Árbol del fabricante de LED RGB: 15 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:43

Nuestro espacio de creación local patrocinó un árbol que se exhibirá en Main Street durante el mes de diciembre (2018). Durante nuestra sesión de lluvia de ideas, se nos ocurrió la idea de poner una cantidad ridícula de LED en el árbol en lugar de los adornos tradicionales. Como creadores a los que les gusta hacer las cosas un poco exageradas, rápidamente decidimos que un árbol que pudiera reproducir animaciones no solo sería divertido, sino que también generaría algo de interés.

Investigué algunas soluciones existentes que usaban controladores LED dedicados y decidí que la fuente cercana simplemente no funcionaría. Encontré un excelente tutorial de Adafruit sobre el uso de sus controladores LED "FadeCandy". Este pequeño tablero ordenado ha hecho varias apariciones en Burning Man y tiene muchos buenos ejemplos para trabajar. El árbol consta de 24 hebras de tensiones de LED RGB direccionables individualmente controladas mediante placas FadeCandy y alimentadas por una única fuente de alimentación de 5 V 60 A. Una Raspberry Pi envía animaciones a las placas FadeCandy a través de cables micro-USB, que a su vez se conectan a los hilos de LED individuales. Las hebras están dispuestas radialmente para formar una forma de cono / árbol como se ve arriba.

Lo bueno de esta configuración es que no se limita a un solo uso. Las hebras de LED se pueden reorganizar para formar muchas formas, incluida una rejilla antigua regular. Esperamos reutilizar esta configuración para hacer una exhibición / juego interactivo para nuestro próximo Mini MakerFaire en la primavera.

Paso 1: Lista de piezas

• 2x - 5V WS2811 LED hebras (20 hebras x 50 píxeles = 1000 píxeles)
• 5x - Conectores impermeables de 3 pines (paquete de 5)
• Tiras de montaje RGB de 24x - 12MM
• 3x - Controladores LED Adafruit FadeCandy
• 6x - Bloques de distribución de energía
• 1x - 5V 60A (300W) Fuente de alimentación
• 1x- Enchufes perforados RJ-45 (paquete de 10)
• 2x - cable de alimentación 22 AWG (65 pies)
• 1x - Kit de conector Anderson
• Portafusibles en línea 1x - 12 AWG
• 3x - 2x8 Carcasa del conector de crimpado
• 1x - Pines de engarce hembra de 0.1 "(paquete de 100)
• 6x - Cajas eléctricas estancas
• 3x - Fusible de 20A
• 1x - cable de alimentación de la computadora
• 1x - Frambuesa Pi 3
• 1x - Tarjeta MicroSD
• 24 pies - Cable CAT5 / CAT6
• Cable de 15 pies - 12 AWG (rojo y negro)
• 6x - Extremos engarzados RJ-45
• 2x - 4x8 hojas de madera contrachapada de 3/4"
• Hierro en ángulo 2x - 4 '
• 200x - Corbatas con cremallera
• ~ 144x - Conectores de empalme a prueba de agua (opcional pero un gran ahorro de tiempo)
• Soldar
• Termorretráctil
• Calafateo

Paso 2: Descripción general del sistema eléctrico

Como se ve en el diagrama anterior, el sistema eléctrico del árbol se puede dividir en varios componentes principales: caja de control, cajas de conexiones de energía, cajas de conexiones de datos y hilos de LED. La caja de control alberga la fuente de alimentación de 5V 60A y la Raspberry Pi. Las cajas de conexiones de datos contienen los controladores LED FadeCandy. Las cajas de conexiones de energía contienen barras colectoras para distribuir energía (5V y GND) a los hilos de LED. Cada par de cajas de conexiones (una de datos + una de alimentación) controla ocho hilos de LED. Como en este proyecto se utilizan 24 hilos de LED, hay tres conjuntos de cajas de conexiones (seis en total).

* Hay un error en el diagrama que se muestra arriba, el cable CAT6 0 (hebras 0-7) debe ser (hebras 0-3) y el cable CAT6 1 (hebra 7-15) debe ser (hebras 4-7).

Paso 3: coloque conectores impermeables

Como el árbol fue diseñado para uso en exteriores, se tuvo especial cuidado para garantizar que todas las conexiones fueran impermeables. Para aquellos que deseen hacer un proyecto interior similar, los conectores a prueba de agua pueden ignorarse en favor de los conectores JST de 3 pines que vienen con los hilos de LED. Gran parte del trabajo en este proyecto se dedicó a soldar los conectores impermeables a los hilos.

Para nuestra configuración, cortamos el conector JST existente de la hebra de LED y conectamos un conector impermeable de 3 pines en su lugar. Se debe tener cuidado de agregar el conector en el lado de "entrada" del filamento LED, la conexión de datos en los filamentos LED es direccional. Descubrimos que cada LED tenía una pequeña flecha que indicaba la dirección de los datos. Inicialmente, unimos cada uno de los tres cables en el lado de la hebra de LED usando una técnica que involucra soldadura, encogimiento por calor y calafateo. Finalmente, cambiamos a usar estos conectores de empalme impermeables, que demostraron ser un gran ahorro de tiempo.

En el lado de alimentación / datos (es decir, el lado al que se conectan los hilos del LED), usamos cable 22 AWG para alimentación / tierra y cable CAT6 para datos / tierra. Cada cable CAT6 contiene cuatro pares trenzados, por lo que podríamos conectar cuatro hilos de LED a un solo cable CAT6. El diagrama de arriba muestra cómo la hebra de LED de 3 pines se divide en 4 cables (5V, GND, Datos). Conectar cuatro cables a tres cables parecía ser un punto de confusión al montar este proyecto. La conclusión clave es que las dos bases (Datos + Energía) se combinan en el conector impermeable.

Cada cable CAT6 estaba terminado con un conector RJ-45 que se conectaba a una carcasa hembra RJ-45 conectada a una placa FadeCandy. Los cables CAT6 podrían haberse soldado directamente a las placas FadeCandy, pero optamos por agregar conectores para permitir reparaciones más fáciles si fuera necesario. Hicimos todo nuestro cableado de 48 pulgadas de largo para darnos cierta flexibilidad al ensamblar físicamente el árbol.

Paso 4: Conecte los conectores a las placas FadeCandy

Las placas FadeCandy que compramos no venían con encabezados adjuntos, sino que había dos filas de vías espaciadas de 0.1 ". Al final decidimos que las FadeCandys se conectarían a los cables CAT6 usando enchufes estándar RJ-45" punch-down ". En el caso de que necesitáramos reemplazar un FadeCandy (¡resulta que lo hicimos!), también agregamos pines de 0.1 "a cada placa FadeCandy. Adjuntamos clavijas de engarzado hembra a cada uno de los ocho cables conectados al conector perforado RJ-45 para conectarlos a los encabezados de 0.1 ". Además de engarzar las clavijas de cada cable, también agregué un poco de soldadura para evitar que las clavijas Por supuesto, solo descubrí este "truco" de soldadura después de que la mitad de los pines que engarce fallaron en mí, lección aprendida.

Paso 5: Inserte los LED en las tiras espaciadoras

Después de leer algunas publicaciones en el foro y ver algunos videos de otras personas que han hecho 'árboles' similares, el uso de espaciadores de plástico parecía ser un elemento recurrente. Las tiras permiten que el espaciado de los LED se ajuste para adaptarse a las necesidades individuales y permite tensar los hilos de LED entre los anillos de los árboles superiores e inferiores. El tamaño del LED debe coincidir con el tamaño de los orificios espaciadores (en nuestro caso, 12 mm), de modo que cada LED individual encaje perfectamente en los orificios de los espaciadores. Decidimos tener nuestros LED en zig-zag, de modo que 24 hebras de LED formen 48 columnas alrededor del árbol.

Cometimos un error en este punto que nos obligó a generar algunos "agujeros" adicionales para los LED. Cortamos las tiras por la mitad para tener 48 longitudes de espaciadores. Lo que descubrimos fue que cada espaciador de dos metros y medio contenía 96 orificios (uno por pulgada) y cortarlos por la mitad en un orificio significaba que nos quedaban cuatro orificios por hilo de LED. ¡Preste atención a nuestro error y tenga en cuenta esto con anticipación! Finalmente cortamos con láser algunas "extensiones" para agregar los agujeros que faltan.

El archivo vectorial utilizado para cortar con láser los soportes de extensión se adjunta a continuación ("TreeLightBracket.eps")

Paso 6: Ensamble las cajas de conexiones eléctricas

Cada una de las tres cajas de distribución de energía alberga un par de barras colectoras. La primera barra distribuye 5V y la otra distribuye GND. Como nuestro árbol se exhibió al aire libre, optamos por usar cajas eléctricas a prueba de agua para albergar las barras colectoras. Pegamos cada barra en su lugar con pegamento caliente y agregamos un trozo de una carpeta de manila entre cada barra y la caja para evitar cortocircuitos. Cada caja de conexiones de alimentación se conecta a ocho hilos de LED a través del cable 22 AWG descrito anteriormente. Cada caja se conecta a la fuente de alimentación principal mediante un cable de 12 AWG y tiene un conector "Anderson" para facilitar el transporte.

Paso 7: Ensamble las cajas de conexiones de datos

Usando las mismas cajas que con las cajas de distribución de energía, creamos tres cajas de distribución de "datos" que albergan una sola placa FadeCandy en cada una. Los cables micro USB de la Raspberry Pi se conectan a las placas FadeCandy dentro de esta caja y los cables CAT6 también se conectan a los enchufes hembra RJ-45. Como las tablas FadeCandy no tienen grandes orificios de montaje, atamos con cremallera cada tabla a un trozo de madera contrachapada. Esta madera contrachapada también funcionó como aislante para evitar que la placa se cortocircuite contra la caja eléctrica.

Paso 8: Fuente de alimentación por cable

El monstruo de 5V 60A de una fuente de alimentación que pedimos proporciona energía para todo el proyecto. Cada una de las tres cajas de conexiones eléctricas se conecta a este suministro principal con un cable de 12 AWG. Cada caja de conexiones tiene su propio par de conectores Anderson y un fusible en línea de 20 A para aislar cualquier cortocircuito. La Raspberry Pi también se alimenta de esta fuente, lo que logré cortando un cable USB y conectando los cables de alimentación / tierra a los terminales de la fuente de alimentación. Como estos cables eran bastante pequeños, también agregué un par de bridas para agregar un poco de alivio de tensión en estas conexiones. La fuente de alimentación no venía con un enchufe de salida de CA, por lo que corté un cable de alimentación estándar de computadora / monitor y lo conecté a los terminales atornillados. ¡Ten mucho cuidado en el escenario y revisa tres veces tu trabajo! Encontré este proyecto de Adafruit extremadamente útil para comprender cómo está conectada la energía.

Paso 9: configura Raspberry Pi

Configuré una tarjeta microSD con el sistema operativo Raspbian y configuré un servidor FadeCandy usando las instrucciones que se encuentran aquí:

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

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

Descubrí que el repositorio de OpenPixelControl tenía un gran conjunto de ejemplos para interactuar con el servidor FadeCandy. Finalmente terminé escribiendo un script de Python para hacer un bucle de animaciones en el árbol cuando arrancó el Pi. Carga videos con nuestra resolución objetivo, avanza fotograma a fotograma a través del video y envía una matriz de control FadeCandy para cada fotograma. El archivo de configuración de FadeCandy permite que se interconecten varias placas como si fueran una sola placa y crea una interfaz muy limpia. La secuencia de comandos de Python que controla el árbol está configurada para cargar archivos desde una carpeta específica. Como tal, ajustar las animaciones es tan simple como agregar / eliminar archivos de video de esa carpeta.

En el proceso de prueba del árbol, logré corromper una tarjeta microSD. Atribuyo esto a quitar la energía del Pi sin hacer un apagado adecuado. Para evitar incidentes futuros, agregué un botón y lo configuré para apagar el Pi de manera segura. También hice varias copias de seguridad de la tarjeta microSD final, por si acaso.

Antes de recibir todas las partes para el árbol real, bifurqué el repositorio del concentrador git de OpenPixelControl y descubrí un simulador LED ordenado en el interior. De hecho, utilicé este programa para probar una gran parte del script de animación mencionado anteriormente. El simulador toma un archivo de configuración que indica la ubicación física de cada LED en el espacio (piense en X, Y, Z) y usa la misma interfaz que el programa del servidor FadeCandy.

Paso 10: haz animaciones

La secuencia de comandos de Python previamente vinculada puede reproducir cualquier formato de video en el árbol, siempre que la resolución sea de 96x50. La resolución del árbol es 48x25, sin embargo, la herramienta que estaba usando para convertir videos a una resolución más baja (Handbrake) tenía un límite mínimo de píxeles de 32 píxeles. Por esta razón, simplemente dupliqué la resolución real del árbol y luego muestreé todos los demás píxeles en mi secuencia de comandos de Python.

El proceso que usé para la mayoría de las animaciones fue buscar o generar un GIF, luego recortarlo (usando el freno de mano) hasta que la relación de aspecto fuera de 1.92: 1. Luego cambiaría la resolución de salida al objetivo 96x50 y comenzaría la conversión. Algunos archivos-g.webp

Con la interfaz OpenPixelControl, también puede generar patrones mediante programación. Durante la prueba inicial utilicé bastante el script de Python "raver_plaid.py".

Las animaciones utilizadas para nuestro árbol se adjuntan debajo de "makerTreeAnimations.zip".

Paso 11: Prueba del sistema eléctrico

Con todos los componentes eléctricos / de software principales conectados, era hora de probar todo. Construí un marco de madera simple para tensar los hilos de LED, que resultó muy útil para identificar si alguno de los hilos estaba fuera de servicio (que había varios). Los videos de arriba muestran una demostración enlatada de OpenPixelControl y mi script Python de reproductor de video personalizado ejecutando una animación de Mario.

Paso 12: Construir el marco

Conectamos todos los hilos de LED a un marco prototipo que construimos con tubos de PVC y pex. Dejamos las bridas sueltas para poder reposicionarlas si fuera necesario. Esta resultó ser una gran decisión, ya que decidimos que el PVC vertical rompía demasiado la cuadrícula de LED y cambiamos a un diseño CNC en su lugar. El diseño final consiste básicamente en un bucle superior y un bucle inferior. El bucle inferior está montado en la base del árbol y tiene un diámetro mayor que el bucle superior que está (no es de extrañar), montado en la parte superior del árbol. Las hebras de LED se extienden entre los bucles superior e inferior para formar el cono (o "árbol" si lo desea).

Ambos lazos se cortaron de madera contrachapada de 3/4 "en una fresadora CNC, el archivo vectorial para los lazos se adjunta a continuación (" TreeMountingPlates.eps "). Los lazos superior e inferior constan cada uno de dos piezas semicirculares que forman un El diseño de dos piezas fue para que pudiéramos unir fácilmente las dos mitades alrededor del árbol sin dañar las ramas. Nuestro gurú local de CNC agregó un toque agradable al convertir los lazos del marco superior e inferior en copos de nieve. Un toque de pintura blanca y también se agregó algo de brillo para arreglar el marco.

Paso 13: Construya el disco inferior / monte la electrónica

Cortamos dos semicírculos de otra pieza de madera contrachapada del mismo diámetro que el lazo inferior descrito anteriormente para montar la electrónica (caja de control, cajas de conexiones) debajo del lazo inferior. Al igual que con los bucles superior e inferior, se hizo en dos piezas, luego se unió a lo largo de la línea central para formar un círculo completo. El disco se pintó de verde para ayudarlo a integrarse y sellarlo de la lluvia. Montamos todas las cajas de electrónica en la parte inferior de este disco, de modo que el disco formara una especie de paraguas para los componentes eléctricos. Los cables en exceso se envolvieron y ataron con cremallera a este disco para mantener una apariencia limpia.

Paso 14: Fije el marco al árbol

Cuando los lazos del marco superior e inferior se secaron, clavamos varios pedazos largos de hierro en ángulo en la maceta del árbol para ayudar a estabilizar el tronco. El ángulo de hierro también proporcionó puntos de montaje para los bucles del marco superior e inferior, sin agregar tensión al árbol físico. Con todas las hebras de LED unidas al bucle superior, usamos un trozo de cuerda para suspender el conjunto del anillo superior del techo. Descubrimos que era más fácil bajar lentamente el anillo sobre el árbol en lugar de intentar sujetarlo con la mano. Una vez que el anillo superior estaba en su lugar en el ángulo de hierro, unimos el anillo inferior al árbol y también atamos con cremallera los hilos del LED al bucle inferior. El disco inferior (verde) se montó directamente debajo del bucle inferior con todos los componentes electrónicos conectados.

Paso 15: Entrega (opcional)

¡Ahora siéntese y disfrute de los frutos de su (nuestro) trabajo! Nuestro árbol estará en exhibición en North Little Rock durante todo el mes de diciembre (2018). Ya estoy pensando en cómo podemos hacer que la pantalla sea interactiva para nuestra mini MakerFaire en la primavera.

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Finalista en el concurso Make it Glow 2018