Soporte de botella de música interactiva con luces ajustables: 14 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:41

Hace algún tiempo, un amigo mío ordenó un anillo LED de 16 bits para jugar y, mientras lo hacía, se le ocurrió la idea de colocar una botella encima. Cuando lo vi, me fascinó el aspecto de la luz que iluminaba el matraz y recordé el asombroso proyecto "Mc Lighting" del usuario de Hackaday Tobias Blum:

hackaday.io/project/122568-mc-lighting

Un aspecto de su proyecto había sido controlar los LED WS2812 a través de una interfaz web autoescrita sin el uso de ningún servicio externo. Inspirado por su enfoque sobre el control de un anillo de LED, decidí combinar esas dos ideas y llevarlas al siguiente nivel. En mi mente, tenía un soporte para botellas para hasta tres botellas, controlable a través de una página web local, con varios relámpagos. modos, incluidos los que interactúan con la música ambiental. Para crear un dispositivo portátil, es alimentado por una celda de batería Li-Ion.

En este instructivo, pasaré por el proceso de construcción y le enseñaré sobre su función subyacente. Después, debería poder crear su propia versión y tener una idea sobre cómo agregar webcontrol a un proyecto sin utilizar ningún servicio externo.

Paso 1: Opciones de construcción

Cuando se trata de la electrónica de este proyecto, puede usar una placa NodeMCU, que es fácil de usar y bastante barata, o puede construir su propia placa como yo. No hay ningún beneficio en particular al hacerlo, solo tenía un chip ESP8226-12E por ahí y decidí usarlo para poder conservar la placa NodeMCU para la creación rápida de prototipos. Solo hay una diferencia importante: necesita una placa USB a serie de 3,3 V para programar la placa controladora de fabricación propia. A pesar de eso, no importa qué tipo elija, solo téngalo en cuenta cuando se trata de las piezas requeridas.

Sin embargo, hay una opción que marca la diferencia: el modo de música. Si decide incluirlo, el soporte para botellas se puede utilizar como medidor de VU y, además, puede cambiar el color de los LED cada vez que los graves de la música alcanzan un umbral determinado. Sin embargo, esto requiere algo de hardware adicional. Debe construir un amplificador que amplifique la salida de una cápsula de micrófono de condensador y un filtro de paso bajo para las frecuencias bajas. Aunque esto pueda parecer difícil, en realidad no lo es. No requiere piezas especiales y recomiendo encarecidamente incluir este circuito, ya que mejora bastante el dispositivo.

Paso 2: Piezas y materiales necesarios

El caso:

Quizás la parte más difícil de este proyecto sea el caso. Como quería probar algo nuevo, decidí usar placas de MDF con un grosor de 18 mm y pintarlas. En comparación con otros tipos de madera / materiales, el MDF tiene la ventaja de que su superficie se puede lijar de manera especialmente suave y, por lo tanto, la pintura puede verse extremadamente brillante. Además, necesita un vidrio acrílico con un grosor de 4 mm como cubierta de los anillos LED.

El estuche tiene un largo de 33 cm y un ancho de 9 cm, por lo que recomiendo una placa con las siguientes dimensiones:

Placa de MDF 400 x 250 x 18 mm

Las cubiertas de los anillos LED tienen un diámetro de alrededor de 70 mm, por lo que su placa de vidrio acrílico debe tener al menos las siguientes dimensiones:

Placa acrílica 250 x 100 x 4 mm

Para pintarlo me compré 125ml de pintura acrílica blanca y 125ml de barniz brillante, además te recomiendo usar un rodillo de espuma ya que esto te permite aplicar la pintura de manera más uniforme. Para la parte de lijado utilicé una hoja de papel de lija con un grano de 180, una con 320 y otra con 600.

Electrónica:

Para la electrónica se necesitan tres anillos LED WS2812 de 16 bits. Solo tenga cuidado, ya que encontré dos tipos de anillos LED de 16 bits, necesita los que tienen el diámetro más grande (alrededor de 70 mm) y, por lo tanto, el espacio más grande entre los LED.

Para la fuente de alimentación necesita una celda de batería de iones de litio, un cargador correspondiente y un interruptor. Además, necesita un regulador de voltaje de 3.3 V con bajo voltaje de caída (LDO) y dos capacitores para alimentar el microcontrolador. Explico por qué necesita el regulador LDO en el paso 7.

Si decide construir el circuito de filtro y amplificador de música opcional, necesita un amplificador operacional y algunos componentes pasivos. Y si elige crear su propia unidad de control, necesita el chip ESP, una placa de conexión, algunas resistencias, un botón y algunos pines.

Y recomiendo encarecidamente una pieza de perfboard para soldar todo en ella.

Anillo LED

Celda de iones de litio de 3,7 V (rescaté una del tipo TW18650 de una batería sin usar)

Cargador de iones de litio

Switch (nada especial, usé uno viejo que rescaté de un par de parlantes rotos)

Regulador de voltaje LDO (además de los condensadores mencionados en la hoja de datos: condensador cerámico 2 x 1uF)

perfboard

Circuito musical (opcional):

Según esquema

Microcontrolador:

NodeMCU

ESP8266 12E (placa adaptadora, botón, resistencias y pines según esquema)

USB a serie (necesario para programar una placa controladora de fabricación propia, si ya tiene una, no es necesario obtener otra)

Paso 3: fresado de la carcasa

Un amigo mío se construyó un MP-CNC y tuvo la amabilidad de fresarme las dos piezas de MDF y los tres anillos acrílicos. Las partes de madera son la parte superior e inferior de una caja con forma de pastilla. Encima de la caja, hay tres lugares para los anillos LED y sus cubiertas acrílicas. Como estas profundizaciones están diseñadas para ser solo una fracción más grandes que las PCB, encajan y se asientan en su lugar sin necesidad de pegamento o tornillos. Lo mismo ocurre con las cubiertas acrílicas. Como tienen un diámetro mayor que los anillos LED, se colocan en un borde sobre los LED (ver imagen).

Paso 4: Complete el caso

Es posible que haya notado que en este momento faltan varias cosas en la caja fresada. Cosas como agujeros para los cables del anillo, un agujero para la toma USB y un bolsillo para la batería. Además, si elige incluir el circuito de música, también se necesita un orificio para el micrófono. Además, le recomiendo que haga agujeros debajo de los anillos LED para que pueda sacarlos de la carcasa. Utilicé una herramienta de pulido giratoria para agregar los orificios descritos anteriormente.

En la tercera imagen, puede ver el "mantenimiento" y los orificios del cable para el anillo. Como tal vez ya hayas notado, creé dos orificios para cables. Esto no fue a propósito. Esto fue en una etapa inicial en la que pensé que los ángulos de los anillos no serían importantes, pero no lo son. Móntelos a los tres con sus cables del mismo lado. Terminé montándolos hacia el frente.

Importante: Utilice siempre una máscara contra el polvo al serrar, taladrar o fresar en MDF. Lo mismo ocurre con el lijado.

Paso 5: terminar el caso

Ahora el caso está pintado. Antes de hacer esto, le recomiendo que mire o lea un tutorial sobre esto, ya que resultó ser más difícil de lo que pensaba. Este cubre todo lo que necesita saber sobre el tema.

Primero, lije bien el exterior de las piezas de MDF. Usé el papel de grano 160 para esto. Después de eso, muchos tutoriales recomiendan sellar la superficie, especialmente en los bordes, con una imprimación especial de MDF. Me salté esta parte porque la imprimación es bastante cara y, aunque el resultado no es tan bueno como podría haber sido, lo volvería a hacer.

Luego, puede comenzar a pintar la superficie en el color deseado. Decidí pintar el mío de un blanco claro. Espere a que se seque el color, luego lije con papel de lija fino (yo usé el grano 320), quítele el polvo y aplique la siguiente capa de color. Repita este proceso hasta que esté satisfecho con la opacidad del colorante. Apliqué cuatro capas de color.

Después de la última capa de color, lijarlo con un papel de lija aún más fino que antes (en mi caso el de grano 600) y quitar todo el polvo que quede en la superficie. Después de eso, puede aplicar la primera capa de laca transparente brillante. Al igual que con el color, aplique tantas capas como necesite para satisfacerlo. Usé tres para la parte superior y los lados, y dos para la parte inferior. Puedes ver el resultado en una de las imágenes. Aunque la superficie podría ser más lisa (más lijado e imprimación de MDF), estoy contento con el efecto de brillo logrado.

Paso 6: preparación de los anillos

Paralelamente al proceso de secado de la primera capa de color, puede lijar los anillos de vidrio acrílico. Después de eso, estos anillos difunden la luz emitida por los LED-Rings. Hablando de eso, experimenté que los PCB de estos anillos tienen algunos bordes no deseados que quedan del proceso de producción, por lo que es posible que deba desbarbarlos. De lo contrario, no encajarán en el estuche.

Posteriormente, es necesario soldar algunos cables a los anillos. Te recomiendo que uses alambre flexible. Usé uno rígido y tuve el problema de que separaban las dos partes de la carcasa, lo que requería una curvatura fea. Además, es más probable que se rompa el cable rígido, lo que da como resultado un proceso de soldadura desagradable, ya que debe sacar el anillo correspondiente y la placa del controlador fuera de la carcasa.

Paso 7: fuente de alimentación

Se utiliza una sola celda de batería de iones de litio como fuente de alimentación. Se carga a través del circuito del cargador. Este circuito cuenta con una protección contra sobredescarga y sobrecorriente. Para apagar el dispositivo, se incorpora un interruptor que interrumpe la salida positiva de la placa del cargador.

Como el voltaje máximo de la celda de la batería es de 4,2 V, el ESP8266 no se puede alimentar directamente. El voltaje es demasiado alto para el microcontrolador de 3.3V ya que solo sobrevive voltajes entre 3.0V - 3.6V. Un regulador de voltaje de baja caída (LDO) es un regulador de voltaje que funciona incluso cuando el voltaje de entrada está cerca del voltaje de salida especificado. Entonces, un voltaje de caída de 200 mV para un LDO de 3.3V significa que produce 3.3V siempre que el voltaje de entrada sea superior a 3.5V. Cuando no alcanza este valor, el voltaje de salida comienza a disminuir. Como el ESP8266 funciona con voltajes de hasta 3,0 V, funciona hasta que el voltaje de entrada del LDO cae a alrededor de 3,3 V (el descenso no es lineal). Esto nos permite alimentar el controlador a través de la celda de la batería hasta que esté completamente descargado.

Paso 8: placa del microcontrolador

Si usa una placa NodeMCU, este paso es bastante simple. Simplemente conecte la salida de 3.3V y la tierra de la fuente de alimentación a una de las placas de 3V y pines G. Además, recomiendo soldar la placa en un trozo de placa perfilada, ya que esto facilita la conexión de todo.

En caso de que haya decidido construir su propia placa controladora, el primer paso es soldar el chip ESP a la placa adaptadora. Después de eso, agregue todos los componentes y conexiones como se muestra en el esquema. Los dos botones son necesarios para restablecer y flashear el controlador. Es posible que observe en las siguientes imágenes que solo uso un botón. La razón de esto es que acabo de encontrar uno por ahí, así que en lugar del botón para GPIO0, uso dos pines y un puente.

Puedes ver mi circuito terminado en el siguiente paso.

Paso 9: circuito musical (opcional)

Como entrada para la música se utiliza una cápsula de micrófono de condensador simple. Se alimenta a través de una resistencia limitadora de corriente conectada al riel de alimentación de 3.3V. En pocas palabras, la cápsula funciona como un condensador, por lo que cuando las ondas de sonido golpean su diafragma, su capacidad y, análogamente, su voltaje, cambian. Este voltaje es tan bajo que apenas podemos medirlo con el convertidor analógico a digital (ADC) del ESP. Para cambiar esto, amplificamos la señal con un amplificador operacional. El voltaje de salida amplificado luego se filtra mediante un filtro de paso bajo pasivo de primer orden con una frecuencia de corte de alrededor de 70 Hz.

Si decide utilizar una placa NodeMCU, puede conectar la salida del circuito descrito anteriormente al pin A0 de la placa. Si desea construir su propia placa controladora, debe agregar un divisor de voltaje al circuito. La razón de esto son los ESP a bordo del ADC que tiene un voltaje de entrada máximo de 1V. El NodeMCU ya tiene este divisor de voltaje incorporado, por lo que para que el código y el amplificador funcionen en ambas placas, el que se hizo a sí mismo también lo necesita.

Paso 10: Termine y monte la electrónica

Primero, inserte los anillos LED en las profundidades designadas en la parte superior de la caja. Después de eso, conecte la fuente de alimentación, el microcontrolador, los anillos y, si lo construyó, el circuito amplificador de acuerdo con el esquema.

Advertencia: antes de hacerlo, verifique dos veces si apagó la alimentación con el interruptor. Olvidé hacerlo y frí un regulador LDO mientras soldaba. Después de eso, estará listo para montar la electrónica dentro de la carcasa.

Comencé pegando la celda de la batería a la carcasa con un poco de pegamento termofusible. Después de eso, coloqué el circuito del cargador y verifiqué si podía conectar un cable USB o no. Como no confiaba en que el pegamento caliente resistiera la fuerza de empujar el cable varias veces, clavé con cuidado clavos delgados a través de las almohadillas de soldadura del cargador para el voltaje de entrada. Después del cargador, pegué la cápsula del micrófono en su lugar.

Luego utilicé algunos pines de alambre doblados para arreglar el microcontrolador. Este método me permite sacar el controlador de la carcasa para repararlo siempre que lo necesite sin la necesidad de cortar el pegamento caliente y arruinar el MDF.

Ahora, utilicé algunas bridas para cables y clavijas de alambre dobladas para montar los cables. Lo último que debe hacer es insertar los anillos de cubierta acrílicos. Tenga cuidado al hacerlo, para no dañar la pintura, ya que se ajusta bastante bien. Es posible que incluso haya reducido el diámetro interno y / o externo de los anillos acrílicos ya que el tablero de MDF absorbió un poco de pintura y, por lo tanto, las profundidades se hicieron un poco más pequeñas.

Paso 11: flasheo del microcontrolador

Después de terminar la compilación del hardware, todo lo que queda es flashear el software. Usé el IDE de Arduino para eso. Pero antes de que pueda programar el controlador, debe agregar algunas bibliotecas y seleccionar la placa correcta.

Bibliotecas

Puede usar el Administrador de bibliotecas de IDE (Sketch -> Incluir bibliotecas -> Administrar bibliotecas) para agregarlos, o descargarlos y moverlos a la carpeta de su biblioteca de IDE. Recomiendo el administrador ya que es más conveniente y puede encontrar todas las bibliotecas necesarias allí.

DNSServer de Kristijan Novoselic (necesario para WiFiManager)

WiFiManager por tzapu y tablatronix (abre un AP donde puede ingresar las credenciales de su WiFi local)

WebSockets de Markus Sattler (necesario para la comunicación entre el dispositivo del usuario y el soporte de botella)

Adafruit NeoPixel de Adafruit (necesario para controlar los anillos LED)

Tablero

Independientemente del tipo de placa controladora que elija utilizar, en Herramientas -> Placa seleccione NodeMCU 1.0 (Módulo ESP-12E). Asegúrese de que el tamaño del flash esté configurado en 4M (1M SPIFFS) y la velocidad de carga en 115200.

Brillante

Para flashear la placa NodeMCU, simplemente conéctela a su computadora, seleccione el puerto correcto y cargue el programa. Flashear la placa controladora de fabricación propia es un poco más complicado. Conecte su convertidor de USB a Serie a los tres pines de la placa. Conecte GND y GND, RX y TX, y TX y RX. Para ingresar al modo flash del controlador, reinícielo con el botón RST y mientras lo hace mantenga presionado el botón GPIO0. Después de eso, asegúrese de que su placa convertidora esté configurada en 3.3V. Complete el proceso cargando el programa.

Importante: encienda su dispositivo antes de parpadear.

Paso 12: Cargue la página web

Los archivos necesarios para la página web se almacenan en la memoria flash de los microcontroladores. Antes del primer uso, debe cargarlos manualmente. Para hacerlo, encienda el dispositivo (tal vez tenga que cargarlo primero). Los LED deben brillar en rojo (debido a que mi cámara se ve naranja en la imagen), lo que significa que el soporte para botellas no está conectado a una red. Después de un tiempo, debería abrirse un punto de acceso WiFi llamado "bottleStandAP". La contraseña predeterminada es "12345678", puede cambiarla en el archivo ino. Conecte su teléfono inteligente / tableta / computadora portátil a él. Debería aparecer una notificación y reenviarlo a una página web. Si no sucede nada como esto, simplemente abra su navegador y escriba 192.168.4.1. En esta página, haga clic en Configurar WiFi e ingrese sus credenciales de red. Después de eso, el punto de acceso debería cerrarse y los LED cambiarán de color a azul claro. Esto significa que el dispositivo se ha conectado correctamente a su red.

Ahora tienes que determinar la dirección IP de los dispositivos. Para hacerlo, puedes conectarlo a tu computadora, abrir el Serial Monitor del Arduino IDE (la velocidad en baudios es 115200) y reiniciar el dispositivo. Alternativamente, puede abrir la página web de su enrutador WiFi. Una vez que conozca la IP del dispositivo, abra su navegador y escriba xxx.xxx.xxx.xxx/upload (donde las xs representan la IP de la botella). Extraiga los archivos del.rar y cárguelos todos. Después de eso, simplemente ingrese la IP de su dispositivo y la página de control debería abrirse. Y con eso, terminaste de construir tu propio soporte para botellas. ¡Felicidades!

Paso 13: la página web

La página web le permite controlar su soporte para botellas. Cuando abre la página principal, puede ver tres círculos azules en la parte superior central. Estos le permiten seleccionar la configuración del anillo que desea cambiar. La rueda de colores cambia el color de los anillos seleccionados al hacer clic en ella. El campo a continuación le muestra el color que seleccionó. Al presionar el botón aleatorio, los anillos seleccionados se configuran en modo de color aleatorio. Esto significa que el color cambia cada vez que finaliza un ciclo del modo de respiración.

En la segunda página puede seleccionar los diferentes modos. El color fijo y el brillo fijo hacen exactamente lo que su nombre implica. El modo de respiración crea un efecto de "respiración", lo que significa que el brillo de los anillos aumenta a su máximo durante un tiempo personalizado y luego disminuye al mínimo. El modo de ciclo enciende solo un LED durante un tiempo determinado, luego enciende el siguiente, luego el siguiente y así sucesivamente. El modo de umbral de música cambia de color cada vez que el micrófono detecta una señal superior a un umbral personalizado. No solo la música puede desencadenar esto, aplaudir, por ejemplo, también puede hacerlo. En el modo de medidor de VU, la cantidad de LED que se encienden depende del volumen de los graves de la música.

Nota: Puede utilizar las reglas sin activar los modos correspondientes. Por ejemplo: si usa el modo de ciclo y cambia el brillo a través de la regla de brillo fijo, los anillos permanecerán en el modo de ciclo, pero cambiarán su brillo de acuerdo con lo que configuró.

Paso 14: ¿Cómo funciona todo esto?

El principio funcional es bastante fácil de comprender. Siempre que abre la página web, el ESP8266 envía los archivos web a su dispositivo. Luego, cuando cambia algo en la página, se envía un carácter especial, en su mayoría seguido por un valor entero, al microcontrolador a través de una conexión websocket. Luego, el controlador procesa estos datos y cambia las luces en consecuencia.

El elemento web está escrito en html, css y javascript. Para facilitar esta tarea, utilicé el framework Materialise CSS y jQuery. Si desea cambiar el aspecto del sitio web, consulte la documentación del marco. Alternativamente, puede simplemente escribir su propia página y cargarla. Solo debes establecer la conexión websocket y enviar los mismos datos.