RGB-светодиоды: адресуемая светодиодная лента
Интересно всегда было попробовать светодиодную ленту ws2812b.Вот получил ленту с Banggood. Тем более подходят новогодние праздники. Применить хотелось в разных вариантах.Как украшение или гирлянду для Нового года или как самостоятельную СДУ.
Китайцы дали такие параметры:
-Работа напряжение: 5 В постоянного тока
-мощность: 43.2w
-Width: 12 мм
-длина: 1m
-waterproof: не водонепроницаемый (ip20)
-Отлично, высокое качество интеллектуальное освещение!
-основана на высокое качество SMD5050 RGB LED s код вставки (встроенный) интегрированные ИКС управления ws2811. каждый LED независимо представляет собой адресуемые, открывая совершенно новые возможности освещения.
-ws2812. 5050 СМД ж / ws2811 IC встроенный in144 RGB LED s на метр
-он ws2811 IC управления ONE LED Чип
-каждый LED индивидуально адресуемые, с 8 битами зеленого, красного и синего данных сдвинуты в течение 24-битном цвете
-strip может быть разрезан one от one привело чип.
Примечание: источник питания или контроллер не включает
В пакет включено:
1 * RGB LED полосы
Что такое ws2812b? Это уже второе поколение полноцветных светодиодов с индивидуальной адресацией, также известное как NeoPixel. В одном корпусе собраны RGB светодиоды и контроллер. Для каждого из цветов доступно 255 уровней яркости. Итого 16 миллионов цветов и всего один провод для управления. Выпускаются в виде отдельных светодиодов, лент, колец, матриц и т.п. Для работы необходим внешний контроллер, на эту роль вполне подходит Ардуино. Каждый из светодиодов (красный, синий, зеленый) при максимальной яркости потребляет 20 миллиампер. Максимальное энергопотребление - 60 миллиампер, когда все три диода горят, получается при белом цвете. Отсюда легко получить максимальное потребление всей ленты, умножив 60 миллиампер на количество светодиодов. Еще немного потребляют контроллеры диодов.
Подключение
Сами по себе ленты не светятся, им необходим микроконтроллер. На его роль отлично подходит Arduino.
подойдет Arduino или Raspberry PI.Собрал схему подключения.
Для каждого из цветов доступно 255 уровней яркости. Итого 16 миллионов цветов и всего один провод для управления. Выпускаются в виде отдельных светодиодов, лент, колец, матриц и т.п. Для работы необходим внешний контроллер, на эту роль вполне подходит Ардуино. Каждый из светодиодов (красный, синий, зеленый) при максимальной яркости потребляет 20 миллиампер. Максимальное энергопотребление - 60 миллиампер, когда все три диода горят, получается при белом цвете. Отсюда легко получить максимальное потребление всей ленты, умножив 60 миллиампер на количество светодиодов. Еще немного потребляют контроллеры диодов.
Приблизительное пиковое потребление для лент длиной 1 метр:
30 диодов на метр 9.5 ватт (чуть меньше 2A при 5V)
60 диодов на метр 19 ватт (3.6А при 5V)
144 диода на метр 35 ватт (7A при 5V)
Блоки питания рекомендуется выбирать с небольшим запасом по мощности.
Подключение.
Сами по себе ленты не светятся, им необходим микроконтроллер. На его роль отлично подходит Arduino(Uno.Nano,Pro mini).
Как применить эту ленту это уже личное ваше дело-как украшение, гирлянду для Нового года или как самостоятельную СДУ. Я приобрел ленту длиной 1 метр с количеством светодиодов 144 штуки. Ее можно разрезать при необходимости на несколько частей. Подложка бывает белого и черного цвета. На концах установлены разьемы для подключения следующей ленты.То есть можно удлинить гирлянду. 
Я сделал светомузыкальную установку для визуализации музыки в реальном времени. Много различных световых эффектов, синхронизированных с музыкой.
На один канал подключено 51 сетодиод ленты, и паралельно в данном случае кольцо с светодиодами(чисто для демонстарции) 
Подключить к источнику звука-выходы от громкоговорителя. Сделано на светодиодной ленте ws2812b, Arduino UNO, понижающей Dс-Dс плате или блок питания на 5 вольт\3ампера. Осуществлен принцип индикатора уровня сигнала с большим количеством световых эффектов. А где использовать эту схему это уже личное ваше дело и зависит от вашей фантазии.Скетч по ссылке
Плюсом я думаю считается что управление этой лентой осуществляется по одному проводу, и можно получать разные эффекты на каждом светодиоде.
Минусом я считаю что пока конечно цена на эти светодиоды завышена. Тем не менее можно получать массу эффектов в цвете и динамике для для последующих разработок даже начинающим. Всем спасибо за потраченное время и хороших Новогодних праздников!!!
Подробней в видео
Здравствуйте Хабр-сообщество.
В данное время стали доступны светодиодные ленты с изменяемым цветом свечения. Они классно выглядят, не дорого стоят и их можно хорошо приспособить для декоративной подсветки интерьера, рекламы, и т.д.
К таким лентам можно купить источник питания, диммер, диммер с пультом управления. Это позволит вам использовать светодиодную ленту для посветки. Однако если вы захотите запи запрограммировать алгоритм изменения цвета, или сделать управление из компьютера - то тут начинается разочарование. Вы в продаже не найдете диммеров с управлением через COM-порт или Ethernet.
Добро пожаловать под кат.
Теоретическая часть
Для реализации плавного изменения свечения всех 3 каналов нам потребуется сделать собственный димер. Сделать его очень просто, для этого требуется взять силовые ключи и управлять ими с помощью ШИМ сигнала. Также наш диммер должен быть программируемым и/или управляемым из вне.
В качестве мозгов идеально подходит Arduino. В её программу можно записать любой алгоритм изменения цветов, а также её можно управлять как с помощью модулей Arduino, так и удаленно по Ethernet, Ик-порту, Bluetooth, используя соответствующие модули.
Для реализации задуманного я выбрал Arduino Leonardo. Она одна из самых дешевых плат Arduino, и она имеет много выводов с поддержкой ШИМ.
PWM: 3, 5, 6, 9, 10, 11, and 13. Provide 8-bit PWM output with the analogWrite() function.
И так, источник ШИМ у нас имеется, остаётся придумать с силовыми ключами. Если побродить по интренет магазинам, то выяснится, что не существует модуля Arduino для управления RGB лентами. Или просто универсальных модулей с силовыми транзисторами. Также можно найти огромное количество сайтов радиолюбителей, которые делают платы с силовыми ключами сами.
Однако есть способ проще! Нас выручит модуль Arduino для управления двигателями. Этот модуль имеет все необходимое для нам - на нем установлены мощные ключи на 12В.
Пример такого модуля является «L298N Module Dual H Bridge Stepper Motor Driver Board Modules for Arduino Smart Car FZ0407». Такой модуль основан на микросхеме L298N, которая представляет из себя 2 моста. Однако мостовое включение полезно для двигателя (от этого он может менять направление вращения), а в случае RGB ленты, оно бесполезное.
Мы будем использовать не весь функционал этой микросхемы, а только 3 её нижних ключа, подключив ленту как показано на рисунке.
Практическая часть часть
Для реализации потребуется Arduino Leonardo, Модуль управления двигателями L298N, Источник 12В (для запитки ленты), сама RGB лента, соединительные провода.
Для удобства подключения я еще использовал Fundruino IO Expansion, но он никакой функциональной нагрузки не несет.
Схема подключения показана на рисунке.
Хочу дополнительно описать питание системы. В данной схеме питание подается на модуль управления двигателями, в нем стоит понижающий источник питания на 5В, и эти 5В я подаю на вход Vin питания Arduino. Если разорвать эту связь (естественно земли оставив соединенными), то запитывать Arduino и силовые ключи можно от разных источников питания. Это может быть полезно когда к Arduino много всего подключено, и источник в модуле управления двигателями не справляется (выключается по перегреву).
Управляется RGB лента с помощью команд analogWrite, которая настраивает выход для формирования ШИМ сигнала.
Исходный код программы для arduino:
#define GRBLED_PIN_R 9 // пин для канала R
#define GRBLED_PIN_G 10 // пин для канала G
#define GRBLED_PIN_B 11 // пин для канала B
int rgbled_r=0, rgbled_g=0, rgbled_b=0;
void setup(){
//enable serial datada print
Serial.begin(9600);
Serial.println("RBG LED v 0.1");
// RGBLED
pinMode(GRBLED_PIN_R, OUTPUT);
pinMode(GRBLED_PIN_G, OUTPUT);
pinMode(GRBLED_PIN_B, OUTPUT);
}
void loop(){
// change color
rgbled_r = (rgbled_r+1)%1024;
rgbled_g = (rgbled_g+2)%1024;
rgbled_b = (rgbled_b+3)%1024;
// Output
Z1_output_rgbled();
delay(1);
}
void Z1_output_rgbled() {
analogWrite(GRBLED_PIN_R, rgbled_r);
analogWrite(GRBLED_PIN_G, rgbled_g);
analogWrite(GRBLED_PIN_B, rgbled_b);
}
На видео можно увидеть как это работает:
Экономическая часть
| L298N Module Dual H Bridge Stepper Motor Driver Board Modules for Arduino Smart Car FZ0407 | $ 5.31 | 1 |
| Leonardo R3 Development Board for Arduino Compatiblae + USB Cable Wire FZ0437 | $ 10.00 | 1 |
| 5050 LED Strip RGB and single color 5M DC12V/24V 60leds/m Waterproof Flexible Car auto Strip Light saving light | $ 12.38 | 1 |
| Retail AC85~265V to DC 12V/6A power supply adaptor transformer switching for led light | $ 9.98 | 1 |
Итого $37,65 = 1 300 руб
Вместо заключения
Для тех, кто захочет повторить описанную здесь схему - хочу заметить, что драйвер L298N рассчитан на ток 2-3А, а RGB светодиодные ленты, на светодиодах 5050 с плотностью 60 светодиодов на метр, продающиеся по 5 метров, могут потреблять до 6А. По этому если вы хотите использовать длинные и яркие ленты - возможно потребуется схему модернизировать (подключать ленту по сегментам, или взять более мощный драйвер) или использовать ленты по проще.В данной статье мы расскажем о цветных светодиодах, отличии простого RGB-светодиода от адресуемого, дополним информацией о сферах применения, о том, как они работают, каким образом осуществляется управление со схематическими картинками подключения светодиодов.
Светодиоды – электронный компонент, способный излучать свет. Сегодня они массово применяются в различной электронной технике: в фонариках, компьютерах, бытовой технике, машинах, телефонах и т.д. Многие проекты с микроконтроллерами так или иначе используют светодиоды.
Основных назначений у них два :
Демонстрация работы оборудования или оповещение о каком-либо событии;
применение в декоративных целях (подсветка и визуализация).
Внутри светодиод состоит из красного (red), зеленого (green) и синего (blue) кристаллов, собранных в одном корпусе. Отсюда такое название – RGB (рис.1).
2. С помощью микроконтроллеров
С помощью него можно получить множество различных оттенков света. Управление RGB-светодиодом осуществляется с помощью микроконтроллера (MK), например, Arduino (рис.2).
Конечно, можно обойтись простым блоком питания на 5 вольт, резисторами в 100-200 Ом для ограничения тока и тремя переключателями, но тогда управлять свечением и цветом придется вручную. В таком случае добиться желаемого оттенка света не получится (рис.3-4).
Проблема появляется тогда, когда нужно подсоединить к микроконтроллеру сотню цветных светодиодов. Количество выводов у контроллера ограничено, а каждому светодиоду нужно питание по четырем выводам, три из которых отвечают за цветность, а четвертый контакт является общим: в зависимости от типа светодиода он может быть анодом или катодом.
3. Контроллер для управление RGB
Для разгрузки выводов МК применяются специальные контроллеры WS2801 (5 вольт) или WS2812B (12 вольт) (рис.5).
С применением отдельного контроллера нет необходимости занимать несколько выходов MK, можно ограничиться лишь одним сигнальным выводом. МК подает сигнал на вход «Data» управляющего контроллера светодиода WS2801.
В таком сигнале содержится 24-битная информация о яркости цвета (3 канала по 8 бит на каждый цвет), а также информация для внутреннего сдвигового регистра. Именно сдвиговый регистр позволяет определять, к какому светодиоду информация адресовывается. Таким образом можно соединять несколько светодиодов последовательно, при этом использовать все так же один вывод микроконтроллера (рис.6).
4. Адресуемый светодиод
Это RGB-светодиод, только с интегрированным контроллером WS2801 непосредственно на кристалле. Корпус светодиода выполнен в виде SMD компонента для поверхностного монтажа. Такой подход позволяет расположить светодиоды максимально близко друг другу, делая свечение более детализированным (рис.7).
В интернет-магазинах можно встретить адресные светодиодные ленты, когда в одном метре умещается до 144 штук (рис.8).
Стоит учесть, что один светодиод потребляет при полной яркости всего 60-70 мА, при подключении ленты, например, на 90 светодиодов, потребуется мощный блок питания с током не менее 5 ампер. Ни в коем случае не питайте светодиодную ленту через контроллер, иначе он перегреется и сгорит от нагрузки. Используйте внешние источники питания (рис.9).
5. Недостаток адресуемых светодиодов
Адресуемая светодиодная лента не может работать при слишком низких температурах: при -15 контроллер начинает подглючивать, на более сильном морозе велик риск его выхода из строя.
Второй недостаток в том, что если выйдет из строя один светодиод, следом по цепочке откажутся работать и все остальные: внутренний сдвиговый регистр не сможет передать информацию дальше.
6. Применение адресуемых светодиодных лент
Адресуемые светодиодные ленты можно применять для декоративной подсветки машины, аквариума, фоторамок и картин, в дизайне помещений, в качестве новогодних украшений и т.д.
Получается интересное решение, если светодиодную ленту использовать в качестве фоновой подсветки Ambilight для монитора компьютера (рис.10-11).
Если вы будете использовать микроконтроллеры на базе Arduino, вам понадобится библиотека FastLed для упрощения работы со светодиодной лентой ().
Ардуино идеально подходит для управления любыми устройствами. Микропроцессор ATmega с помощью программы-скетча манипулирует большим количеством дискретных выводов, аналогово-цифровых входов/выводов и ШИМ-контроллерами.
Благодаря гибкости кода микроконтроллер ATmega широко используется в модулях различной автоматики, в том числе на его основе возможно создать контроллер управления светодиодным освещением.
Принцип управления нагрузкой через Ардуино
Плата Ардуино имеет два типа портов вывода: цифровой и аналоговый (ШИМ-контроллер). У цифрового порта возможно два состояния – логический ноль и логическая единица. Если подключить к нему светодиод он либо будет светиться, либо не будет.
Аналоговый выход представляет собой ШИМ-контроллер, на который подаётся сигнал частотой около 500Гц с регулируемой скважностью. Что такое ШИМ-контроллер и принцип его работы можно найти в интернете. Через аналоговый порт возможно не только включать и выключать нагрузку, а и изменять напряжение (ток) на ней.
Синтаксис команд
Цифровой вывод:
pinMode(12, OUTPUT);
— задаём порт 12 портом вывода данных;
digitalWrite(12, HIGH);
— подаём на дискретный выход 12 логическую единицу, зажигая светодиод.
Аналоговый вывод:
analogOutPin = 3;
– задаём порт 3 для вывода аналогового значения;
analogWrite(3, значение);
– формируем на выходе сигнал с напряжением от 0 до 5В. Значение – скважность сигнала от 0 до 255. При значении 255 максимальное напряжение.
Способы управления светодиодами через Ардуино
Напрямую через порт можно подключить лишь слабый светодиод, да и то лучше через ограничительный резистор. Попытка подключить более мощную нагрузку выведет его из строя.
Для более мощных нагрузок, в том числе светодиодных лент, используют электронный ключ – транзистор.
Виды транзисторных ключей
- Биполярный;
- Полевой;
- Составной (сборка Дарлингтона).
| Способы подключения нагрузки | ||
|---|---|---|
| Через биполярный транзистор | Через полевой транзистор | Через коммутатор напряжения |
 |  |  |
При подаче высокого логического уровня (digitalWrite(12, HIGH);) через порт вывода на базу транзистора через цепочку коллектор-эмиттер потечет опорное напряжение на нагрузку. Таким образом можно включать и отключать светодиод.
Аналогичным образом работает и полевой транзистор, но поскольку у него вместо «базы» сток, который управляется не током, а напряжением, ограничительный резистор в этой схеме необязателен.
Биполярный вид не позволяет регулировать мощные нагрузки. Ток через него ограничен на уровне 0,1-0,3А.
Полевые транзисторы работают с более мощными нагрузками с током до 2А. Для ещё более мощной нагрузки используют полевые транзисторы Mosfet с током до 9А и напряжением до 60В.
Вместо полевых можно использовать сборку Дарлингтона из биполярных транзисторов на микросхемах ULN2003, ULN2803.
Микросхема ULN2003 и принципиальная схема электронного коммутатора напряжения:
Принцип работы транзистора для плавного управления светодиодной лентой
Транзистор работает как водопроводный кран, только для электронов. Чем выше напряжение, подаваемое на базу биполярного транзистора либо сток полевого, тем меньше сопротивление в цепочке эмиттер-коллектор, тем выше ток, проходящий через нагрузку.
Подключив транзистор к аналоговому порту Ардуино, присваиваем ему значение от 0 до 255, изменяем напряжение, подаваемое на коллектор либо сток от 0 до 5В. Через цепочку коллектор-эмиттер будет проходить от 0 до 100% опорного напряжения нагрузки.
Для управления светодиодной лентой arduino необходимо подобрать транзистор подходящей мощности. Рабочий ток для питания метра светодиодов 300-500мА, для этих целей подойдет силовой биполярный транзистор. Для большей длины потребуется полевой транзистор.
Схема подключения LED ленты к ардуино:
Управление RGB лентой с помощью Andurino
Кроме однокристальных светодиодов, Ардуино может работать и с цветными LED. Подключив выводы каждого цвета к аналоговым выходам Ардуино можно произвольно изменять яркость каждого кристалла, добиваясь необходимого цвета свечения.
Схема подключения к Arduino RGB светодиода:
Аналогично построено и управление RGB лентой Arduino:
Аrduino RGB контроллер лучше собирать на полевых транзисторах.
Для плавного управления яркостью можно использовать две кнопки. Одна будет увеличивать яркость свечения, другая уменьшать.
Скетч управления яркостью светодиодной ленты Arduino
int led = 120; устанавливаем средний уровень яркости
void setup() {
pinMode(4, OUTPUT);
устанавливаем 4й аналоговый порт на вывод
pinMode(2, INPUT);
pinMode(4, INPUT);
устанавливаем 2й и 4й цифровой порт на ввод для опроса кнопок
}
void loop(){
button1 = digitalRead(2);
button2 = digitalRead(4);
if (button1 == HIGH)
нажатие на первую кнопку увеличит яркость
{
led = led + 5;
analogWrite(4, led);
}
if (button2 == HIGH)
нажатие на вторую кнопку уменьшит яркость
{
led = led — 5;
analogWrite(4, led);
}
При удержании первой или второй кнопки плавно изменяется напряжение, подаваемое на управляющий контакт электронного ключа. Тогда и произойдет плавное изменение яркости.
Модули управления Ардуино
Для создания полноценного драйвера управления светодиодной лентой можно использовать модули-датчики.
ИК-управление
Модуль позволяет запрограммировать до 20 команд.
Радиус сигнала около 8м.
Цена комплекта 6 у.е.
По радиоканалу
Четырёхканальный блок с радиусом действия до 100м
Цена комплекта 8 у.е.
Позволяет включать освещение еще при приближении к квартире.
Бесконтактное
Датчик расстояния способен по движению руки увеличивать и уменьшать яркость освещения.
Радиус действия до 5м.
Цена модуля 0,3 у.е.
На этом занятии мы будем использовать цифровые и аналоговые выходы с «широтно импульсной модуляцией» на плате Arduino для включения RGB светодиода с различными оттенками. Использование RGB LED ленты позволяет создать освещение интерьера с любым оттенком цвета. Расскажем про устройство и распиновку полноцветного (RGB) светодиода и рассмотрим директиву #define в языке C++.
Устройство и назначение RGB светодиода
Для отображения всей палитры оттенков вполне достаточно три цвета, используя RGB синтез (Red - красный, Green - зеленый, Blue - синий). RGB палитра используется не только в графических редакторах, но и в сайтостроении . Смешивая цвета в разной пропорции можно получить практически любой цвет. Преимущества RGB светодиодов в простоте конструкции, небольших габаритах и высоком КПД светоотдачи.
RGB светодиоды объединяют три кристалла разных цветов в одном корпусе. RGB LED имеет 4 вывода — один общий (анод или катод имеет самый длинный вывод) и три цветовых вывода. К каждому цветовому выходу следует подключать резистор. Кроме того, модуль RGB LED Arduino может сразу монтироваться на плате и иметь встроенные резисторы — этот вариант более удобный для занятий в кружке .
Фото. Распиновка RGB светодиода и модуль с RGB светодиодом для Ардуино
Распиновка RGB светодиода указана на фото выше. Заметим также, что для многих полноцветных светодиодов необходимы светорассеиватели, иначе будут видны составляющие цвета. Далее подключим RGB светодиод к Ардуино и заставим его светится всеми цветами радуги с помощью «широтно импульсной модуляции».
Управление RGB светодиодом на Ардуино
Аналоговые выходы на Ардуино используют «широтно импульсную модуляцию» для получения различной силы тока. Мы можем подавать на все три цветовых входа на светодиоде различное значение ШИМ-сигнала в диапазоне от 0 до 255, что позволит нам получить на RGB LED Arduino практически любой оттенок света.
Для занятия нам понадобятся следующие детали:
- плата Arduino Uno / Arduino Nano / Arduino Mega;
- макетная плата;
- RGB светодиод;
- 3 резистора 220 Ом;
- провода «папа-мама».
Фото. Схема подключения RGB LED к Ардуино на макетной плате
Модуль «RGB светодиод» можно подключить напрямую к плате, без проводов и макетной платы. Подключите модуль с полноцветным RGB светодиодом к следующим пинам: Минус — GND, B — Pin13, G — Pin12, R — Pin11 (смотри первое фото). Если вы используете RGB LED (Light Emitting Diode), то подключите его по схеме на фото. После подключения модуля и сборки схемы на Ардуино загрузите скетч.
Скетч для мигания RGB светодиодом
#define RED 11 // Присваиваем имя RED для пина 11 #define GREEN 12 // Присваиваем имя GREEN для пина 12 #define BLUE 13 // Присваиваем имя BLUE для пина 13 void setup () { pinMode(RED, OUTPUT ); pinMode(GREEN, OUTPUT ); // Используем Pin12 для вывода pinMode(BLUE, OUTPUT ); // Используем Pin13 для вывода } void loop () { digitalWrite (RED, HIGH ); // Включаем красный свет digitalWrite (GREEN, LOW ); digitalWrite (BLUE, LOW ); delay (1000); digitalWrite (RED, LOW ); digitalWrite (GREEN, HIGH ); // Включаем зеленый свет digitalWrite (BLUE, LOW ); delay (1000); // Устанавливаем паузу для эффекта digitalWrite (RED, LOW ); digitalWrite (GREEN, LOW ); digitalWrite (BLUE, HIGH ); // Включаем синий свет delay (1000); // Устанавливаем паузу для эффекта }Пояснения к коду:
- с помощью директивы #define мы заменили номер пинов 11, 12 и 13 на соответствующие имена RED , GREEN и BLUE . Это сделано для удобства, чтобы не запутаться в скетче и понимать какой цвет мы включаем;
- в процедуре void setup() мы назначили пины 11, 12 и 13, как выходы;
- в процедуре void loop() мы поочередно включаем все три цвета на RGB LED.
- с помощью директивы #define мы заменили номер пинов 9, 10 и 11 на соответствующие имена RED , GREEN и BLUE . Это сделано для удобства, чтобы не запутаться в скетче и понимать какой цвет мы включаем;
- пины 11, 12 и 13 мы использовали, как аналоговые выходы analogWrite .
Плавное управление RGB светодиодом
Управление rgb светодиодом на Arduino можно сделать плавным, используя аналоговые выходы с «широтно импульсной модуляцией». Для этого цветовые входы на светодиоде необходимо подключить к аналоговым выходам, например, к пинам 11, 10 и 9. И подавать на них различные значения ШИМ (PWM) для различных оттенков. После подключения модуля с помощью проводов «папа-мама» загрузите скетч.
