Управление светодиодной лентой с телефона: подключение к Ардуино

Что такое адресная светодиодная лента

Адресная светодиодная лента — это длинная цветная светодиодная лента RGB на гибкой печатной плате, на одной стороне которой размещены светодиоды RGB с ограничивающими резисторами, конденсаторами и контроллерами. Адресуемая светодиодная лента отличается от обычной светодиодной ленты RGB тем, что все светодиоды подключены к ней параллельно и каждый из них управляется отдельно своим контроллером.

Как и любая светодиодная лента, адресная светодиодная лента требует стабилизированного источника питания с высоким током отдачи.

Устройство адресной ленты

Адресные светодиоды стали основой для создания таких осветительных приборов. Они содержат сам полупроводниковый световой элемент и единственный драйвер ШИМ. В зависимости от типа адресуемого элемента светодиод RGB может быть размещен внутри общего корпуса или удален и подключен к выводам драйвера. В качестве излучателя света могут использоваться отдельные светодиоды или группы RGB. Напряжение питания тоже может быть разным. Сравнительные характеристики распространенных микросхем, используемых для управления цветными светодиодами, приведены в таблице.

Драйвер ШИМ	Электропитание U, В	Подключение светодиодов	Примечание	Потребление энергии
WS2811	12-24	Внешний	Встроенный стабилизатор напряжения 12 В. Быстрый и медленный режим	В зависимости от используемого светодиода
WS2812B	5	Интегрированный	Форм-фактор LED — 5050	До 60 мА на ячейку (при максимальной яркости)
WS2813	5	Интегрированный	Форм-фактор LED — 5050	До 60 мА на ячейку (при максимальной яркости)
WS2815	12	Интегрированный	Форм-фактор LED — 5050	До 60 мА на ячейку (при максимальной яркости)
WS2818	24 декабря	Внешний	Управляющее входное напряжение — до 9 В. Дополнительный вход управления	В зависимости от используемого светодиода

Ток потребления одного метра с адресной ленты довольно велик, так как мощность расходуется не только на свечение pn переходов, но и на коммутационные потери драйверов ШИМ.

Энергопотребление

В каждом участке ленты последовательно подключено 3 светодиода, поэтому блок питания на 5В работать не будет. Напряжение питания должно быть 12 В, но может подаваться напряжение и 9 В, но светодиоды не будут гореть так ярко.

Сегментная светодиодная линия потребляет около 20 мА при питании от 12 В. Если вы включите белый цвет (т.е красный 100%, зеленый 100% и синий 100%), потребляемая мощность секции составит около 60 мА.

Теперь вы можете легко рассчитать энергопотребление всей ленты. Таким образом, длина ленты составляет 1 метр. Лента состоит из 10 отрезков (по 10 см). Потребление белой ленты будет 60мА * 10 = 600мА или 0,6А. Используя эффект затухания ШИМ между цветами, можно вдвое снизить энергопотребление.

Технические характеристики

Адресная светодиодная лента состоит из светодиодов RGB в корпусе SMD 5050 и микрочипа драйвера ШИМ. В настоящее время наиболее популярны адресуемые светодиодные ленты на микросхемах WS2811 и WS2812B. Модификация WS2811 представляет собой интегральную схему (ИС) в корпусе DIP-8 (9,2×6,4 мм) или SOP-8 (5,1×4,0 мм). Этот трехканальный драйвер имеет следующую конфигурацию контактов:

• 1 — выход с ШИМ-регулированием (красный);
• 2 — выход с ШИМ-регулированием (зеленый);
• 3 — выход с ШИМ-регулированием (синий);
• 4 — общий;
• 5 — вывод передачи данных;
• 6 — вход передачи данных;
• 7 — выбор режима работы;
• 8 — питание + 5В.

В адресной полосе, использующей микросхему WS2811 и источник питания на 5 В, микросхема драйвера расположена в непосредственной близости от каждого светодиода SMD 5050 RGB, рядом с которыми также есть токоограничивающие резисторы и конденсатор, защищающий от помех. Но на данный момент такие модели морально устарели и встречаются крайне редко. Сегодня адресные светодиодные ленты на базе микросхем WS2811 продаются только с питанием +12 В. В этом случае микросхема WS2811 управляет не одним светодиодом, а группой из 3 штук.

По мере роста популярности микросхемы WS2811 ее место заняла более совершенная модель WS2812B. Этот тип ШИМ-драйвера намного компактнее и располагается непосредственно в корпусе светодиода SMD 5050. Если присмотреться, можно увидеть миниатюрный черный прямоугольник с позолоченными проводниками, выходящими из-под прозрачного люминофора.

Эта унификация позволила значительно упростить сборку адресных светодиодных лент и модулей, а сам WS2812B имеет всего 4 контакта:

• 1 — блок питания (+ 3,5… + 5,3 В);
• 2 — выход передачи данных;
• 3 — общий;
• 4 — вход передачи данных.

Микросхема драйвера потребляет не более 1 мкА, а максимальный ток адресуемого светодиода составляет 60 мА. Диапазон рабочих температур: от -25 до + 80 ° C.

При выборе адресной светодиодной ленты важным критерием является степень защиты от влаги и пыли. Для использования вне помещений подходят только модели с IP65 и IP67.

Плотность размещения светодиодов на ленте

Яркость светодиодной ленты зависит от типа установленных светодиодов и их количества. Единицей измерения считается количество установленных светодиодов на метр длины ленты. Больше светодиодов — больше светового потока. Количество светодиодов на метр длины ленты варьируется от 30 до 120 штук.

Но следует учитывать, что чем больше светодиодов на метр длины светодиодной ленты, тем мощнее будет блок питания. К выбору этого параметра нужно подходить с позиции «необходимого и достаточного».

Какие бывают адресные светодиодные ленты

Микросхемы WS2811 и WS2812B могут использоваться для управления светодиодами адресных светодиодных лент. Микросхема WS2811 производится в корпусе DIP-8 или SOP-8 и крепится непосредственно к светодиодной ленте. Если светодиодная лента рассчитана на напряжение 5В, то такая интегральная схема устанавливается рядом с каждым светодиодом RGB. При использовании блока питания 12 В в такую ​​микросхему устанавливается один из трех светодиодов.

Новый чип WS2812B настолько мал, что помещается непосредственно в корпусе светодиода RGB. Такие светодиоды на ленте расположены гораздо плотнее, а для питания используется источник 5 В.

В адресных (пиксельных) светодиодных лентах светодиоды подключены параллельно, при питании от 5В, но данные от драйвера к драйверу передаются последовательно. В этом есть серьезный недостаток: при выходе из строя одного из ШИМ-регуляторов все светодиоды, следующие за ним, перестанут работать. Для решения этой проблемы была выпущена следующая серия микросхем WS2813, которая позволяет использовать дублирующую четвертую дорожку для передачи данных. С микросхемами WS2813 все рабочие светодиоды будут работать, даже если некоторые в цепи выйдут из строя.

Отличие обычной RGB ленты от адресной светодиодной ленты

Цвет обычной цветной светодиодной ленты устанавливается одинаковым по всей длине с помощью внешнего контроллера, поэтому можно установить практически любой цвет или оттенок. В адресной светодиодной ленте каждая светодиодная лента, установленная на ленте, может управляться отдельно с помощью собственного ШИМ-контроллера. Оказывается, можно будет установить разные цвета для всех светодиодов на ленте.

Чаще всего управляемые светодиоды RGB в адресуемой светодиодной ленте подключаются к источнику питания 5 В, и в этом случае на такой адресной светодиодной ленте все светодиоды подключаются параллельно. В последних современных версиях таких лент стали использовать последовательное соединение трех светодиодов на секцию, что дало возможность подключать их к источнику питания 12 В.

В отличие от традиционных цветных светодиодных лент RGB, адресуемые светодиодные ленты не будут работать без команд внешнего процессора управления. Даже если они подключены к источнику питания, ни один из светодиодов не загорится, пока не будет получена соответствующая команда включения питания.

Адресные светодиодные ленты имеют начало и конец, которые необходимо учитывать при подключении. Для удобства на многих лентах есть стрелки, указывающие направление от начала до конца.

Отличие лент ws2812, ws2812b, ws2811

Наиболее распространенные модели на кристалле имеют маркировку WS2812 или WS2812b. С внешними — WS2811.

Чем ws2812 отличается от ws2812b? Первый имеет 6 контактов (ПИН) для управления, а второй, на букву «б» — всего четыре.

В 2812 питание светодиода и микросхемы раздельное. В 2812b питание встроенного драйвера и светодиода переведено на PIN (VDD).

В чем основные различия между ws2812b и ws2811?

• ws2812b — питание от 5в

• ws2811 — блок питания 12 в (последние модели 5 в были сняты с производства в 2015 году)

WS2812 управляет кластером с одним диодом в каждом, WS2811 одновременно управляет тремя светодиодами.

Существенным недостатком диодов ws2812 является то, что при перегорании хотя бы одного из них в цепи все остальные светодиоды после этого сразу перестают работать.

Достоинства и недостатки адресных светодиодных лент

Основные преимущества и недостатки адресных светодиодных лент такие же, как и у обычных светодиодных лент. Но есть некоторые характеристики, которые их отличают.

Преимущества светодиодных лент Pixel:
множество вариантов использования;
высокая яркость и низкое энергопотребление;
возможность передачи любого цвета;
возможность управления каждым светодиодом отдельно.

Недостатки светодиодных лент Pixel:
невозможность использования при низких температурах, есть неисправности в драйвере;
включить светодиодную ленту без управляющих сигналов невозможно;
требует мощных блоков питания.

Сфера применения

Относительно высокая стоимость светодиодов и лент, собранных на микросхемах WS2811 и WS2812B, ограничивает область их применения по сравнению с обычными светодиодными лентами. В основном они используются для решения таких проблем, с которыми не справляется обычная светодиодная лента:

• для сборки цветных модулей;
• в конструкции светильников по принципу «мягкого освещения»;
• как декоративная изюминка чего-либо;
• при строительстве светодиодных видеоэкранов, используемых в уличной рекламе и развлечениях.

Интерес к адресной светодиодной ленте у радиолюбителей связан с тем, что на ее основе можно собрать подсветку, которая будет менять цвет и яркость по определенному алгоритму.

Соединение элементов

Все элементы, расположенные на полотне, соединены блоком питания параллельно, а шина данных — последовательно. Управляющий выход одной микросхемы соединен с входом другой. Управляющий сигнал от контроллера отправляется на вывод DIN крайней левой схемы драйвера.

Схема соединения элементов на полотне.

лучше всего питать светодиоды и микросхемы от отдельного блока, особенно если лента питается от напряжения, отличного от 5 В. Общий провод контроллера и источник напряжения должны быть подключены.

Внешний вид ленты, разрезаемой на WS2812B.

Как подключается адресная светодиодная лента

Для подключения современной адресной светодиодной ленты требуется три контакта, два из которых предназначены для питания, а третий — для управления. Контакты питания, обозначенные GND, + 5V или + 12V, в зависимости от версии, подключаются к источнику питания. Третий вывод DIN предназначен для передачи управляющих данных на контроллеры (цифровой вход), он подключается к контроллеру, которым чаще всего является Arduino. Для передачи данных контакты GND адресуемой светодиодной ленты и контроллера управления должны быть соединены.

Драйверы ШИМ могут принимать в качестве управляющего сигнала любые помехи по цепи питания и, чтобы во время работы ничего не мешало правильному прохождению сигнала по каналу управления, в цепи питания светодиодной ленты установлены электролитические конденсаторы и большая емкость Arduino. Например, если все питается напряжением 5 В, то вам нужно установить конденсатор 6,3 В 1000 мкФ в цепи питания светодиодной ленты и конденсатор 6,3 В 470 мкФ в цепи питания Arduino. Вывод DIN подключается к Arduino через резистор от 200 до 500 Ом.

Драйверы ШИМ, установленные на адресуемой светодиодной ленте, являются 8-битными, что означает, что вы можете установить 256 различных градаций яркости для каждого цвета. Для управления трехцветным светодиодом потребуется передать драйверу 3 байта информации, что позволит получить 16,5 миллионов оттенков.

Ардуино – принцип действия

Плата Arduino — это устройство, на котором установлен программируемый микроконтроллер. К нему подключаются различные датчики, элементы управления или энкодеры и по определенному эскизу (программе) плата управляет двигателями, светодиодами и другими исполнительными механизмами, в том числе другими платами Arduino, использующими протокол SPI. Устройством можно управлять с помощью пульта ДУ, модуля Bluetooth, HC-06, Wi-Fi, ESP или Интернета и кнопок. Одними из самых популярных плат являются Arduino Nano и Arduino Uno, а также Arduino Pro Mini, устройство на базе микроконтроллера ATmega 328

Программирование выполняется в среде с открытым исходным кодом Arduino, установленной на обычном компьютере. Программы загружаются через USB.

Синтаксис команд

Цифровой выход:

pinMode (12, ВЫХОД); — установить порт 12 как порт вывода данных;
digitalWrite (12, ВЫСОКИЙ); — прикладываем логическую единицу к дискретному выводу 12, включив светодиод.

Аналоговый выход:

analogOutPin = 3; — мы устанавливаем вентиль 3 для вывода аналогового значения;
analogWrite (3, значение); — формируем на выходе сигнал с напряжением от 0 до 5В. Значение представляет собой рабочий цикл сигнала от 0 до 255. При значении 255 максимальное напряжение.

Способы управления светодиодами через Ардуино

Только слабый светодиод можно подключить напрямую через порт, и опять же лучше через ограничительный резистор. Попытка подключить более мощную нагрузку выведет его из строя.

Для более мощных нагрузок, в том числе светодиодных лент, используется электронный переключатель — транзистор.

Выбор RGB ленты

Для этого проекта нам понадобится именно светодиодная лента RGB, с четырьмя контактами.

Также есть варианты RGB с тремя, пятью и даже шестью контактами, все из которых не будут работать для нашего проекта без изменений.

Трехконтактная версия представляет собой адресную ленту. Для работы с такой лентой потребуется другая схема и другой программный код, поэтому этот вариант мы рассмотрим в отдельной статье.

Варианты с пятью и шестью выводами — это ленты RGBW и RGBWW. Как вы уже догадались, буква W обозначает дополнительный припаянный белый светодиод, а WW — два белых светодиода, такие полоски используются в тех случаях, когда белый цвет должен светить намного ярче, чем другие цвета.

Обычная четырехконтактная лента способна светиться белым без дополнительных светодиодов, просто за счет освещения всех трех ее цветов в равных пропорциях.

Подключение светодиодной ленты к Ардуино

Через реле

Реле подключается к устройству для цифрового выхода. Управляемая с его помощью полоска имеет всего два состояния: включено и выключено. Для управления красно-сине-зеленой лентой требуется три реле. Ток, которым может управлять такое устройство, ограничен мощностью катушки (катушка малой мощности не может создавать большие контакты). Группы реле используются для подключения более высокой мощности.

С помощью биполярного транзистора

Биполярный транзистор может использоваться для усиления выходного тока и напряжения. Подбирается по току и напряжению нагрузки. Ток привода не должен превышать 20 мА, поэтому он подается через токоограничивающий резистор 1-10 кОм.

лучше использовать транзистор npn с общим эмиттером. Для большего усиления используется многоэлементная схема или группа транзисторов (микросхема усилителя).

С помощью полевого транзистора

Помимо биполярных транзисторов, для управления полосами используются полевые транзисторы. Другое название этих устройств — МОП или МОП-транзисторы.

Такой элемент, в отличие от биполярного, управляется не током, а напряжением на затворе. Это позволяет низким током затвора управлять большими токами нагрузки, до десятков ампер.

Элемент подключается через токоограничивающий резистор. Кроме того, он чувствителен к шумам, поэтому выход контроллера необходимо заземлить с помощью резистора 10 кОм.

С помощью плат расширения

Помимо реле и транзисторов используются уже готовые блоки и платы расширения.

Это может быть Wi-Fi или Bluetooth, драйвер мотора, например, модуль L298N или эквалайзер. Они предназначены для управления нагрузками разной мощности и напряжения. Такие устройства одноканальные — они могут управлять только монохроматическими и многоканальными лентами — предназначены для устройств RGB и RGBW, а также ленты со светодиодами WS 2812.

Код Arduino и последовательная связь

Загрузите следующий эскиз в Arduino с помощью USB-кабеля.

Важно! Не забудьте выключить модуль HC-06 перед загрузкой скетча!

Пояснение к коду

Во-первых, мы объявили несколько констант (константа, которую нельзя будет изменить позже) для всех трех цветов (красный, зеленый, синий)

В setup () мы запустили последовательное соединение со скоростью 9600 бод и установили все контакты ленты на ВЫХОД.

В loop (), если Serial что-то получает, проанализируйте полученные данные как целое число (важно на следующем шаге)

Если он получает символ новой строки (‘ n’), он сначала ограничивает значения диапазоном 0-255 из-за диапазона ШИМ (широтно-импульсной модуляции (ШИМ)), а затем вносит изменения в цифровые выводы, используя метод analogWrite().

Программная часть

Установите Arduino IDE на свой компьютер, если она еще не установлена. Узнайте больше о том, как начать работу с Arduino, в этой статье.

Код и библиотеки можно скачать здесь.

Распаковать архив, скопировать библиотеки из папки lib в папку C: Program Files (x86) Arduino libraries.

Затем откройте файл SUP_V1.0.ino и посмотрите настройки:

Все работает из коробки, но если вы внесли какие-либо изменения в схему или хотите что-то исправить, все максимально подробно прописано в комментариях к коду.

Далее подключаем ардуино к компьютеру и вводим код. После сообщения «загрузка завершена» вы можете проверить работоспособность вашего устройства.

Короткие нажатия на кнопку изменяют цвет ленты в соответствии с заданным цветовым диапазоном, длинные нажатия увеличивают или уменьшают яркость по одному.

Яркость регулируется для двух режимов, с активированным датчиком движения и без него. Регулировка для каждого режима производится в том состоянии датчика, в котором вы хотите настроить яркость.

Виды транзисторных ключей

• Биполярный;
• Поле;
• Композитный (сборка Дарлингтона).

Способы подключения нагрузки

Через биполярный транзистор	Через полевой транзистор	Через переключатель напряжения

Когда применяется высокий логический уровень (digitalWrite (12, HIGH);), опорное напряжение будет течь к нагрузке через выходной порт на базе транзистора через цепь коллектор-эмиттер. Таким образом вы можете включать и выключать светодиод.

Полевой транзистор работает аналогичным образом, но поскольку он имеет сток вместо «базы», ​​который управляется не током, а напряжением, ограничительный резистор в этой схеме не нужен.

Биполярное зрение не позволяет регулировать мощные нагрузки. Ток, протекающий через него, ограничен 0,1-0,3 А.

Полевые транзисторы работают с более мощными нагрузками с током до 2А. Для еще более мощной нагрузки используются полевые транзисторы Mosfet с током до 9 А и напряжением до 60 В.

Вместо полевого эффекта можно использовать сборку биполярных транзисторов Дарлингтона на микросхемах ULN2003, ULN2803.

Микросхема ULN2003 и принципиальная схема электронного переключателя напряжения:

Модули управления Ардуино

Для создания полноценного драйвера для управления светодиодной лентой можно использовать сенсорные модули.

ИК-контроль

Модуль позволяет запрограммировать до 20 команд.

Дальность сигнала составляет примерно 8 метров.

Стоимость набора 6 долларов США.

По радио

Четырехканальный блок с дальностью действия до 100 м

Стоимость набора 8 у.е.

Позволяет включать освещение даже при приближении к квартире.

Бесконтактный

Датчик расстояния может увеличивать и уменьшать яркость освещения движением руки.

Дальность действия до 5м.

Стоимость модуля — 0,3 доллара США.

Схема контроллера RGB подсветки на ардуино

Схема контроллера ленты RGB

Как видите, ничего особо сложного.

Arduino питается напрямую от 12 вольт. В нем есть встроенный преобразователь, снижающий напряжение питания до 5 вольт, от которого мы будем питать модуль сенсорных кнопок и датчик движения.

Arduino управляет тремя транзисторными переключателями, которые, в свою очередь, контролируют цвета ленты.

Управление клавишами осуществляется с помощью ШИМ-сигнала, подробнее об этом можно прочитать здесь.

Используются три канала Arduino PWM.