Visualizador de áudio com faixa de LED RGB não endereçável: 6 etapas (com imagens)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:35

Eu tive uma faixa de LED RGB 12v em volta do gabinete da minha TV por um tempo e ela é controlada por um driver de LED chato que me permite escolher uma das 16 cores pré-programadas!

Eu ouço muita música que me mantém motivado, mas a iluminação simplesmente não define o clima certo. Para consertar isso decidi pegar o sinal de áudio que foi dado ao meu alto-falante através do AUX (conector de 3,5 mm), processar e controlar a faixa RGB de acordo.

Os LEDs reagem à música com base na magnitude das frequências graves (baixas), agudas (médias) e altas.

A faixa de frequência - a cor é a seguinte:

Baixo - Vermelho

Médio - Verde

Alto - Azul

Este projeto envolve muitas coisas DIY porque todo o circuito foi construído do zero. Isso deve ser muito fácil se você estiver configurando em uma placa de ensaio, mas bastante desafiador soldá-lo em uma placa de circuito impresso.

Suprimentos

(x1) Faixa LED RGB

(x1) Arduino Uno / Nano (Mega é recomendado)

(x1) TL072 ou TL082 (TL081 / TL071 também são adequados)

(x3) TIP120 NPN Transistor (TIP121, TIP122 ou MOSFETs N-Channel como IRF540, IRF 530 também são adequados)

(x1) potenciômetro linear de 10kOhm

(x3) resistores de 1/4 watt de 100kOhm

(x1) capacitor eletrolítico de 10uF

(x1) capacitor de cerâmica 47nF

(x2) Conector de áudio de 3,5 mm - Fêmea

(x2) bateria de 9V

(x2) conector de encaixe de bateria de 9 V

Etapa 1: Compreendendo os tipos de fitas de LED RGB

Existem dois tipos básicos de faixas de LED, o tipo "analógico" e o tipo "digital".

As tiras do tipo analógico (fig. 1) têm todos os LEDs conectados em paralelo e, portanto, funcionam como um grande LED tricolor; você pode definir a faixa inteira com qualquer cor desejada, mas não pode controlar as cores individuais dos LEDs. Eles são muito fáceis de usar e relativamente baratos.

As tiras do tipo digital (fig. 2) funcionam de maneira diferente. Eles têm um chip para cada LED, para usar a faixa você tem que enviar dados codificados digitalmente para os chips. No entanto, isso significa que você pode controlar cada LED individualmente! Devido à complexidade extra do chip, eles são mais caros.

Se você está achando difícil identificar fisicamente as diferenças entre as tiras analógicas e digitais,

1. O tipo anolog usa 4 pinos, 1 positivo comum e 3 negativos, ou seja, um para cada cor de RGB.
2. O tipo digital usa 3 pinos, positivo, dados e terra.

Vou usar as tiras do tipo analógico, porque

1. Existem muito poucos ou nenhum Instructables que ensinam como fazer uma faixa do tipo analógica reativa à música. A maioria deles se concentra no tipo digital e é mais fácil fazê-los reagir à música.
2. Eu tinha algumas tiras do tipo analógico espalhadas.

Etapa 2: amplificando o sinal de áudio

O sinal de áudio enviado pela entrada de áudio é

um sinal analógico que oscila entre + 200mV e -200mV. Agora, isso é um problema é que queremos medir o sinal de áudio com uma das entradas analógicas do Arduino porque as entradas analógicas do Arduino só podem medir tensões entre 0 e 5V. Se tentássemos medir as tensões negativas no sinal de áudio de, o Arduino iria ler apenas 0 V e acabaríamos cortando a parte inferior do sinal.

Para resolver isso, temos que amplificar e compensar os sinais de áudio para que fiquem dentro de uma faixa de 0-5V. Idealmente, o sinal deve ter uma amplitude de 2,5 V que oscila em torno de 2,5 V, de forma que sua tensão mínima seja 0 V e sua tensão máxima seja 5 V.

Amplificação

O amplificador é a primeira etapa do circuito, ele aumenta a amplitude do sinal de cerca de + ou - 200mV para + ou - 2,5V (idealmente). A outra função do amplificador é proteger a fonte de áudio (o que está gerando o sinal de áudio em primeiro lugar) do resto do circuito. O sinal amplificado de saída fornecerá toda a sua corrente do amplificador, de modo que qualquer carga colocada nele posteriormente no circuito não será "sentida" pela fonte de áudio (o telefone / iPod / laptop no meu caso). Faça isso configurando um dos amplificadores operacionais no pacote TL072 ou TL082 (fig. 2) em uma configuração de amplificador não inversor.

O datasheet do TL072 ou TL082 diz que ele deve ser alimentado com +15 e -15V, mas como o sinal nunca será amplificado acima de + ou - 2,5V está certo rodar o op-amp com algo mais baixo. Usei duas baterias de nove volts conectadas em série para criar uma fonte de alimentação de + ou - 9V.

Conecte seu + V (pino 8) e –V (pino 4) ao amplificador operacional. Conecte o sinal do conector mono à entrada não inversora (pino 3) e conecte o pino de aterramento do conector à referência de 0 V em sua fonte de tensão (para mim, essa era a junção entre as duas baterias de 9 V em série). Conecte um resistor de 100kOhm entre a saída (pino 1) e a entrada inversora (pino 2) do amplificador operacional. Neste circuito, usei um potenciômetro de 10kOhm conectado como um resistor variável para ajustar o ganho (a quantidade que o amplificador amplifica) do meu amplificador não inversor. Conecte este potenciômetro cônico linear de 10K entre a entrada inversora e a referência de 0V.

DC Offset

O circuito DC offset tem dois componentes principais: um divisor de tensão e um capacitor. O divisor de tensão é feito de dois resistores de 100k conectados em série da fonte de 5 V do Arduino ao aterramento. Como os resistores têm a mesma resistência, a tensão na junção entre eles é igual a 2,5 V. Esta junção de 2,5 V está ligada à saída do amplificador por meio de um capacitor de 10uF. Conforme a tensão no lado do amplificador do capacitor aumenta e diminui, ela faz com que a carga se acumule momentaneamente e se repele do lado do capacitor conectado à junção de 2,5 V. Isso faz com que a tensão na junção de 2,5 V oscile para cima e para baixo, centralizada em torno de 2,5 V.

Conforme mostrado no esquema, conecte o terminal negativo de um capacitor de 10uF à saída do amplificador. Conecte o outro lado da tampa à junção entre dois resistores de 100k conectados em série entre 5 V e o terra. Além disso, adicione um capacitor 47nF de 2,5 V ao aterramento.

Etapa 3: Decompondo o sinal em uma soma de sinusóides estacionários - teoria

O sinal de áudio enviado por qualquer conector de 3,5 mm está no

faixa de 20 Hz a 20 kHz. É amostrado a 44,1 kHz e cada amostra é codificada em 16 bits.

Para desconstruir as frequências elementares básicas que compõem o sinal de áudio, aplicamos a transformada de Fourier ao sinal, que decompõe o sinal em uma soma de sinusóides estacionários. Em outras palavras, a análise de Fourier converte um sinal de seu domínio original (geralmente tempo ou espaço) em uma representação no domínio da frequência e vice-versa. Mas computá-lo diretamente da definição costuma ser lento demais para ser prático.

As figuras mostram como o sinal se parece no domínio do tempo e da frequência.

É aqui que o algoritmo Fast Fourier Transform (FFT) é bastante útil!

Por definição, Um FFT calcula rapidamente essas transformações fatorando a matriz DFT em um produto de fatores esparsos (principalmente zero). Como resultado, consegue reduzir a complexidade do cálculo da DFT de O (N2), que surge se alguém simplesmente aplicar a definição de DFT, a O (N log N), onde N é o tamanho dos dados. A diferença na velocidade pode ser enorme, especialmente para longos conjuntos de dados onde N pode estar na casa dos milhares ou milhões. Na presença de erro de arredondamento, muitos algoritmos FFT são muito mais precisos do que avaliar a definição DFT direta ou indiretamente.

Em termos simples, significa apenas que o algoritmo FFT é uma maneira mais rápida de calcular a transformada de Fourier de qualquer sinal. Isso geralmente é usado em dispositivos com baixo poder de computação.