Светящаяся шляпа, когда она наклоняется в разные стороны, то загораются светодиодные ленты с эффектом вращения огней в различные стороны!

[ColorPlay 41]

Цилиндр с интерактивными световыми эффектами

Суть идеи заключается в том, что когда шляпа наклоняется в разные стороны, то загораются светодиодные ленты с эффектом вращения огней в различные стороны. Замечательные световые эффекты были выполнены при помощи установки белых светодиодных лент, небольшого контроллера Arduino Pro Mini и акселерометра.

Для выполнения проекта вам понадобятся следующие компоненты:

·         Контроллер Arduino Pro Mini 328 - 3.3V/8MHz

·         Плата драйвера светодиодов SparkFun Mini FET Shield (имеет много адресуемых выходов для подключения светодиодов)

·         Датчик акселерометр SparkFun Triple Axis Accelerometer Breakout - ADXL335

·         Пластиковый бокс для пальчиковых аккумуляторов Battery Holder - 4xAA Rectangle

·         Мини выключатель питания SPDT Mini Power Switch 30V/200mA

·         Провод для монтажа 30 AWG

·         Светодиодная лента 12V белого свечения

Расположение лент на светодиодной шляпе

Всего на цилиндре расположено 16 светодиодных полос, соединенных попарно параллельно, поэтому контроллер Arduino Pro Mini может управлять ими при помощи 8 каналов.

Каждая светодиодная полоска, держится на цилиндре благодаря самоклеющейся основе, которая надежно держит полоску, даже при самых резких движениях головой. Ленты соединяются при помощи очень тонких проводов  30 AWG, которые проходят насквозь внутрь цилиндра к элементам управления. 

Контроллер Arduino Pro Mini + Driver

Контроллер Arduino Pro Mini 3.3 / 8 МГц имеет идеальный размер для этого проекта, а также  достаточную вычислительную мощность, чтобы без труда считать данные с акселерометра и при этом контролировать 8 каналов управления светодиодами. Он потребляет очень мало энергии и может быть легко перепрограммирован через FTDI Basic, для создания различных изящных световых эффектов.

Каждая полоска содержит 15 светодиодов, а это означает, что максимальный ток одной полоски составит 300 мА (15 светодиодов х 20 мА = 300 мА). Это значение намного больше, чем может обеспечить чип ATmega328, поэтому применяется драйвер Mini FET Shield, что очень удобно в нашем случае.  Эта плата драйвера имеет напряжение питания 3,3V, которое в нашем случае можно взять с контроллера Arduino. Каждый из 8-ми каналов на плате драйвера Mini FET Shield может обеспечить нагрузку до 2 Ампер, поэтому транзисторы драйвера даже не будут сильно нагреваться. Как уже упоминалось ранее, у нас есть 16 светодиодных полос, которые соединены попарно параллельно (расположенных противоположно с каждой стороны цилиндра) и управляются 8-ю каналами, что позволяет получить действительно классный эффект.

Акселерометр

Шляпа использует акселерометр ADXL335, это классическая рабочая лошадка, с легко читаемыми аналоговыми выходами для трех осей.  Но любые другие твердотельные акселерометры, такие как ADXL345, MMA7361, или MMA8452Q, также должны нормально работать.  

Акселерометр ADXL335 уже довольно старый (3 года в мире электроники – это большой срок), но с его выходов очень легко считывать аналоговые напряжения и преобразовывать их в 10-разрядные целые числа, используя для этого контроллер Arduino.  Для работы реального светового эффекта требуется выяснить, в каком направлении движется цилиндр. Поэтому мы возьмем три вектора  (X, Y, Z) и объединим их в один вектор направления.     

Питание от аккумуляторов

Поскольку светодиодные полосы работают от 12V, то шляпа использует 8 АА аккумуляторов установленных в двух боксах для батареек. Использование двух боксов позволяет распределить вес. Когда аккумуляторы полностью заряжены, то  у нас есть номинальное напряжение 1.5V * 8 = 12В. Светодиоды потребляют значительную мощность, поэтому,  были использованы литиевые аккумуляторы, что позволяет максимизировать время работы. На практике, шляпа работает в течение десятков часов на одном наборе аккумуляторов, так что щелочные батарейки вполне можно использовать, правда время работы будет немного меньше. Встроенный микро-выключатель в линию питания, позволяет легко выключить всю электронику в конце вечера.

Схема подключения

На этой схеме показано, как выполнено подключение всех элементов. Питание контроллера Arduino  и светодиодных полосок, осуществляется от набора аккумуляторов с общим напряжением 12В, через микро-выключатель. На плате драйвера Mini FET Shield есть восемь,  индивидуально контролируемых, транзисторов,  которые обеспечивают нагрузочную способность. Для питания более мощных проектов, вы можете использовать отдельные дискретные транзисторы. Акселерометр, при помощи проводов подключается к аналоговым входам контроллера Arduino.

Векторная математика

Если вы давно окончили школу,  и уже подзабыли законы физики, то у вас уйдет всего несколько минут чтобы вспомнить, как объединить три вектора ускорения в один. Для нашего проекта, нас интересует величина перемещения шляпы, а не направление.

A2 + B2 + C2 = Z2

В программном коде эта формула записывается так:

float magnitude = sqrt((aX * aX) + (aY * aY) + (aZ * aZ)); //Объединение всех векторов

А вот так вот выглядит фактический программный код:

float avgMag = 0;
for(int x = 0 ; x < 8 ; x++)
{
    aX = analogRead(accelX);
    aY = analogRead(accelY);
    aZ = analogRead(accelZ);

    float magnitude = sqrt((aX * aX) + (aY * aY) + (aZ * aZ)); //Combine all vectors 
    avgMag += magnitude;
}
avgMag /= 8;

Для того чтобы уменьшить шум, мы берем 8 показаний акселерометра и вычисляем среднее значение. Это работает очень хорошо. Теперь надо решить, что делать с полученным средним значением.

Для целей этого проекта, нам нужно что эффект вращения огней светодиодов был быстрым, когда обнаружено ускорение или движение, с последующим замедлением вращения (если нет нового ускорения). Для реализации этого эффекта, мы используем уравнение экспоненциального роста, органично увеличивая время между переключениями каналов (tBCC в коде).

Время задержки между переключением светодиодных каналов = A * xt

Это базовое показательное уравнение экспоненциального роста. Время, между переключением светодиодных лент, будет возрастать по экспоненте со временем на основе постоянной «А» и скорости роста «х».  Я хотел, чтобы светодиодные полоски замедлялись через 3-4 секунды, после того как акселерометр перестанет обнаруживать движение, и для этого мне нужно было определить переменные «А» и «х».

Я определил константу А при программировании шляпы, чтобы подобрать оптимальную скорость кругового вращения огней.  Экспериментальным путем, я определил, что оптимальная скорость переключения между лентами составляет 10 – 20мс, все, что быстрее 10мс просто не различимо для человеческого глаза.  

Для определения скорости роста «х», я использовал расчетную таблицу и обнаружил, что темп роста 1.00086 вызовет задержку,  увеличивающуюся до 500 мс в течение в течение 3,5 секунд.

long currentTime = millis() - startTime;
timeBetweenChannelChange = shortestDelay * pow(growthRate, currentTime); //Exponentially grow the delay between changes

В уравнениях выше, мы вычисляем текущее время, а затем вычисляем новый tBCC используя две константы. Это значение присваивается переменной  «timeBetweenChannelChange», измеряется в миллисекундах и оно будет возрастать по экспоненте в течении долгого времени, пока не станет больше, чем значение константы «maxTimeBetween» равное 3,5 секундам. После превышения этого времени (3,5 сек), вращение светового эффекта будет полностью остановлено.

После небольшого тестирования и несколько небольших ухищрений,  световой эффект вращения выглядел довольно хорошо.

Программа для ШИМ

До этого проекта, я уже изготавливал несколько костюмов для вечеринок, применяя светодиодные ленты. И во всех случаях мне приходилось уменьшать яркость светодиодов, иначе они светили просто ослепительно, и это было уже не так красиво. Проект шляпы не оказался исключением, светодиоды по-прежнему светят очень ярко.  Для решения этой проблемы, можно воспользоваться ресурсами широтно-импульсной модуляции, что позволит снизить яркость до необходимого предела. Но проблема в том, что контроллер Arduino Pro Mini имеет всего 6 выходов,  которые поддерживают ШИМ управление светодиодами. К счастью для нас, для решения этой проблемы есть программное решение.

Библиотека SoftPWM написанная Brett Hagman из компании Rogue Robotics, позволяет превратить любой цифровой контакт контроллера в контакт с ШИМ управлением. Это конечно не самое идеальное решение, есть свои ограничения, но для управления светодиодами работает замечательно. Скачать библиотеку можно по адресу:

https://code.google.com/p/rogue-code/wiki/SoftPWMLibraryDocumentation

SoftPWMSetPercent (chan0, brightLevel);

Эта простая функция позволяет установить уровень яркости для светодиодной ленты в пределах между 0 (OFF) и 99 (полная яркость). Опытным путем, я обнаружил, что уровня яркости 9% вполне достаточно для яркого отображения световых эффектов.

Микропрограмма Das Bliken

Есть два примера микропрограмм. Они были написаны,  чтобы вы имели представление о том, как создавать различные световые эффекты. 

Микропрограммы доступны по ссылкам:

TopHat_Basic.zip

TopHat_Original.zip

Источник: https://learn.sparkfun.com/tutorials/das-blinken-top-hat