tryby. Stały kolor i stała jasność robią dokładnie to, co sugeruje ich nazwa. Tryb oddechu tworzy efekt „oddechu”, co oznacza, że jasność pierścieni wzrasta w określonym czasie do maksimum, a następnie zmniejsza się do minimum. Tryb cyklu zapala tylko jedną diodę LED przez określony czas, następnie zapala się następna, potem następna i tak dalej. Tryb progu muzycznego zmienia kolor za każdym razem, gdy mikrofon wykryje sygnał wyższy niż próg ustawiony przez użytkownika. Nie tylko muzyka może to wywołać, na przykład klaskanie może też. W trybie miernika VU ilość świecących diod LED zależy od głośności basu muzyki.

Uwaga: możesz używać linijek bez aktywowania odpowiednich trybów. Na przykład: Jeśli użyjesz trybu cyklicznego i zmienisz jasność za pomocą linijki stałej jasności, pierścienie pozostaną w trybie cyklicznym, ale zmienią swoją jasność zgodnie z ustawieniem.

Krok 14: Jak to wszystko działa?

Zasada działania jest dość łatwa do zrozumienia. Za każdym razem, gdy otwierasz stronę internetową, ESP8266 wysyła pliki internetowe do Twojego urządzenia. Następnie, gdy zmienisz coś na stronie, do mikrokontrolera wysyłany jest znak specjalny, po którym najczęściej następuje liczba całkowita, poprzez połączenie przez gniazdo sieciowe. Kontroler przetwarza następnie te dane i odpowiednio zmienia światła.

Web part napisany jest w html, css i javascript. Aby ułatwić to zadanie, stworzyłem nam framework Materialize CSS oraz jQuery. Jeśli chcesz zmienić wygląd strony, zajrzyj do dokumentacji frameworka. Możesz też po prostu napisać własną stronę i przesłać ją. Musisz tylko nawiązać połączenie websocket i wysłać te same dane.