Drzewo RGB LED Maker: 15 kroków (ze zdjęciami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:31

Nasz lokalny makerspace zasponsorował drzewo, które ma być wystawione na Main Street w grudniu (2018 r.). Podczas naszej burzy mózgów wpadliśmy na pomysł umieszczenia na drzewku absurdalnej ilości diod LED w miejsce tradycyjnych ozdób. Jako twórcy, którzy lubią robić rzeczy nieco przesadzone, szybko zdecydowaliśmy, że drzewo, które może odtwarzać animacje, będzie nie tylko zabawne, ale także wywoła trochę szumu.

Zbadałem niektóre istniejące rozwiązania, które wykorzystywały dedykowane kontrolery LED i zdecydowałem, że bliskie źródło po prostu nie wystarczy. Natknąłem się na doskonały samouczek Adafruit dotyczący używania ich kontrolerów LED „FadeCandy”. Ta zgrabna, mała tablica ma na swoim koncie wiele występów Burning Man i ma wiele dobrych przykładów do wykorzystania. Drzewo składa się z 24 pasm indywidualnie adresowanych szczepów LED RGB sterowanych za pomocą płytek FadeCandy i zasilanych pojedynczym zasilaczem 5V 60A. Raspberry Pi przesyła animacje do płyt FadeCandy za pomocą kabli micro-USB, które z kolei łączą się z poszczególnymi pasmami LED. Pasma są ułożone promieniście, tworząc kształt stożka / drzewa, jak pokazano powyżej.

Fajną rzeczą w tej konfiguracji jest to, że nie ogranicza się do pojedynczego użycia. Pasma LED można zmieniać, tworząc wiele kształtów, w tym zwykłą starą siatkę. Mamy nadzieję, że ponownie wykorzystamy tę konfigurację do stworzenia interaktywnej wystawy/gry podczas naszej następnej mini MakerFaire na wiosnę.

Krok 1: Lista części

• 2x - 5V żyłki LED WS2811 (20 żył x 50 pikseli = 1000 pikseli)
• 5x - 3-pinowe wodoodporne złącza (5 szt.)
• Paski montażowe 24x - 12MM RGB
• 3x - Kontrolery LED Adafruit FadeCandy
• 6x - Bloki dystrybucji zasilania
• 1x - 5V 60A (300W) Zasilanie
• 1x- RJ-45 Gniazda typu Punch Down (10 szt.)
• Przewód zasilający 2x - 22 AWG (65 stóp)
• 1x - Zestaw złączy Anderson
• 1x - 12 AWG wbudowane oprawki bezpieczników
• Obudowa złącza zaciskanego 3x - 2x8
• 1x - 0,1" żeńskie szpilki zaciskane (100 szt.)
• 6x - Wodoodporne skrzynki elektryczne
• Bezpiecznik 3x - 20A
• 1x - Kabel zasilający komputera
• 1x - Raspberry Pi 3
• 1x - Karta MicroSD
• 24 stopy - kabel CAT5/CAT6
• 15 stóp - przewód 12 AWG (czerwony i czarny)
• 6x - końcówki zaciskane RJ-45
• 2x - 4x8 arkusz 3/4 "sklejki
• Kątownik 2x - 4 '
• 200x - Opaski na suwak
• ~144x - Wodoodporne złącza spawów (opcjonalne, ale duża oszczędność czasu)
• Lutować
• Termokurczliwe
• Uszczelnianie

Krok 2: Przegląd instalacji elektrycznej

Jak widać na powyższym schemacie, układ elektryczny drzewa można podzielić na kilka głównych elementów: skrzynkę kontrolną, skrzynki połączeniowe zasilania, skrzynki połączeniowe danych i pasma LED. W skrzynce sterującej znajduje się zasilacz 5V 60A oraz Raspberry Pi. Skrzynki Data Junction zawierają kontrolery LED FadeCandy. Puszki połączeniowe zasilania zawierają szyny zbiorcze do dystrybucji zasilania (5 V i GND) do pasm LED. Każda para puszek połączeniowych (jeden dane + jedna moc) steruje ośmioma pasmami diod LED. Ponieważ w tym projekcie zastosowano 24 żyły diod LED, istnieją trzy zestawy puszek połączeniowych (w sumie sześć).

*Na schemacie pokazanym powyżej występuje błąd, kabel CAT6 0 (żyły 0-7) powinien być (żyły 0-3), a kabel CAT6 1 (żyły 7-15) powinien być (żyły 4-7).

Krok 3: Podłącz wodoodporne złącza

Ponieważ drzewo było przeznaczone do użytku na zewnątrz, dołożono wszelkich starań, aby wszystkie połączenia były wodoodporne. Dla tych, którzy chcą wykonać podobny projekt wewnętrzny, wodoodporne złącza można zignorować na rzecz 3-pinowych złączy JST, które są dostarczane z linkami LED. Dużo pracy przy tym projekcie poświęcono na lutowanie wodoodpornych złączy do skrętek.

W naszej konfiguracji odcięliśmy istniejące złącze JST od pasma LED i dołączyliśmy w jego miejsce 3-pinowe wodoodporne złącze. Należy zwrócić uwagę, aby dodać złącze po stronie "wejściowej" wiązki LED, połączenie danych na wiązkach LED jest kierunkowe. Odkryliśmy, że każda dioda LED miała małą strzałkę wskazującą kierunek danych. Początkowo przymocowaliśmy każdy z trzech przewodów po stronie pasma LED za pomocą techniki obejmującej lutowanie, obkurczanie termiczne i uszczelnianie. W końcu przeszliśmy na używanie tych wodoodpornych złączy spawanych, które okazały się ogromną oszczędnością czasu.

Po stronie zasilania / danych (tj. Po stronie, z którą łączą się pasma LED), użyliśmy drutu 22 AWG do zasilania / uziemienia i kabla CAT6 do danych / uziemienia. Każdy kabel CAT6 zawiera cztery skręcone pary, dzięki czemu możemy połączyć cztery pasma LED do jednego kabla CAT6. Powyższy schemat pokazuje, w jaki sposób 3-pinowa nić LED dzieli się na 4 przewody (5 V, GND, Data). Połączenie czterech przewodów z trzema przewodami wydawało się być punktem zamieszania podczas montażu tego projektu. Kluczowym wnioskiem jest to, że dwie masy (dane + zasilanie) są połączone w wodoodpornym złączu.

Każdy kabel CAT6 był zakończony złączem RJ-45, które było podłączone do żeńskiej obudowy RJ-45 połączonej z płytką FadeCandy. Przewody CAT6 można było przylutować bezpośrednio do płytek FadeCandy, ale zdecydowaliśmy się dodać złącza, aby w razie potrzeby ułatwić naprawy. Wykonaliśmy całe nasze okablowanie o długości 48 cali, aby zapewnić sobie pewną elastyczność podczas fizycznego montażu drzewa.

Krok 4: Podłącz złącza do tablic FadeCandy

Zakupione przez nas płytki FadeCandy nie były dostarczane z dołączonymi nagłówkami, zamiast tego były dwa rzędy przelotek rozmieszczonych co 0,1 cala. Ostatecznie zdecydowaliśmy, że FadeCandys połączy się z kablami CAT6 za pomocą standardowych gniazd RJ-45 typu „punch-down”. Wydarzenie, w którym musieliśmy wymienić FadeCandy (okazuje się, że tak zrobiliśmy!), dodaliśmy również piny 0,1" do każdej tablicy FadeCandy. Dołączyliśmy żeńskie szpilki zaciskowe do każdego z ośmiu przewodów podłączonych do gniazda RJ-45, aby połączyć się z nagłówkami 0,1 ". Oprócz zaciskania pinów na każdym przewodzie, dodałem również trochę lutu, aby zapobiec pinom z oderwania. Oczywiście odkryłem tę "sztuczkę" lutowania dopiero po tym, jak połowa pinów, które zacisnąłem, zawiodła mi się, lekcja wyciągnięta.

Krok 5: Włóż diody LED do pasków dystansowych

Po przeczytaniu kilku postów na forum i obejrzeniu filmów od innych ludzi, którzy stworzyli podobne „drzewa”, użycie plastikowych przekładek wydawało się powracającym elementem. Paski umożliwiają dostosowanie rozstawu diod LED do indywidualnych potrzeb i umożliwiają napinanie pasm LED między górnym i dolnym słojem drzewa. Rozmiar diody LED musi odpowiadać rozmiarowi otworów w przekładce (w naszym przypadku 12 mm), tak aby każda pojedyncza dioda LED ściśle przylegała do otworów w przekładkach. Zdecydowaliśmy się, aby nasze diody LED były zygzakowate, tak aby 24 pasma diod LED tworzyły 48 kolumn wokół drzewa.

Popełniliśmy w tym miejscu błąd, który zmusił nas do wygenerowania dodatkowych „dziur” dla diod LED. Przecinamy paski na pół, dzięki czemu będziemy mieli 48 odcinków przekładek. Odkryliśmy, że każda ośmiostopowa przekładka zawiera 96 otworów (jeden na cal), a przecięcie ich na pół w otworze oznaczało, że na każde pasmo LED było cztery otwory. Zwróć uwagę na nasz błąd i rozlicz się z tego z wyprzedzeniem! Ostatecznie wycinamy laserowo kilka „przedłużeń”, aby uzupełnić brakujące otwory.

Plik wektorowy używany do laserowego wycinania wsporników przedłużających znajduje się poniżej ("TreeLightBracket.eps")

Krok 6: Zamontuj skrzynki przyłączeniowe zasilania

Każda z trzech skrzynek rozdzielczych zawiera parę szyn zbiorczych. Pierwsza listwa rozprowadza 5V, a druga GND. Ponieważ nasze drzewo było wystawiane na zewnątrz, zdecydowaliśmy się użyć wodoodpornych skrzynek elektrycznych do umieszczenia szyn zbiorczych. Przymocowaliśmy każdy pasek na miejscu za pomocą gorącego kleju i dodaliśmy skrawek teczki z manili między każdym paskiem a etui, aby zapobiec szortom. Każda skrzynka przyłączeniowa zasilania łączy się z ośmioma pasmami diod LED za pomocą opisanego wcześniej przewodu 22 AWG. Każde pudełko łączy się z głównym zasilaczem za pomocą przewodu 12 AWG i ma złącze „Anderson”, aby ułatwić transport.

Krok 7: Złóż skrzynki połączeniowe danych

Używając tych samych skrzynek, co w przypadku skrzynek rozdzielczych, stworzyliśmy trzy skrzynki rozdzielcze danych, w których znajduje się jedna płytka FadeCandy. Kable micro USB z Raspberry Pi łączą się z płytami FadeCandy wewnątrz tego pudełka, a kable CAT6 łączą się również z gniazdami żeńskimi RJ-45. Ponieważ deski FadeCandy nie mają dużych otworów montażowych, każdą deskę przywiązujemy zamkiem błyskawicznym do kawałka sklejki. Ta sklejka działała również jako izolator, aby zapobiec zwarciom płyty ze skrzynką elektryczną.

Krok 8: Zasilanie przewodowe

Zamówiony przez nas zasilacz 5V 60A zapewnia zasilanie dla całego projektu. Każda z trzech skrzynek przyłączeniowych zasilania jest podłączona do tego głównego zasilania przewodem 12 AWG. Każda skrzynka przyłączeniowa ma własną parę złączy Anderson i wbudowany bezpiecznik 20 A do izolowania wszelkich zwarć. Raspberry Pi również otrzymuje zasilanie z tego zasilacza, co osiągnąłem, przecinając kabel USB i podłączając przewody zasilające / uziemiające do zacisków zasilania. Ponieważ te przewody były dość małe, dodałem również kilka opasek zaciskowych, aby dodać odciążenie tych połączeń. Zasilacz nie był dostarczany z wtyczką do gniazdka sieciowego, więc przeciąłem standardowy kabel zasilający komputer/monitor i przymocowałem go do zacisków śrubowych. Zachowaj szczególną ostrożność na scenie i trzykrotnie sprawdź swoją pracę! Projekt Adafruit okazał się niezwykle pomocny w zrozumieniu, w jaki sposób łączy się moc.

Krok 9: Skonfiguruj Raspberry Pi

Konfiguruję kartę microSD z systemem operacyjnym Raspbian i konfiguruję serwer FadeCandy, korzystając z instrukcji znajdujących się tutaj:

learn.adafruit.com/1500-neopixel-led-curta…

learn.adafruit.com/1500-neopixel-led-curta…

Odkryłem, że repozytorium OpenPixelControl ma świetny zestaw przykładów połączenia z serwerem FadeCandy. Ostatecznie napisałem skrypt Pythona do zapętlania animacji na drzewie po uruchomieniu Pi. Ładuje filmy w naszej docelowej rozdzielczości, przechodzi klatka po klatce przez wideo i wysyła tablicę kontrolną FadeCandy dla każdej klatki. Plik konfiguracyjny FadeCandy pozwala na łączenie wielu płyt tak, jakby były jedną płytą i zapewnia bardzo przejrzysty interfejs. Skrypt Pythona, który kontroluje drzewo, jest skonfigurowany do ładowania plików z określonego folderu. W związku z tym dostosowywanie animacji jest tak proste, jak dodawanie/usuwanie plików wideo z tego folderu.

W trakcie testowania drzewa udało mi się uszkodzić kartę microSD. Przypisuję to usunięciu zasilania z Pi bez odpowiedniego wyłączenia. Aby uniknąć przyszłych incydentów, dodałem przycisk i skonfigurowałem go tak, aby bezpiecznie wyłączał Pi. Zrobiłem też kilka kopii zapasowych finalnej karty microSD, na wszelki wypadek.

Przed otrzymaniem wszystkich części do rzeczywistego drzewa, rozwidłem repozytorium git hub OpenPixelControl i odkryłem w nim zgrabny symulator LED. Właściwie użyłem tego programu do przetestowania dużej części wspomnianego powyżej skryptu animacji. Symulator pobiera plik konfiguracyjny, który wskazuje fizyczne rozmieszczenie każdej diody LED w przestrzeni (myśl X, Y, Z) i używa tego samego interfejsu, co program serwera FadeCandy.

Krok 10: Twórz animacje

Poprzednio połączony skrypt Pythona może odtwarzać dowolny format wideo w drzewie, o ile rozdzielczość wynosi 96x50. Rozdzielczość drzewa to 48x25, jednak narzędzie, którego używałem do konwersji filmów do niższej rozdzielczości (hamulec ręczny), miało minimalny limit pikseli wynoszący 32 piksele. Z tego powodu po prostu podwoiłem rzeczywistą rozdzielczość drzewa, a następnie spróbkowałem każdy inny piksel w moim skrypcie Pythona.

Proces, którego użyłem do większości animacji, polegał na znalezieniu lub wygenerowaniu GIF-a, a następnie przycięciu go (za pomocą hamulca ręcznego), aż współczynnik proporcji wyniósł 1,92:1. Następnie zmieniłbym rozdzielczość wyjściową na docelową 96x50 i rozpoczął konwersję. Niektóre pliki-g.webp

Korzystając z interfejsu OpenPixelControl, można również programowo generować wzorce. Podczas początkowych testów dość często używałem skryptu Pythona „raver_plaid.py”.

Animacje użyte do naszego drzewa są załączone poniżej "makerTreeAnimations.zip".

Krok 11: Test układu elektrycznego

Po podłączeniu wszystkich głównych komponentów elektrycznych/oprogramowania nadszedł czas na przetestowanie wszystkiego. Zbudowałem prostą drewnianą ramę do napinania pasm LED, co okazało się bardzo przydatne przy identyfikowaniu, czy jakieś pasma były niesprawne (a było ich kilka). Powyższe filmy pokazują puszki demo z OpenPixelControl i mój niestandardowy skrypt Pythona odtwarzacza wideo, który uruchamia animację Mario.

Krok 12: Skonstruuj ramkę

Przymocowaliśmy wszystkie pasma LED do prototypowej ramy, którą zbudowaliśmy z rurek PVC i Pex. Zostawiliśmy zamki błyskawiczne luźne, aby w razie potrzeby móc je zmienić. Okazało się to świetną decyzją, ponieważ zdecydowaliśmy, że pionowe PVC zbyt mocno zniszczyło siatkę LED i zamiast tego przeszliśmy na projekt CNC. Ostateczny projekt składa się zasadniczo z górnej pętli i dolnej pętli. Dolna pętla jest zamontowana u podstawy drzewka i ma większą średnicę niż górna pętla, która jest (bez niespodzianki) zamontowana na szczycie drzewka. Pasma LED rozciągają się między górną i dolną pętlą, tworząc kształt stożka (lub „drzewa”, jeśli wolisz).

Obie pętle zostały wycięte ze sklejki 3/4" na routerze CNC, plik wektorowy pętli jest załączony poniżej ("TreeMountingPlates.eps"). Górna i dolna pętla składają się z dwóch półokrągłych części, które tworzą kompletny pętelka. Dwuczęściowy projekt był tak, abyśmy mogli łatwo przymocować dwie połówki wokół drzewa bez uszkadzania gałęzi. Nasz lokalny guru CNC dodał trochę polotu, zamieniając górne i dolne pętle ramy w płatki śniegu. Odrobina białej farby dodano również trochę brokatu, aby urozmaicić ramę.

Krok 13: Zbuduj dolną tarczę / zamontuj elektronikę

Z innego kawałka sklejki o tej samej średnicy co poprzednio opisana dolna pętla wycinamy dwa półokręgi, aby pod dolną pętlą zamontować elektronikę (skrzynka sterownicza, puszki połączeniowe). Podobnie jak górna i dolna pętla została wykonana z dwóch części, a następnie połączona wzdłuż linii środkowej, tworząc pełne koło. Dysk został pomalowany na zielono, aby pomóc mu wtopić się i zabezpieczyć przed deszczem. Wszystkie skrzynki z elektroniką zamontowaliśmy na spodzie tego krążka tak, że krążek tworzył rodzaj parasola dla elementów elektrycznych. Nadmiar drutu został owinięty i przywiązany do tego dysku, aby zachować czysty wygląd.

Krok 14: Dołącz ramkę do drzewa

Kiedy górne i dolne pętle ramy były suche, wbiliśmy kilka długich kawałków kątownika do donicy drzewa, aby pomóc ustabilizować pień. Kątownik zapewniał również punkty mocowania górnych i dolnych pętli ramy, bez obciążania fizycznego drzewa. Mając wszystkie pasma LED przymocowane do górnej pętli, użyliśmy kawałka liny do zawieszenia górnego zespołu pierścienia na suficie. Odkryliśmy, że łatwiej jest powoli opuszczać pierścień na drzewo, zamiast próbować trzymać go na miejscu ręcznie. Gdy górny pierścień znalazł się na miejscu na kątowniku, przymocowaliśmy dolny pierścień do drzewa i zamka błyskawicznego przywiązaliśmy również mocno pasma LED do dolnej pętli. Dolna (zielona) płyta została zamontowana bezpośrednio pod dolną pętlą wraz z całą elektroniką.

Krok 15: Dostarcz (opcjonalnie)

Teraz usiądź wygodnie i ciesz się owocami swojej (naszej) pracy! Nasze drzewo będzie wystawione w North Little Rock przez cały grudzień (2018). Zastanawiam się już, w jaki sposób możemy sprawić, że wyświetlacz będzie interaktywny dla naszego mini MakerFaire na wiosnę.

Jakieś pytania? Zapytaj w komentarzach!

Drugie miejsce w konkursie Make it Glow 2018