Pantalla LED de audio visual: 8 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:42

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[ADVERTENCIA: LUCES INTERMITENTES EN VIDEO]

Las matrices LED RGB son un proyecto común para los aficionados que desean experimentar con pantallas de luz, pero a menudo son caras o restrictivas en su tamaño y configuración. El objetivo de este proyecto era crear una pantalla reconfigurable que pudiera funcionar como una pieza independiente o como una pantalla interactiva controlada por una consola utilizando una variedad de joysticks y botones. La pantalla podría disponerse en una variedad de diseños, desde una formación de matriz hasta una tira lineal decorativa más estática.

Al conectar una variedad de sensores de audio, botones y joysticks, la pantalla podría cambiarse entre los modos interactivo y automático, con colores, efectos, modos, velocidades, brillo y patrones configurables.

Los usuarios pueden cambiar entre modos y configuraciones usando los botones MODE y CONFIG, usando el Joystick y el botón SELECT para hacer sus elecciones. La elección actual de los usuarios se muestra en la pantalla LCD de 16x2 en el centro de la consola.

Este proyecto involucró una tira de LED compuesta por 250 LED, pero el código se puede modificar fácilmente para permitir una tira de cualquier tamaño.

Modos

• Juegos: los juegos se pueden jugar usando la matriz de led como pantalla
• Ruido: los LED se iluminan según el volumen y la frecuencia del ruido ambiental.
• Color: LED utilizados como luz que muestra una paleta de colores predefinida.
• Lluvia: Efectos de luz de lluvia que cae

Configuraciones de modo

• Color: establece la paleta de colores de la tira
  • Bandera del orgullo - Arco iris
  • Bandera Trans - Azul, Rosa, Blanco
  • Fuego: rojo, naranja, amarillo
  • Luz blanca
• Estilo: establece el efecto de visualización de la tira
  • Bloque: si en el modo de color, los colores de los LED permanecen constantes, en el modo de ruido, hace que todos los LED se establezcan con el valor de color de ruido más reciente, creando un efecto de parpadeo.
  • Shimmer: los LED alternativos oscilan y se desvanecen entre encendido y apagado.
  • Pista: si está en modo de color, el esquema de color de los LED se mueve a lo largo de la tira. En el modo de ruido, hace que los colores del ruido viajen a través de la banda como una onda en movimiento.
• Efecto de lluvia: cómo se generan los patrones de lluvia
  • Aleatorio: las nuevas franjas de lluvia se colocan al azar y el patrón varía.
  • Constante: el patrón de lluvia se repite.

• Juego: ¿Qué juego puedes jugar en la matriz?

  Snake - Viva la Nokia, solo se puede reproducir cuando la tira está en configuración matricial

• Color de efecto: ¿Qué fuente de color utilizan los efectos?

  • Conjunto de colores: los efectos (por ejemplo, lluvia) toman un color aleatorio de la paleta de colores establecida.
  • Frecuencia de ruido: los efectos, cuando se generan, toman el color correspondiente a la frecuencia de ruido actual.
  • Volumen de ruido: los efectos, cuando se generan, toman el color correspondiente al volumen de ruido actual.

• Tamaño: ¿cómo está organizada la pantalla?

  • Tira 250x1
  • Matriz 50x5
  • Matriz 25x10

Velocidad y brillo

Controlado a través de potenciómetros analógicos giratorios, para cambiar el brillo de los LED y la tasa de actualización de la pantalla. Esto afecta en gran medida la intensidad de los efectos de luz y la dificultad de los juegos.

Estado de luz estroboscópica y LED

El Switch superior izquierdo de las consolas permite apagar los LED, como opción para cuando se está configurando la pantalla. El interruptor inferior izquierdo enciende el efecto estroboscópico, haciendo que la pantalla parpadee a la velocidad establecida.

Paso 1: requisitos

Componentes:

• BreadBoard ~ £ 5
• StripBoard ~ £ 10 por juego 5
• Arduino Mega (cualquier clon servirá) ~ £ 20
• 2 resistencias de potenciómetro de 1 M
• Tira direccionable individualmente 300 RGB ~ £ 30
• Encabezados de pines ~ £ 5
• 10x 10K, 1x 300 resistencias
• Módulo LCD I2C ~ £ 5
• Joystick de 4 interruptores ~ £ 10
• Sensor de audio ~ £ 5
• Condensadores 1x 1μF, 1x 10μF, 1x 100nF
• 3 botones (momentáneos). Recomendaciones: Arcade, Mini ~ £ 3
• 2x interruptores. Recomendaciones: Alternar ~ £ 5
• Conector de alimentación
• Caja ~ 20x20x15cm - El cartón es lo más fácil, pero si tiene acceso a un cortador láser, lo tiene usted.

Mis recomendaciones de Joystick / Botón fueron opciones puramente estilísticas, después de un tema arcade; los interruptores momentáneos de cualquier naturaleza servirán. Se pueden obtener joysticks más económicos que informan su posición a través de señales analógicas producidas utilizando 2 potenciómetros (uno para cada eje). Si está preparado para alterar el código, puede usar joysticks de pulgar como tales.

Si bien usé un porcentaje mínimo de los pines de E / S de Arduino Megas, se seleccionó por su tamaño de memoria dinámica y de programa más grande, para lo cual el Arduino Uno resultó insuficiente.

Elección de LEDStrip

La tira de LED que utilicé fue una tira flexible de LED WS2813 direccionable individualmente de 300 RGB. una versión mejorada de WS2812, este formato, aunque un poco más caro, mejora el WS2812 con transmisión de señal dual, lo que significa que si un LED deja de funcionar, el resto de la tira después de que todavía funcione. Como tal, tiene 4 pines: 5V, GND, DI (entrada de datos) y BI (entrada de respaldo).

Costo total: ~ £ 100

Equipo:

• Soldador + Soldadura
• Multímetro (opcional, pero recomendado)
• Cortadores y pelacables
• Alambre: preferiblemente de un solo núcleo, flexible (LOTES)
• Bisturí
• Regla / Lápices
• Fuente de alimentación 1x 5V
• Destornilladores manuales
• Impresora A a B Cable USB

Software:

IDE de Arduino

Habilidades:

• Soldadura
• Un poco de experiencia Arduino casi absolutamente necesaria

Paso 2: esquema y código

Este proyecto consistió en 2 potenciómetros, 1 sensor de audio, 1 tira de LED, 3 botones momentáneos, 1 joystick (4 botones momentáneos), 1 módulo LCD y 2 interruptores.

Recomiendo asegurarse de comprender el cableado y configurar los circuitos básicos en una placa de pruebas, antes de soldar los componentes electrónicos a la placa en el siguiente paso para una mayor durabilidad a largo plazo. Debería al menos poder conectar los diversos pines de Arduino a los valores predeterminados HIGH (5V) / LOW (GND) y experimentar con las diferentes configuraciones originales de LEDStrip en el código (esto está marcado - vea el paso del código) para ver algunos de los efectos de luz preliminares.

Circuito de audio

El circuito de audio se analiza en el siguiente paso y solo es necesario si desea efectos de audio; de lo contrario, simplemente puede conectar los pines de entrada analógica AUDIO A0, A1 a GND a través de una resistencia desplegable (~ 300 Ohm). Este circuito busca extraer la frecuencia y el volumen del sonido medido, dando dos valores de entrada diferentes para controlar las visualizaciones de audio, p. altura (amplitud de volumen) y color (frecuencia).

Tira llevada

He adjuntado la hoja de datos para la tira WS2813, esta presenta el cableado ideal. El pin BI se puede tirar hacia abajo a través de una resistencia hasta el suelo y se debe conectar un condensador entre GND y + 5V y colocarlo cerca de la tira. Esto suaviza los cambios repentinos en la demanda de corriente de la tira, por ejemplo, si hay un gran aumento repentino cuando se encienden todos los LED, el capacitor que usa su carga almacenada puede suministrar esto más rápidamente que el Arduino, reduciendo la tensión en los componentes de la placa.

La tira se controla mediante la biblioteca FASTLED (consulte el paso del código para obtener más detalles) y se conecta al pin 5.

Módulo LCD

El módulo LCD que he recomendado usa un circuito interno de modo que solo requiere 2 pines de entrada, esto reduce en gran medida la complejidad de soldarlo en el circuito. Está conectado a los pines SCL, SDA.

Potenciómetros

Los potenciómetros son resistencias variables, que le permiten controlar el voltaje medido en el pin interno, el Arduino puede leer esto como un valor analógico. Los utilicé como una forma interactiva de controlar manualmente la velocidad y el brillo de la pantalla y están conectados a los pines de entrada analógica: A3, A2.

Poder externo

Para proyectos más pequeños (<20 LED), el Arduino se puede alimentar solo a través de USB, pero para este caso de uso más grande (250 LED), debido a la gran demanda de corriente, se requiere una fuente de alimentación externa de + 5V. Encendí el Arduino a través de un conector externo conectado al GND y VIN del Arduino. Cuando se alimenta solo a través de USB, los colores de los LED se deformarán y la pantalla LCD no se iluminará por completo.

Botones / Interruptores / Joystick

En la posición neutral, los pines INPUT de los botones se bajan a GND y el Arduino lee digital LOW, pero cuando se presiona, los pines se conectan a + 5V leyendo digital HIGH. Vea aquí un ejemplo típico de botón de Arduino. Estos valores leídos se pueden usar como valores booleanos condicionales para el programa, provocando la ejecución de diferentes segmentos de código. Los botones / interruptores están conectados a los siguientes pines de entrada digital: Modo / Configuración: 3/2. Joystick L / R / U / D: 10/11/13/12. Seleccionar: 9.

Paso 3: efectos de audio

La parte más complicada de los circuitos era el convertidor de frecuencia y voltaje de audio. Seguí el esquema que se muestra arriba (consulte aquí para obtener más información). Es posible que se requiera alguna alteración del capacitor, valores de resistencia dependiendo de la fuerza de su señal de audio. El ejemplo dado, usó una señal alterna de 12V, encontré buenos resultados usando 3.3V como voltaje de suministro y alimentando 5V en el sensor de audio.

Las dos señales que extraje de este circuito fueron la frecuencia (VOUT) y el volumen (V2 +).

Notas útiles

Los condensadores más grandes (umbral aproximadamente por encima de 1 µF, no cerámicos) están polarizados, estos incluyen condensadores electrolíticos, la corriente fluye en ellos de + a - lado. En el diagrama, he anotado la dirección en la que deben organizarse.

El transistor utilizado en este circuito es PNP, estos transistores permiten que la corriente fluya desde el emisor al colector cuando se aplica una polaridad negativa a su base en relación con el emisor.

Tristeza # 1

Originalmente intenté alimentar el audio en el circuito usando un conector de audio, el sueño era conectar el audio directamente desde mi teléfono. Desafortunadamente, la señal que esto produjo parecía demasiado débil, y después de una semana de luchar para que funcionara, recurrí a usar un módulo de sensor de sonido. Estoy seguro de que hay técnicas de amplificación que podría haber usado, y este es definitivamente el problema principal con mi proyecto que buscaría corregir en el futuro.

Paso 4: Diseño y creación de la consola

El diseño de mi consola se inspiró en las salas de juegos de la vieja escuela, con joystick, botones e interruptores de palanca retro. Lo construí usando una vieja caja de cartón para auriculares (el acaparamiento tiene sus usos); esto fue muy efectivo ya que la caja tenía un forro interior de espuma, por lo que una vez que se le dio la vuelta, produjo un bonito efecto pulido.

1. Dibuja el diseño general de la consola que quieras.
2. Mide y marca las posiciones de los diferentes componentes en la parte superior de la caja. Asegúrese de tomar las medidas internas de los botones / interruptores / joysticks, ya que desea que los espacios sean lo suficientemente grandes para presionar los componentes, pero que sus bordes exteriores se enganchen en el cartón. Recomiendo usar un bisturí para cortar estos agujeros, pero unas tijeras afiladas en combinación con destornilladores para agujeros circulares deberían funcionar. Corte lentamente, intentando encajar el componente y aumentando gradualmente el tamaño de las presas, haga un componente a la vez.
3. Para los componentes más grandes, como el joystick y la pantalla LCD, recomiendo atornillar algunas tuercas / pernos a través de la parte superior de la consola para mantenerlos firmemente en su posición.
4. Corte tres orificios en la parte inferior de la parte posterior de la consola, estos serán para la entrada de energía, entrada USB para programar opcionalmente el conector de salida Arduino y LEDStrip.

Consejos

Recomiendo soldar previamente cada uno de los conectores metálicos de los componentes antes de colocarlos en la consola para facilitar el acceso y reducir el riesgo de quemar el cartón.

Paso 5: Esquema de soldadura

Necesitará una tabla de tiras de al menos 25 filas por 20 columnas de tamaño. Sin embargo, al elegir uno que sea más grande, podrá colocar su microcontrolador en el Stripboard junto a los cables, esto significa que las únicas conexiones no estables serán aquellas entre el Stripboard y los componentes conectados a la superficie de las consolas. Lo esencial en cada paso de este proceso es, en la medida de lo posible, reducir la tensión que podría sufrir cualquier cableado para garantizar un producto final duradero.

Utilicé encabezados de clavija para organizar limpiamente los cables en grupos y conectarlos al Arduino de una manera que se pueda separar fácilmente para la depuración.

Apoyé parcialmente el Stripboard sosteniendo el circuito más pesado usando una cuerda / cable para conectarlo a la pared interior de la caja de cartón.

Los cables de alimentación principal y LEDStrip que salían de la consola tenían conectores midwire que podían separarse, esto significaba que los cables podían pasar por los orificios en la parte inferior de la consola y aún así permitir que la caja se abriera.

Consejos para soldar

Una abrazadera para sujetar los cables / tablillas mientras suelda hará que el proceso sea mucho más fácil. Suelde siempre cada cable antes de intentar conectarlos.

Consejos de diseño

Todos los cables externos (que van hacia los pines de Arduino) están ubicados en el borde de la placa.

Si es posible, el uso de cables de diferentes colores en filas cercanas ayuda a evitar confusiones en el cableado.

GND, + 3.3V, + 5.5V siempre deben colocarse en las filas de los bordes, para una fácil identificación, colocar GND y + 3.3 / 5V en bordes opuestos ayuda a evitar posibles cortocircuitos, pero personalmente no me molesté y los coloqué en los 3 primeros filas. El diseño de la consola puede determinar en parte el orden de las filas de cables, los componentes cercanos se asignan a las filas cercanas, los números de PIN en el IDE de Arduino siempre se pueden reescribir.

Al soldar todos los pines de + 5V de los botones / resistencias en la parte posterior de la consola entre sí en una cadena tipo margarita, solo se necesita un cable de + 5V entre el Stripboard y la parte superior de la consola, lo que reduce enormemente el número de cables de conexión vulnerables. Por ejemplo, para los 4 interruptores del joystick, conecté todos sus terminales de 5V juntos.

Sea generoso con la longitud de los cables que se extienden entre el Stripboard y la consola, mucho más fácil de reducir más tarde que tratar de aumentar.

Si es posible, use un cable flexible entre el Stripboard y los componentes de la consola, esto facilita la apertura y depuración de la consola más adelante.

Paso 6: Extensión 1: Matriz de LED

Al conectar la tira de LED a la consola, se pueden mostrar la mayoría de los efectos de lluvia, color, luz estroboscópica y ruido, pero la forma de visualización es limitada. El código permite que la pantalla se configure aún más en arreglos de 250x1, 50x5 y 25x10, esto permite visualizaciones matriciales. El ruido se puede mostrar como ondas en movimiento, los juegos se pueden jugar en la matriz como una pantalla de baja resolución. La elección de una longitud de tira individual de 25 píxeles fue personal, y puede elegirla usted mismo y configurarla en el código. Lo que quería sobre todo era flexibilidad, de modo que cualquier efecto gráfico que decidiera codificar en una fecha posterior, pudiera ensamblar el HW en la disposición requerida.

Tristeza # 2

Tuve un sueño, y era usar una tinta conductora para pintar las conexiones del circuito en cartón, que se podía presionar contra los extremos contiguos de las tiras de LED.

Beneficios:

1. Se ve muy bien, y podría usar cartulina de colores bastante diferentes.
2. Llego a dibujar circuitos
3. Personalización definitiva, piense en un nuevo arreglo, simplemente dibújelo.

Inconvenientes:

1. No funcionó.
2. Ni siquiera un poquito.
3. ¿Por qué podría dibujar a mano un cableado lo suficientemente preciso y luego aplicar una presión lo suficientemente precisa y constante a un material compresible como el cartón?

Sigo que si hubiera funcionado, hubiera sido realmente genial y solo lamento parcialmente las 2 horas asignadas a este esfuerzo.

Solución real

Decidí usar un sistema de conectores macho / hembra enchufables, similares a los que se usan para conectar los cables Stripboard al Arduino. Al colocar M / F alternativamente en cada extremo, las tiras individuales se pueden enchufar opcionalmente entre sí recreando la tira original sin cortar. O se pueden usar conectores de cables flexibles intermedios para que las tiras se puedan plegar sobre sí mismas para formar una matriz o cualquier otra configuración espacial.

1. Corté la tira de LED en segmentos, elegí 10 tiras de longitud 25, dejando 50 LED de repuesto para otro proyecto
2. Suelde cada una de las conexiones de cobre en cada extremo de la tira. Tenga cuidado de no derretir el plástico, si compró uno con cubierta impermeable, tendrá que cortar una pequeña sección superior en cada extremo.
3. Mi LEDStrip tenía 4 conectores en cada extremo y 10 tiras, así que corté 10 segmentos de cabezales macho y 10 hembra de longitud 4. Para cada tira, soldé macho a un extremo y hembra al otro. Asegúrese de que los mismos extremos sean macho / hembra para cada tira, esto le permitirá conectarlos en una cadena tipo margarita.
4. Pruebe las conexiones enchufando las 10 tiras juntas, corrija con más soldadura si es necesario.
5. Ahora necesitamos los conectores de cables, estos se utilizarán para conectar las tiras individuales juntas en arreglos flexibles, ya sea que el objetivo sea lograr la distancia entre sí o ensamblar una matriz. Su longitud determinará qué tan lejos puede colocar cada sección continua de LEDStrip; corte el cable un poco más largo de lo que desea, ya que se perderá algo de longitud al conectar los cables. Corte otros 10 segmentos de cabezal macho y 10 hembra de longitud 4. Corte 40 trozos de cable (idealmente multicolor, flexible), pele cada extremo y suelde previamente.
6. Para crear una conexión por cable, primero tome 4 cables (idealmente de diferentes colores para permitir la identificación de qué cable se conecta a qué pin) y suéldelos a un conector macho. Luego, desea trenzar estos 4 cables, esto mantiene el cableado ordenado. Una vez trenzado (suficiente es la calidad que buscamos aquí), puede soldar los otros extremos al conector hembra. Asegúrese de que los mismos cables estén soldados a los mismos pines. Si todo el cable es del mismo color, haz marcas o usa un multímetro para determinar qué cable es cuál, ya que después de trenzarlo no quedará claro. Repita este proceso para cada conexión por cable que necesite.
7. Pruebe las conexiones nuevamente, conectando todas las tiras por las conexiones cableadas, juegue con la configuración del tamaño de la consola y coloque las tiras LED en diferentes formaciones matriciales. Es mejor romper e identificar las conexiones débiles antes que después.

Ahora tiene 10 tiras individuales, que se pueden conectar directamente entre sí para recrear una sola tira larga, o reorganizar en formaciones matriciales.

Paso 7: Configuración y configuración

La última versión siempre se puede encontrar en mi github: rs6713 / leddisplay /, siéntase libre de bifurcarla / descargarla y jugar.

Instalar Arduino IDE

En el evento milagroso que de alguna manera completó este tutorial sin experiencia previa con Arduino, el IDE de Arduino se puede descargar aquí. Simplemente instale y abra el código en el IDE, conecte la placa a través del cable de la impresora a la computadora. (Es posible que deba instalar un controlador para que la computadora reconozca la placa Arduino, pero esto debería suceder automáticamente la primera vez que conecte un Arduino a su computadora). Seleccione el tipo de placa y seleccione el puerto COMM activo al que está conectado el Arduino.

Configuración

Para cambiar las distintas configuraciones de la pantalla no se requieren conocimientos de programación sofisticados.

Las áreas del programa susceptibles de configuración están marcadas con / *** CONFIGURE ME *** /

Puede modificar / configurar fácilmente las siguientes áreas del programa:

• Los pines a los que están conectados los componentes
• El tamaño de las tiras de LED individuales
• Número total de LED en las tiras en general
• Los modos que desea permitir para el programa
• La longitud de las gotas de lluvia para el efecto de lluvia.

Los pines y el número total de LED son esenciales para hacer que el código funcione con su versión del circuito electrónico discutido en los pasos anteriores. También es útil para que pueda probar diferentes modos de visualización configurándolos durante la inicialización del código en lugar de tener que construir y conectar todos los botones de configuración, modo y joystick.

Subir

Una vez que haya configurado los números de PIN correctos para los componentes, el tamaño de la tira y la cantidad de LED, puede cargar el programa en Arduino presionando cargar. Es de esperar que ya lo hayas hecho a estas alturas durante las pruebas. Conecte la fuente de alimentación externa de 5 V y estará listo para comenzar.

Depuración

Si el LEDStrip / Console no funciona como se esperaba, existen varias causas posibles.

El LEDStrip está total / parcialmente apagado:

• Compruebe que el interruptor LEDStrip esté encendido,
• Si extendió la tira y los últimos segmentos de los extremos de la LEDStrip no se iluminan, es probable que se deba a una conexión defectuosa. Verifique sus conexiones en busca de juntas secas y soldador, intente cambiar el orden de las tiras y, si se trata de una conexión por cable, intente cambiar una conexión por cable por otra.

El brillo de la pantalla LCD es bajo / los colores de la tira de LED son incorrectos:

• Compruebe que la conexión de alimentación externa esté encendida / conectada correctamente. Cuando la energía es baja, no todos los colores de los LED RGB se iluminan constantemente y la pantalla LCD tiene dificultades para iluminarse.
• Los colores también pueden ser incorrectos si la configuración del tamaño, p. Ej. 250x1 del programa no refleja la disposición de LED de la vida real.
• En el peor de los casos, puede cambiar el programa para reducir el número de tiras iluminadas.

Terribleness al azar

Como último recurso, se han dejado Serial.prints comentados a lo largo del código, descomentarlos le dará retroalimentación sobre varios componentes y estados internos del programa.

Una situación probable es que una entrada que debería estar conectada a tierra, se haya desconectado y se haya dejado flotando, esto creará disparadores de eventos falsos (lectura de pin oscilante aleatoriamente entre FALSO y VERDADERO) y un comportamiento impredecible del programa.

Alteraciones del programa

Otras áreas de posibles alteraciones están marcadas con / ** CAMBIARME ** /

Estas áreas son excelentes ejemplos en los que puede agregar sus propias personalizaciones:

• Agregar nuevas opciones de paleta de colores
• Agregue nuevos efectos, p. Ej. brillar
• Agregar juegos nuevos

Estas son solo sugerencias, no dude en cambiar el código como desee.

Paso 8: Extensión 2: OpenProcessing

** En el momento de redactar este artículo, esta función no se ha implementado, por lo que este paso está destinado a resaltar los planes / manifestaciones futuras de este proyecto y resaltar la importancia de extender el LEDStrip para permitir pantallas matriciales. **

Una de las razones por las que estaba tan emocionado de que extender el LEDStrip permitió que se organizara como una matriz, fue que tener una pantalla abre muchas oportunidades para mapear visualizaciones 2D de otro software al HW de Arduino.

OpenProcessing es una comunidad de gráficos interactivos 2D basados en el lenguaje Processing. Mediante el uso de una función de impresión en serie simple, la apariencia de cada cuadro se puede transmitir píxel a píxel al Arduino. Por lo tanto, puede haber un modo futuro para la consola, donde el Arduino solo escucha la conexión en serie y solo actualiza la matriz LED cuadro por cuadro de acuerdo con la animación especificada por el programa de procesamiento. Esto tiene muchas ventajas, ya que Processing es un lenguaje especializado para las artes visuales y es fácil de aprender, lo que hace que sea muy rápido crear visualizaciones artísticas complejas. También mueve la complejidad de la memoria y el procesamiento a su computadora con el Arduino comparativamente limitado de memoria / potencia de procesamiento que solo tiene que manejar la información transmitida por el Serial.

Al subcontratar sus visualizaciones de pantalla LED a una biblioteca preexistente de efectos gráficos 2D, las posibilidades son infinitas. Consulte el catálogo de openprocessing.org para obtener inspiración.