Arte da Torre de LED
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Sobre este projeto
A inspiração para este projeto são as inúmeras curvas que são criadas pela intersecção de um cilindro e um plano! Eu queria criar um show de luzes LED, mas já construí vários cubos de LEDs recentemente. Eu queria fazer algo diferente, tanto do ponto de vista de hardware quanto de software. E pensei que seria um ambiente divertido para programar - algo com tanto potencial quanto um cubo, mas que é totalmente diferente!
Escolhi usar LEDs programáveis APA106 de 8 mm para esta torre. São mais caros do que os LEDs RGB normais, mas são muito mais fáceis de trabalhar tanto do ponto de vista do hardware quanto do software. Não há registros de deslocamento - tudo é controlado por duas linhas de dados. E sem ISR (interrupção de rotina de serviço) e sem multiplexação entre camadas de LEDs - esses LEDs estão acesos o tempo todo.
Decidi construir meu cilindro / torre como um conjunto de 12 anéis empilhados uns sobre os outros. Os anéis têm 8 "de diâmetro e cada anel contém 24 LEDs espaçados de 1" (na verdade, π * 8/24, mas perto de uma polegada). Os anéis são separados por 1 polegada, então os LEDs estão separados por 1 "em ambas as direções. A haste de acrílico é usada para prender os anéis juntos para formar a torre.
Os LEDs APA106 podem consumir 60 ma com brilho máximo e branco, então, no pior dos casos, esta torre pode consumir 17 amperes! Mas esses LEDs são tão brilhantes que raramente coloco o brilho em mais de 10% no software. E tornar toda a torre branca também não é algo feito em lugar nenhum. Então, na prática, nunca tive nenhum problema em usar a porta USB para ligá-lo. E se você quiser usar uma fonte de alimentação separada, 2 amperes parecem funcionar bem.
Construção
Encontrei alguns anéis de metal de 8 "de diâmetro na Amazon que achei que seriam uma boa base para meu anel de LED. Na verdade, foi uma surpresa agradável quando descobri que poderia soldá-los facilmente! O termo" facilmente "é relativo - o anel é pesado e muito calor é necessário para aquecê-lo o suficiente, então meu ferro de solda de 40 watts foi dobrado totalmente e geralmente tinha que ficar parado por 5-10 segundos antes que a solda derretesse. Eu molhei o anel com a solda primeiro antes de tentar soldar um LED a ele, e sempre use dissipadores de calor de clipe nas pontas dos LEDs.
Mas estou me adiantando um pouco. Antes de começar a soldar LEDs ao anel, você precisa formar 24 deles de acordo com o diagrama abaixo
Como parte da operação de formação de chumbo, coloquei uma pequena dobra na extremidade do fio terra. Ele facilita a identificação e também torna mais fácil prendê-lo ao anel.
Outra etapa da preparação antes de soldar os LEDs ao anel é marcar 24 espaços iguais no anel onde os LEDs serão colocados. Também descobri a necessidade de prender o anel verticalmente enquanto coloco os LEDs. Acabei usando a engenhoca abaixo para segurar o anel no lugar,
Depois que alguns LEDs são soldados no anel, é necessário conectar os terminais de entrada de dados aos terminais de saída de dados, conforme mostrado abaixo. Observe que os dissipadores de calor com clipe são sempre usados para proteger os LEDs.
Depois que todos os LEDs estiverem no anel, você deve ter uma derivação de entrada de dados para o anel como um todo, com a derivação de saída de dados do outro lado pronta para ir para o próximo anel acima dele. Neste ponto, estamos prontos para conectar todos os condutores de +5 volts com um pedaço endireitado de fio de cobre estanhado de calibre 22. Endireite um pedaço de fio de 26 "prendendo uma extremidade em um torno e puxando a outra extremidade com um alicate. Em seguida, prenda-o aos LEDs conforme mostrado abaixo.
Quando terminar um anel, você pode testá-lo, usando o esboço de teste que incluí. O teste é importante - muito mais fácil consertar um LED ruim ou uma junta de solda fria agora do que quando está no meio de uma torre concluída! O teste é realizado conectando-se o pino de entrada de dados aberto ao pino 6 UNO. O esboço de teste incluído é um pouco diferente daquele neste vídeo, mas deve mostrar se o anel está funcionando corretamente.
Agora você precisa fazer mais 11 anéis. É muito trabalhoso, mas com um pouco de prática, você pode fazer com que um toque diminua para algumas horas.
É importante que os LEDs em cada anel se alinhem com seus correspondentes nos outros anéis. Se os LEDs estiverem espaçados perfeitamente, isso não será um problema, mas eu tinha variações pequenas no espaçamento o suficiente para que achei necessário usar um anel como modelo para os outros, sempre colocando com cuidado o cabo de entrada de dados aberto (o um não conectado a um cabo de saída de dados) no mesmo lugar. (Se você olhar atentamente para minha torre, os primeiros dois anéis não se alinham muito bem. Mas depois disso, usei essa abordagem de modelo com um resultado muito melhor.)
Depois de ter pelo menos quatro anéis construídos, você pode iniciar o processo de montagem da torre. A montagem inicial dos quatro anéis inferiores é provavelmente a parte mais crítica da construção. Não queremos criar uma Torre Inclinada de Pisa! Para colocar os anéis juntos, você precisará de espaçadores de 22 mm de altura para criar o espaço de 1 "entre os anéis. Usei plástico preto impresso em 3D para meus espaçadores, mas o encaixe de 1/4" funcionaria da mesma forma. Para segurar os espaçadores no lugar, usei um pouco de Blue Tack, um adesivo temporário.
Os anéis são mantidos juntos para formar a torre usando seis hastes de acrílico de 12 polegadas. É importante colocar tudo exatamente no lugar antes de aplicar essas hastes. Uma vez que as hastes são coladas a quente nos anéis, é quase impossível fazer qualquer alteração, portanto, coloque tudo onde você deseja primeiro. Depois de colocar tudo no lugar, você pode virar a torre de lado e colar as hastes de acrílico nos anéis com cola quente. A foto abaixo mostra os primeiros quatro anéis com as três primeiras hastes anexadas. Mais três foram anexados para um total de seis. As hastes são colocadas entre os LEDs com 4 LEDs entre cada haste.
Uma vez que todas as hastes são fixadas aos anéis, os espaçadores podem ser removidos e então reutilizados à medida que anéis adicionais são adicionados. Quando todos os 12 anéis estiverem no lugar, estaremos prontos para conectar o aterramento, + 5v e as linhas de dados entre os anéis. Isso é feito usando fio de cobre estanhado de calibre 22. Os trilhos de alimentação estão ligados a todos os 12 anéis em paralelo.
Existem duas linhas de dados, cada uma com 144 LEDs - uma para os 6 anéis superiores (que eventualmente vão para o pino 6 do UNO) e uma para os 6 anéis inferiores (que eventualmente vão para o pino 7 do UNO). Cada linha de dados começa com o anel inferior e segue até o anel superior. Eu tinha planejado originalmente ter apenas uma única linha de dados, mas por volta do anel 8, comecei a ver alguns estranhos e indesejados flashes de luz. A princípio pensei que poderiam ser os trilhos de alimentação, mas adicionar alguns capacitores aos trilhos não ajudou, então decidi dividir a torre em duas linhas de dados. Isso resolveu o problema.
Acima está uma foto da torre concluída. O Arduino UNO é instalado na parte inferior. Na verdade, usei minhas 4 hastes de acrílico restantes para suspender o UNO, usando cola quente para unir tudo. Uma abordagem alternativa pode ser montar a torre em uma base com o UNO dentro. Existem 4 conexões para os trilhos UNO, Ground e + 5v que se conectam a todos os 12 anéis e as duas linhas de dados aos pinos 6 e 7.
Software
LEDs programáveis como o APA106 são fáceis de usar porque existem várias bibliotecas disponíveis que controlam o tempo dos pulsos de dados usados para controlá-los. Para os projetos anteriores que fiz com LEDs APA106 (meu segundo cubo 5x5x5 RGB e o projeto de arte do triângulo), usei a popular biblioteca de software NeoPixel da Adafruit. Porém, para esta torre, escolhi a biblioteca FastLED. Ele tem muitos recursos excelentes, além de algumas funções matemáticas rápidas que achei que seriam úteis. Isso também me permitiu substituir facilmente minha paleta de arco-íris de 43 etapas por uma paleta de 256 etapas. Tem centenas de funções, paletas predefinidas e outras coisas que não usei neste projeto, mas que o tornam uma ótima escolha para este e projetos futuros. E ainda outro recurso do FastLED que achei muito útil é sua capacidade de fazer fades facilmente.
Sempre gosto de ter uma função que me permita especificar facilmente um LED e sua cor. Com esta torre, ela precisa estar na forma de setColor (linha, coluna, cor), onde linha é em qual anel está e coluna em qual posição nesse anel. Esta rotina trata de toda a conversão de qual linha de dados o LED está ligado e qual é sua posição na cadeia de dados.
Uma ferramenta poderosa na biblioteca FastLED é sua classe de objeto de todas as cores nomeadas da web. Você apenas especifica a cor como CRGB ::HotPink, onde CRGB é a classe e HotPink é o membro dessa classe. Mas os membros da classe são difíceis de digitar e irritantes para passar as funções como parâmetros, então usei as instruções #define para configurar uma pequena paleta de cores nomeadas que posso referir simplesmente por seus nomes sem o CRGB ::.
Tenho outra função que define a cor de um determinado LED como um matiz de paleta de arco-íris de 0 a 255. Entre essas duas funções, posso facilmente especificar 10 cores nomeadas ou gerar uma paleta de tons de arco-íris suave para qualquer LED na torre.
Outra função básica que criei foi girar (anel, direção), que gira o conteúdo de qualquer anel ao redor desse anel. Cada chamada é uma etapa, mas essa rotina pode ser usada para girar o conteúdo de toda a torre ou girar partes da torre em direções opostas, etc., criando muitos efeitos interessantes.
Outra coisa que devo mencionar sobre a biblioteca FastLED é que ela oferece suporte direto aos LEDs APA106 que estou usando. Embora a biblioteca NeoPixel da Adafruit também funcionasse com o APA106, tive que experimentar a configuração para acertar. Com FastLED, a configuração é automática apenas especificando o APA106 como o LED que você está usando.
Como eu disse no início, um dos efeitos mais interessantes que você pode criar com essa torre são as interseções entre um cilindro e um plano. No início, pensei em tentar fazer isso na hora com a matemática. Mas existem questões sobre se o UNO é rápido o suficiente e descobriu que fazê-lo em tabelas era muito fácil, então optei pela última abordagem. Basicamente, essa tabela ilumina a interseção de um plano com a torre em 18 ângulos diferentes, e a altura em que a interseção ocorre pode ser variada. Você verá os resultados em vários lugares diferentes do show.
Usei a mesma abordagem de mesa para criar várias interseções de um cilindro com uma esfera. Funcionou, embora não tão eficaz quanto a interseção com um avião. Há um efeito no show que o usa. Ambas as tabelas são armazenadas na memória do programa, para não consumir RAM.
Existem três esboços para o UNO incluídos no pacote de software:
1) um teste rápido para um único anel.
2) uma prévia de 45 segundos do show
3) o show de 8 minutos com 16 efeitos ou animações diferentes
Todos os três são mostrados aqui em vídeos neste artigo (embora o teste do anel seja um pouco diferente daquele no vídeo).
Uma última coisa sobre software. No final do loop principal, onde as diferentes animações são evocadas, adicionei uma reinicialização do software. Normalmente, isso não seria necessário, mas tenho um bug em algum lugar do meu software. Sem a reinicialização, após executar várias passagens por todas as animações, o programa trava. Provavelmente eu tenho algo que não está saindo da pilha na RAM quando deveria. Pode até ser um problema na biblioteca FastLED. Mas nunca o encontrei, e a reinicialização do software garante um funcionamento tranquilo, embora não seja a solução mais elegante.
Código
- Código Arduino para arte em torre de LED
- Software para Tower Art
Código Arduino para Arte em Torre de LED Arduino
Este download é um único arquivo zip com 3 esboços:1) um teste de anel para testar um único anel do pino 6
2) apresentação rápida - uma visualização de 45 segundos
3) o programa que dura 8 minutos antes de repetir
Sem visualização (somente download).
Software para Tower Art Arduino
Este download é um único arquivo zip com 3 esboços:1) um teste de anel para testar um único anel do pino 6
2) apresentação rápida - uma visualização de 45 segundos
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