Светодиодная елка своими руками

Добавил пользователь Алексей Ф.
Обновлено: 05.10.2024

"Как Новый год встретишь - так его и проведешь" - давно ставшая крылатой фраза, в какой-то степени заставляющая заранее готовиться к самому любимому празднику. И если такие традиционные атрибуты, как оливье и мандарины, незаменимы, то выбор различных инсталляций и украшений ежегодно заставляет ломать голову, радиолюбителям и электронщикам - в особенности.

Просмотренные в Интернете видео с поделками на "умных" светодиодах WS2812B сразу породили множество идей их применения. В конце ноября мне наконец-то пришла долгожданная, заказанная на eBay лента из 200 диодов. Доставка бесплатна, стоимость одного диода - около шести рублей. И так как до Нового года оставался всего месяц, я решил совместить приятное с полезным - и с подключением диодов разобраться, и к празднику подготовиться.

WS2812B - трехцветный светодиод с интегрированным драйвером и схемой, реализующей протокол управления. Имеет 4 вывода, как и "обычный" RGB-диод, однако их назначение отличается: два вывода отведены под питание схемы, один вывод под вход данных, и один - под выход (диоды можно соединять последовательно). Нет необходимости придумывать сложные алгоритмы для регулировки яркости и цвета каждого диода - разработчику достаточно передать в цепочку диодов последовательность байт и выдержать необходимые временные интервалы - после чего цепочка будет гореть заданным цветом либо до подачи другой последовательности, либо до отключения питания. При этом расходуется всего один вывод МК или ПЛИС!

В даташите на диоды (прикреплен в конце статьи) подробно расписаны все характеристики, здесь же приведу наиболее важные параметры:

размер одного диода 5х5 мм, корпус - для поверхностного монтажа;
напряжение питания - 3,5. 5,3В;
максимальное количество диодов в одной цепочке - 1024, при частоте обновления 30 кадров в секунду. Стоит заметить, что подключить такое число диодов возможно при идеальном следовании таймингам протокола, что бывает проблематично;
светодиоды реализуют RGB-модель: каждый цвет кодируется одним байтом - теоретически возможно получить более 16 млн цветов. Однако на глаз разница между даже не столь близкими цветами незаметна.

Схема подключения диодов выглядит следующим образом:

При подаче питания диоды не инициализированы и горят синим цветом. Для инициализации цепочки диодов требуется выполнить следующие действия:

Передать 8 бит G7..G0 для установки зеленого цвета первого диода;
Передать биты R7..R0 для установки красного цвета;
Передать биты B7..B0 для установки синего цвета;
Повторить пункты 1-3 для второго, третьего и др. диодов. То есть, после инициализации первого диода, данные начинают проходить через него на следующий диод;
Установить на входе логический "0" как минимум на 50 мкс, после чего все инициализированные диоды примут заданный цвет.

Передача единиц и нулей осуществляется не непосредственно, но выдержкой определенных временных интервалов; суммарное время передачи одного бита - 1,25 мкс, настройки одного светодиода - 30 мкс. На практике требуется соблюсти лишь длительность высокого уровня, длительность низкого может выходить из пределов в большую сторону.

Далее я подробно прокомментирую программу, которая инициализирует диоды, отвечает за управление и смену эффектов. Программа написана на языке ассемблера, проект в среде ATmelStudio 6.2 прикреплен в конце статьи. Будет рассмотрена только логика загрузки и переключения эффектов; очевидные вещи, вроде инициализации стека и настройки прерываний и портов, опущены. Также подразумевается, что цепочка диодов подключена к порту PD7 контроллера, рабочая частота - 8 МГц.

Идея программы заключается в следующем. Имеется некий набор эффектов, которые поочередно требуется выводит на светодиоды. Эффект характеризуется:

частотой кадров;
временем работы;
"интеллектуальностью". "Умным" называется эффект, который проще запрограммировать (например, плавные переливы цветов, одинаковые для многих эффектов); "глупый" же эффект описывается покадрово, массивом.

Перед объяснением логики работы следует пояснить, для чего нужны следующие регистры и константы:

Учитывая приведенные выше характеристики эффекта, он выглядит примерно следующим образом:

В первой строке находятся 4 байта характеристик:

два байта настройки прерывания таймера, определяющие частоты смены кадров. В данном случае частота - 15 кадров/сек;
байт длительности эффекта (в кадрах). Данный эффект продлится 16 секунд;
байт "умности" эффекта. Так как данный эффект (перелив) проще запрограммировать, байт равен единице.

Далее в массиве следуют:

51 байт цветовых характеристик каждого диода (в случае покадрового описания их было бы на порядок больше);
маркер конца массива.

Под хранение буфера и некоторых констант в ОЗУ выделено следующее количество места:

Хочется подробнее пояснить "программируемость" эффектов. Дело в том, что в массиве должны быть перечислены интенсивности каждого цвета (от 0 до 16). В свою очередь, данные значения умножаются на значения следующий регистров (заодно приведены константы-помощники в реализации перелива):

Произведение констант из массива и соответствующих регистров формируют таблицу цветов (ColorsTable) для каждого из диодов. В случае, если эффект программируется, значения регистров R,G,B можно динамически менять. Описание всех кадров такого эффекта нецелесообразно (требует слишком много памяти контроллера).

В случае, если эффект не программируемый, все кадры перечислены в массиве, а интенсивности вместо значений регистров умножаются на 15.

После получения таблицы цветов необходимо получить последовательность байт, которая будет загружаться непосредственно в диоды. Это выполняет следующая функция:

То есть, данная функция преобразует один байт в четыре, которые будут загружаться в диоды.

Откуда взялась волшебная константа 0х88? Нужная длительность низких и высоких уровней формируется путем выдерживания определенного значения на выходе порта. Команды lsl - nop - out выполняются за три такта, то есть за 375 нс, что укладывается в допустимую погрешность. Таким образом, передача нуля сводится к загрузке последовательности 1000, а единицы - 1100. То есть, в одном байте передаются два бита, а в двенадцати байтах - настройки одного диода (24 бита = 3 байта G,R,B), что сразу делает понятной данную строку:

.equ BUFFER_SIZE = LED_COUNT*12+1 ;размер буфера (будет пояснено позднее)

Именно поэтому в начале байт равен 0x88, функция ColorToBytes попросту выставляет единицы на позициях 6 и 2, если это необходимо, и загружает байт в выходной буфер.

В упомянутом выше прерывании таймера реализовано следующее:

загрузка следующего кадра эффекта;
если же эффект дошел "до конца", то следующим кадром будет являться начало эффекта;
если эффект отыграл установленное время, следующим кадром будет начало следующего эффекта;
если эффект "умный", будут изменены значения интенсивностей в регистрах.

Общий алгоритм работы представлен следующей блок-схемой:

Также в конце статьи прикреплен шаблон проекта, незначительная правка которого позволит очень быстро работать с WS2812B.

Осталось продемонстрировать готовое устройство на "умных" светодиодах - новогоднюю елку. Схема елки достаточно проста и приведена ниже:

Основной компонент схемы - микроконтроллер ATmega8A в TQFP-корпусе. Также я оставил две кнопки для будущей доработки елки. Остальные компоненты почти полностью представлены резисторами и конденсаторами типоразмера 0805. Питается елка от 5 Вольт через разъем micro-USB, что позволяет разместить елку где угодно при подключении к внешнему ЗУ типа PowerBank. Файл с ПП елки находится в архиве (плата двусторонняя).

Фото вырезанной на ЧПУ-станке платы (одна сторона):

Впервые в жизни попробовал вырезать плату из тонкого (0.3мм) текстолита, так как планировал закрепить елку на листе бумаги формата А3. Для больших плат механическая прочность такого текстолита низка; советую брать текстолит от 1 мм толщиной. На фото даже видно просвечивающие дорожки другой стороны!

Пайка и прошивка схемы трудностей вызвать не должны, все необходимые файлы прикреплены в конце статьи. Фото елки в работе (эффект северного сияния, фрагменты гирлянд):

Далее осталось закрепить (или не закреплять) елку на какой-либо поверхности либо опоре, задекорировать мишурой. В общем, здесь простор для творчества еще больше.

Небольшое видео работы (пример эффекта перелива):

В конце статьи прикреплен архив, где находятся:

исходный проект новогодней елки в AtmelStudio 6.2;
шаблон проекта в этой же среде;
файл печатной платы елки;
файл схемы елки;
прошивка елки;
FUSE-биты контроллера;
схема подключения диодов;
даташит на WS2812B.

Теперь у Вас есть почти 9 месяцев, чтобы подготовиться к следующему Новому году! А также поделиться предложениями, идеями и замечаниями в комментариях и на форуме.

Очень красивую елочку можно сделать при желании. И навряд ли еще у кого-нибудь будет такая. Можно даже данный девайс подарить кому-нибудь. Принцып работы елки довольно прост.

Я не буду приводить Вам платы, схемы, прошивки микроконтроллера, потому что считаю, что данная конструкция сложновата для повторения.

Но можно просто обойтись и без него, подключив через резистор светодиоды к питанию. Можно конечно обойтись и без платы и спаять каркас из медной проволоки диаметром более 1 мм. Вообщем думайте сами.

Познакомлю с принципом работы: На плате укреплены светодиоды с микроконтроллером. Микроконтролер служит для плавного переключения светодиодов между рядами и уменьшением затухания в перерыве. Вообще как напрограммируешь.

Ёлка всегда была светящейся. Сначала на ней были просто маленькие свечки в подсвечниках на прищепках (являвшиеся причиной многих пожаров), затем появились гирлянды из разноцветных электрических лампочек, потом гирлянды начали мигать по программе и хаотично. В XXI веке светотехническое оформление самодельных светящихся ёлочек из простейших материалов стало базироваться на светодиодах. Такая работа тоже доступна любому, кто способен спаять две проволочки своими руками.

Читайте в статье

Варианты исполнения ёлки

Ёлочки могут быть большими и маленьким, для установки во дворе или в комнате. Всевозможные конструкции объединяет одна, общая для всех вариантов, технологическая операция – изготовление каркаса будущего дерева.

Простейшим вариантом является крестообразное соединение двух картонных силуэтов. После сборки и склеивания эту ёлочку украшают такими же простыми игрушками.

Можно сделать из картона или плотной бумаги конус с размерами и формой предполагаемой ели. Дальше тоже есть варианты. Если ёлочка планируется маленькая, комнатная или настольная, то к этому конусу уже можно приклеивать ветви. Их тоже вырезают из картона. Если ель делают солидных размеров, то картонный конус используется как лекало для изготовления прочного каркаса.

На конус можно намотать спираль из проволоки. Если она алюминиевая, то диаметр проволоки 3–4 мм, если стальная мягкая – то 2–3 мм. Сверху вниз можно пустить несколько толстых ниток или тонких проволочек и скрепить их точечно в местах пересечения с основной. Конструкция будет более жёсткой. После этого можно заняться ветками. Их желательно сделать тоже из картона, палочек, да из чего угодно, из чего фантазия подскажет.

Каркас можно сделать и по другой технологии. В качестве нижнего основания взять проволочное кольцо, к нему накруткой в 2–3 витка одним концом прикрепить проволочные обрезки, свободные концы поднять вверх и там скрутить воедино. Опять же получится прочный конус. Все размеры самодельщик может соблюсти по желанию. К конусу следует прикрепить ветки.

Если ёлка будет установлена во дворе, то и размеры должны быть побольше и прочность конструкции соответствующая. Зато смотреться на природе она будет особенно романтично.

Статья по теме:

Ёлка и прочие поделки из ватных дисков на Новый год: инструкция по изготовлению ели, венка, гирлянды; мастер-класс по шарам, ангелочку, Деду Морозу, снеговику, снежинкам, капкейку, фото интересных решений и видео с подробным описанием процесса — в публикации.

Проблемы освещения ёлки

Освещение ёлки можно сделать тоже разными способами. Элементарным вариантом является окрашивание маленькой ёлочки или игрушек на большом дереве специальной фотолюминесцентной аэрозольной краской G-COLOR. Это светящаяся краска. Она светится в темноте и под воздействием ультрафиолетовых лучей. Существуют и другие краски с подобным свойством. Окрашенные игрушки, подвешенные на ниточки, в тёмной комнате создадут атмосферу таинственности.

Традиционное решение – это гирлянда электрических лампочек. В продаже раньше было много различных гирлянд с лампочками разной величины и раскраски. Теперь гирлянда из лампочек – это историческая экзотика. Более современное и экономичное решение – применение светодиодов. Они тоже существуют различной мощности, яркости свечения и цвета. Есть светодиоды мигающие. В продаже также имеются специальные коммутаторы, заставляющие светодиоды мигать в соответствии с программой. Умельцы создают программируемые контроллеры, которые заставляют светодиодную гирлянду мигать под музыку.

Подсветку ёлки можно организовать не только с помощью гирлянд. Из светодиодов легко спаять звёздочки, ромашки, контуры зверушек и много подобных силуэтов. Включать их можно индивидуально от маленьких аккумуляторов, а можно собрать единую электрическую цепь и включить в электросеть.

Ничуть не хуже вариант, при котором под ёлку прячут фонарик, свет от которого направлен сквозь ветки вверх.

Заключение

Люди с художественной фантазией и умелыми руками всегда найдут способ сделать праздник более красочным и интересным. Особенно радуются дети, которым удаётся сделать украшения своими руками. Такие игрушки ценятся выше покупных.

Техника безопасности и подготовка.

🎄 Лучше всего делать ёлочку на полу или на большом пустом столе, предварительно закрытых газетами. Можно и стужкой засыпать, пока вы вкручиваете саморезы или горячим клеем накапать.
🎄 Если у вас длинные волосы, лучше спрятать их под головной убор, чтобы волоски потом не оказались приклееными среди шариков.
🎄 Если вы делаете ёлочку с ребенком будьте максимально внимательны!

Необходимые материалы.

Елочные шарики из пластика — не менее 30-40 штук.

Доски — 3 шт.
Вы можете взять обычные струганные доски и оставить их как есть, а можете морилкой или краской придать им нужный цвет/оттенок. Но лакировать их нужно в любом случае, чтобы грязь не забивалась в древесину и была возможность после долгих месяцев на антресолях протереть ее без потерь для внешнего вида.
Спиленные по краям на нужное количество градусов по ширине, чтобы они могли прислоняться друг к другу вплотную, образуя треугольник выбранной вами конфигурации (узкий и высокий, равнобедренный). В конце статьи есть видео, там наглядно показано, что делать с углами😊👌.

⚠️ Гирлянда обязательно должна быть , т.к. светодиоды не греются, а значит, эта елочка будет пожаробезопасной.

Саморезы — 3 шт.
Если елочка у вас небольшая или досочки тонкие, то вы можете склеить их клеем. Но если она хотя бы в половину вашего роста или древесина толстая, то для надежности лучше использовать саморезы.

Я не стала приводить точных размеров досок или количества шариков, потому что таким образом можно сделать хоть маленькую ёлочку из малюсеньких шариков или даже бусин, так и огромную елку в торговый центр из макси-шаров.

Процесс изготовления треугольной светящейся ёлочки из шариков.

Шаг 1. Обрежьте доски под нужным вам углом и если планировали — проморите (а после высыхания покройте лаком) или покрасьте акриловой краской для дерева.

Вы можете дополнительно использовать шишки и искусственные елочные🌲 веточки и красные ягодки. Тут только ваша фантазия. Смотрите только, чтобы это все было крепким и в течении долгих лет держало свою форму и целостность!

В мастер-классе использовалась самая обычная недорогая светодиодная гирлянда на 30 светодиодов из ближайшего Фикс Прайса. Блок с батарейками крепиться сбоку на клей.

Во-первых, это дешевле, чем постоянно покупать батарейки.
У вас отпадает головная боль по утилизации батареек, ведь просто в мусор их выбрасывать нельзя!
Если вы все же хотите сделать нечто мобильное и питание от сети будет не удобным — лучше обзаведитесь такими прекрасными девайсами, как аккумуляторные батарейки. Их можно многократно заряжать и использовать очень долго. Это экономит в перспективе приличные деньги и хорошо для экологии.

Вот какая красавица в итоге должна примерно получится!

Видео-примеры

В дополнение ролики, которые могут дать вам некоторых идеи.

Еще пара очень интересных вариантов настольной Led-ёлочки своими руками.

Какую бы красавицу вы не сделали, она будет единственной в своем роде и оттого приобретет особую ценность. Такие вещи могут радовать нас в новогоднее время годами, если сделать их добротно и бережно хранить.

Текст и фото полностью авторские. Копирование любых элементов статьи возможно только с активной ссылкой на источник!

Читайте также: