Arduino и адресная светодиодная лента

Описание

Адресная светодиодная лента, в отличие от обычной RGB, позволяет управлять цветом и яркостью каждого своего светодиода. Благодаря этому на ней можно отображать различные интересные эффекты, как статические, так и динамические. Сама по себе лента ничего не может, поэтому генерацией эффектов занимается микроконтроллер (или плата на его основе, например Arduino). Более подробно про виды адресных лент можно прочитать в моей статье.

В наборе GyverKIT есть 1 метр адресной светодиодной ленты WS2812b. При желании ленту можно докупить в том же магазине, где продаётся набор – Giant4.

Подключение

• GND ленты соединяется с GND микроконтроллера, так как все сигналы ходят относительно “земли”
• У любого отрезка ленты есть вход, а есть выход: у входа средний пин называется DI, а у выхода – DO. К Arduino подключается именно вход ленты, то есть пин DI
• DI подключается на любой цифровой пин. Если лента питается отдельно от Arduino – DI нужно подключать через резистор 100-500 Ом, чтобы избежать питания ленты через пин, что приведёт к выходу из строя пина Arduino или первого светодиода в ленте. Лучше ставить резистор в любом случае, чтобы исключить такую возможность
• 5V ленты подключается к питанию. Питание может быть общим с Arduino
• Лента потребляет большой ток, поэтому питать её от Arduino, подключенной к USB – нельзя. В наборе GyverKIT есть сетевой адаптер на 5V, ленту нужно питать от него

В рассмотренных выше схемах Arduino питается от USB. Для работы от адаптера можно подключить питание с него на пин 5V платы:

При наличии на ленте штекера можно подключать управление и питание следующим образом:

Примечание:

• Ленту можно питать напрямую от Arduino (при подключении к USB), если ток потребления не будет превышать 500 мА. В библиотеке FastLED можно настроить программное ограничение тока: FastLED.setMaxPowerInVoltsAndMilliamps(5, 500); – 5V 500mA
• Ленту можно подключать без резистора, если исключена возможность наличия сигнала на ленту без подключенного питания, т.е. когда лента питается от одного источника с микроконтроллером

При работе с Wemos есть особенность: у него логический уровень 3.3V, чего не всегда хватает для передачи сигнала на ленту. При возникновении “артефактов” в эффектах можно подключить питание по следующей схеме: питать Wemos  через диод (есть в наборе GyverKIT):

Библиотеки

Самой функциональной и известной библиотекой является FastLED, можно установить через диспетчер библиотек по названию FastLED. В библиотеке ОЧЕНЬ много возможностей, см. официальную вики-документацию, а также полный список модулей, классов и функций.

Как работать с FastLED

Коротко рассмотрим как работать с библиотекой FastLED и самые основные инструменты.

Логика работы с адресной лентой сводится к следующему: лента представляется в виде одномерного массива, каждый элемент – светодиод, точнее его цвет. Цвет светодиода кодируется тремя байтами, то есть 256 значений на каждый канал: красный, зелёный, синий. В программе можно производить различные манипуляции с этим массивом, то есть задавать цвета светодиодам при помощи различных инструментов библиотеки. Как только построение “кадра” закончено – массив можно отправить на ленту и светодиоды включатся соответственно заданным цветам.

Для начала обозначим константами длину ленты и пин, к которому она подключена, просто чтобы проще было редактировать программу в дальнейшем:

#define LED_PIN 5     // пин
#define LED_NUM 50    // количество светодиодов

Подключаем библиотеку:

#include "FastLED.h"

Создаём массив цветов, он имеет тип данных CRGB. Размер – сколько светодиодов в ленте, то есть наша константа. Пусть массив будет глобальным, чтобы доступ к нему был у всей программы:

CRGB leds[LED_NUM];

В блоке setup нам нужно передать в библиотеку информацию о подключенной ленте, а также подключить созданный выше массив. Чтобы программа знала, откуда брать информацию о цветах. По порядку указывается тип ленты, пин, порядок цветов. В круглых скобках – имя нашего массива, а также его размер – длину ленты:

void setup() {
  FastLED.addLeds< WS2812, LED_PIN, GRB>(leds, LED_NUM);
}

Отлично! Всё настроено и готово к работе.

Общие функции

Помимо задания цветов в массиве, существуют следующие управляющие функции:

• FastLED.show() – выводит массив на ленту, т.е. обновляет её текущими цветами
• FastLED.clear() – очищает ленту, буквально обнуляет все цвета в массиве, задаёт “чёрный” цвет. Для применения нужно вызвать show()
• FastLED.setBrightness(0-255) – устанавливает яркость всей ленты. Не меняет значения в массиве светодиодов, просто “приглушает” итоговую отображаемую яркость. Для применения нужно вызвать show()
• FastLED.setMaxPowerInVoltsAndMilliamps(вольты, миллиамперы) – включает автоматическое ограничение яркости по настроенному току и напряжению. Полезно для длинных лент и/или слабых блоков питания
• FastLED.showColor(CRGB цвет) – залить всю ленту указанным цветом

Тип данных CRGB

Библиотека организована так, что переменной типа CRGB можно задать значение несколькими способами. Рассмотрим задание цвета первому светодиоду в нашей ленте, то есть элемент массива под номером ноль: leds[0]

leds[0] = 0xFF44DD;             // цвет в HEX формате
leds[0].setRGB(255, 68, 221);   // RGB, 0-255
leds[0].setHSV(224, 187, 255);  // HSV, 0-255
leds[0].setHue(224);            // Hue из HSV, S и V будут 255

// готовый цвет. весь список тут https://github.com/FastLED/FastLED/wiki/Pixel-reference#colors
leds[0] = CRGB::Red;

Подробнее про цветовые модели RGB и HSV можно почитать вот здесь.

Примеры

Итак, с базовыми понятиями разобрались, переходим к практике. Для начала зальём всю ленту статичной радугой. Для этого покрасим светодиоды в цикле, задав цвет от 0 до 255 от первого до последнего светодиода в ленте. Конструкция i * 255 / LED_NUM позволяет получить значения от 0 до 255 при изменении i от 0 до LED_NUM:

#define LED_PIN 5
#define LED_NUM 50
#include "FastLED.h"
CRGB leds[LED_NUM];

void setup() {
  FastLED.addLeds<WS2812, LED_PIN, GRB>(leds, LED_NUM);
  FastLED.setBrightness(50);
  
  for (int i = 0; i < LED_NUM; i++) {
    leds[i].setHue(i * 255 / LED_NUM);
  }
  FastLED.show();
}
void loop(){}

Можно сделать подвижную радугу, это будет уже полноценная анимация. Для этого ленту нужно постоянно обновлять новыми цветами, например 30 раз в секунду. Чтобы плавно менять цвет – добавим к нему счётчик, который будет меняться от 0 до 255 и так по кругу.

#define LED_PIN 5
#define LED_NUM 50
#include "FastLED.h"
CRGB leds[LED_NUM];

void setup() {
  FastLED.addLeds<WS2812, LED_PIN, GRB>(leds, LED_NUM);
  FastLED.setBrightness(50);
}

byte counter;
void loop() {
  for (int i = 0; i < LED_NUM; i++) {
    leds[i].setHue(counter + i * 255 / LED_NUM);
  }
  counter++;        // counter меняется от 0 до 255 (тип данных byte)
  FastLED.show();
  delay(30);        // скорость движения радуги
}

Можно сделать один бегающий светодиод: каждый раз очищать ленту и красить светодиод под номером, который задаётся счётчиком. Изменение счётчика закольцевать от 0 до количества светодиодов:

#define LED_PIN 5
#define LED_NUM 50
#include "FastLED.h"
CRGB leds[LED_NUM];

void setup() {
  FastLED.addLeds<WS2812, LED_PIN, GRB>(leds, LED_NUM);
  FastLED.setBrightness(50);
}

byte counter;
void loop() {
  FastLED.clear();
  leds[counter] = CRGB::Red;
  if (++counter >= LED_NUM) counter = 0;
  FastLED.show();
  delay(30);
}

И таких эффектов можно придумать очень много! Займёмся этим уже в блоке проектов

Домашнее задание

• Заставить светодиод бегать “туда и обратно”
• Сделать плавное изменение яркости (от 0 до 255) всей ленты с эффектом радуги