Suporte de garrafa musical com luzes ajustáveis: 14 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:36

Há algum tempo, um amigo meu encomendou um anel LED de 16 bits para mexer e, ao fazê-lo, teve a ideia de colocar uma garrafa em cima dele. Quando vi, fiquei fascinado com o olhar da luz iluminando o frasco e me lembrei do incrível projeto "Mc Lighting" do usuário do Hackaday Tobias Blum:

hackaday.io/project/122568-mc-lighting

Um aspecto de seu projeto foi controlar os LEDs WS2812 por meio de uma interface da web escrita por ele mesmo, sem o uso de qualquer serviço externo. Inspirado por sua abordagem de controlar um anel de LED, decidi combinar essas duas ideias e levá-las para o próximo nível. Em minha mente, eu tinha um suporte de garrafa para até três garrafas, controlável através de uma página da web local, com vários raios modos, incluindo aqueles que interagem com a música ambiente. Para criar um dispositivo portátil, ele é alimentado por uma célula de bateria de íon de lítio.

Neste instrutível, passarei pelo processo de construção e ensinarei a você sobre sua função subjacente. Depois disso, você deve ser capaz de construir sua própria versão e ter uma ideia sobre como adicionar webcontrol a um projeto sem usar nenhum serviço externo.

Etapa 1: Opções de construção

Quando se trata da eletrônica deste projeto, você pode usar uma placa NodeMCU, que é fácil de usar e bastante barata, ou você pode construir sua própria placa como eu. Não há nenhum benefício particular em fazer isso, eu apenas tinha um chip ESP8226-12E por aí e decidi usá-lo para que pudesse manter a placa NodeMCU para prototipagem rápida. Há apenas uma grande diferença: você precisa de uma placa USB de 3,3 V para a placa serial para programar a placa controladora feita por você mesmo. Apesar disso, não faz diferença o tipo que você escolher, apenas tenha isso em mente quando se trata das peças necessárias.

No entanto, existe uma opção que faz uma grande diferença: o modo de música. Se você decidir incluí-lo, o suporte para garrafas pode ser usado como um medidor VU e, além disso, pode mudar a cor dos LEDs sempre que o baixo da música atingir um determinado limite. No entanto, isso requer algum hardware adicional. Você deve construir um amplificador que amplifique a saída de uma cápsula de microfone condensador e um filtro passa-baixa para as frequências graves. Embora possa parecer difícil, realmente não é. Ele não requer nenhuma peça especial e eu recomendo fortemente incluir este circuito, pois aprimora muito o dispositivo.

Etapa 2: peças e materiais necessários

O caso:

Talvez a parte mais difícil deste projeto seja o caso. Como queria experimentar algo novo, decidi usar placas de MDF com espessura de 18 mm e pintá-las. Comparado com outros tipos de madeira / materiais, o MDF tem a vantagem de que sua superfície pode ser lixada de maneira especialmente lisa e, portanto, a pintura pode parecer extremamente brilhante. Além disso, você precisa de um pouco de vidro acrílico com uma espessura de 4 mm como cobertura dos anéis de LED.

A caixa tem 33 cm de comprimento e 9 cm de largura, por isso recomendo uma placa com as seguintes dimensões:

Placa MDF 400 x 250 x 18 mm

As tampas de anel de LED têm um diâmetro de cerca de 70 mm, portanto, sua placa de vidro acrílico deve ter pelo menos as seguintes dimensões:

Placa acrílica 250 x 100 x 4 mm

Para pintar comprei 125ml de tinta acrílica branca e 125ml de verniz brilhante. Além disso, recomendo que você use um rolo de espuma, pois isso permite que você aplique a tinta de forma mais uniforme. Para a parte de lixar usei uma folha de lixa com grão 180, uma com 320 e outra com 600.

Eletrônicos:

Para a parte eletrônica, você precisa de três anéis de LED WS2812 de 16 bits. Só tome cuidado, pois encontrei dois tipos de anéis LED de 16 bits, você precisa daqueles com o diâmetro maior (cerca de 70 mm) e, portanto, o maior vão entre os LEDs.

Para a fonte de alimentação, você precisa de uma célula de bateria de íon de lítio, um carregador correspondente e um switch. Além disso, você precisa de um regulador de tensão de 3,3 V com baixa tensão de queda (LDO) e dois capacitores para alimentar o microcontrolador. Eu explico por que você precisa do regulador LDO na etapa 7.

Se você decidir construir o amplificador de música opcional e circuito de filtro, você precisa de um Op-Amp e alguns componentes passivos. E se você optar por criar sua própria unidade de controle, você precisa do chip ESP, uma placa de breakout, alguns resistores, um botão e alguns pinos.

E eu recomendo fortemente um pedaço de perfboard para soldar tudo nele.

Anel de LED

Célula de íon de lítio de 3,7 V (recuperei uma do tipo TW18650 de uma bateria não utilizada)

Carregador de íons de lítio

Switch (nada de especial, usei um antigo que recuperei de um conjunto de caixas de som quebradas)

Regulador de tensão LDO (adicionalmente os capacitores mencionados na ficha técnica: capacitor de cerâmica 2 x 1uF)

perfboard

Circuito musical (opcional):

De acordo com o esquema

Microcontrolador:

NodeMCU

ESP8266 12E (placa adaptadora, botão, resistores e pinos de acordo com o esquema)

USB para serial (necessário para programar a placa controladora de fabricação própria; se você já tiver uma, não há necessidade de obter outra)

Etapa 3: Fresagem da Caixa

Um amigo meu construiu para si um MP-CNC e foi muito gentil em fresar-me as duas peças de MDF e os três anéis de acrílico. As partes de madeira são a parte superior e inferior de uma caixa em forma de pílula. No topo da caixa, há três locais para os anéis de LED e suas tampas de acrílico. Como esses aprofundamentos são projetados para serem apenas uma fração maiores que os PCBs, eles se encaixam e assentam no lugar sem a necessidade de cola ou parafusos. O mesmo vale para as tampas de acrílico. Por terem um diâmetro maior do que os anéis de LED, eles são colocados em uma borda acima dos LEDs (veja a imagem).

Etapa 4: Conclua o caso

Você deve ter notado que agora, há várias coisas faltando na caixa fresada. Coisas como orifícios para os cabos do anel, um orifício para a entrada USB e um bolso para a bateria. Além disso, se você optar por incluir o circuito de música, um orifício para o microfone também é necessário. Além disso, eu recomendo que você faça furos sob os anéis de LED para que possa empurrá-los para fora da caixa. Usei uma ferramenta de retificação rotativa para adicionar os orifícios descritos acima.

Na terceira foto, você pode ver a "manutenção" e os furos para o cabo do anel. Como você já deve ter notado, criei dois orifícios para cabos. Isso não foi de propósito. Isso foi em um estágio inicial em que pensei que os ângulos dos anéis não seriam importantes, mas não são. Monte todos os três com seus cabos do mesmo lado. Acabei montando-os na parte da frente.

Importante: Sempre use uma máscara contra poeira ao serrar, furar ou fresar em MDF. O mesmo vale para lixar.

Etapa 5: Concluindo o caso

Agora o caso é pintado. Antes de fazer isso, recomendo que você assista ou leia um tutorial sobre isso, pois isso se provou mais difícil do que eu pensava. Este cobre tudo que você precisa saber sobre o assunto.

Primeiro, lixe bem a parte externa das peças de MDF. Usei o papel grão 160 para isso. Depois disso, muitos tutoriais recomendam a vedação da superfície, principalmente nas bordas, com um primer especial de MDF. Eu pulei esta parte porque o primer é muito caro e, mesmo que o resultado não seja tão bom quanto poderia ter sido, eu faria isso novamente.

Depois, você pode começar a pintar a superfície na cor desejada. Decidi pintar o meu com um branco claro. Espere a cor secar, depois lixe com lixa fina (usei a areia 320), retire o pó e aplique a próxima camada de cor. Repita esse processo até ficar satisfeito com a opacidade da coloração. Eu apliquei quatro camadas de cor.

Após a última camada de cor, lixe com uma lixa ainda mais fina do que antes (no meu caso a areia 600) e retire todo o pó que ficou na superfície. Depois disso, você pode aplicar a primeira camada do verniz brilhante. Tal como acontece com a cor, aplique quantas camadas forem necessárias para satisfazê-lo. Usei três para a parte superior e as laterais e dois para a parte inferior. Você pode ver o resultado em uma das fotos. Embora a superfície pudesse ser mais lisa (mais lixamento e primer de MDF), estou feliz com o efeito de brilho obtido.

Etapa 6: Preparando os anéis

Paralelamente ao processo de secagem da primeira camada de cor, você pode lixar os anéis de vidro acrílico. Depois disso, esses anéis difundem a luz emitida pelos anéis LED. Falando nisso, eu experimentei que as PCBs desses anéis tinham algumas bordas indesejadas remanescentes do processo de produção, então você pode precisar rebarbá-las. Caso contrário, eles não caberão no caso.

Depois, alguns fios precisam ser soldados aos anéis. Eu recomendo que você use fio flexível. Usei um rígido e tive o problema de que eles separaram as duas partes do case, o que exigiu uma dobra feia. Além disso, é mais provável que o fio rígido se quebre, o que resulta em um processo de solda desagradável, já que é necessário retirar o anel correspondente e a placa controladora do gabinete.

Etapa 7: Fonte de alimentação

Uma única célula de bateria de íon de lítio é usada como fonte de alimentação. É carregado através do circuito do carregador. Este circuito possui uma proteção contra sobrecarga e sobrecarga de corrente. Para desligar o dispositivo, um interruptor que interrompe a saída positiva da placa do carregador está embutido.

Como a tensão máxima da célula da bateria é de 4,2 V, o ESP8266 não pode ser alimentado diretamente. A tensão é muito alta para o microcontrolador de 3,3 V, pois ele só sobrevive a tensões entre 3,0 V - 3,6 V. Um regulador de tensão de baixa queda (LDO) é um regulador de tensão que funciona mesmo quando a tensão de entrada está próxima da tensão de saída especificada. Portanto, uma queda de tensão de 200 mV para um LDO de 3,3 V significa que ele produz 3,3 V enquanto a tensão de entrada estiver acima de 3,5 V. Quando ele ultrapassa esse valor, a tensão de saída começa a diminuir. Como o ESP8266 trabalha com tensões de até 3,0 V, ele funciona até que a tensão de entrada do LDO caia para cerca de 3,3 V (a descida não é linear). Isso nos permite alimentar o controlador por meio da célula da bateria até que esteja completamente descarregada.

Etapa 8: placa do microcontrolador

Se você usar uma placa NodeMCU, esta etapa é bastante simples. Basta conectar a saída de 3,3V e o aterramento da fonte de alimentação em um dos pinos 3V e G da placa. Além disso, recomendo soldar a placa em um pedaço de perfboard, pois isso torna mais fácil conectar tudo.

Caso você decida construir sua própria placa controladora, o primeiro passo é soldar o chip ESP à placa adaptadora. Depois disso, adicione todos os componentes e conexões conforme mostrado no esquema. Os dois botões são necessários para reiniciar e piscar o controlador. Você pode notar nas fotos a seguir que eu uso apenas um botão. A razão para isso é que acabei de encontrar um por aí, então, em vez do botão para GPIO0, uso dois pinos e um jumper.

Você pode ver meu circuito concluído na próxima etapa.

Etapa 9: Circuito de música (opcional)

Como entrada para a música, é utilizada uma cápsula de microfone condensador simples. Ele é alimentado por um resistor limitador de corrente conectado ao barramento de alimentação de 3,3V. Em suma, a cápsula funciona como um capacitor, então quando as ondas sonoras atingem seu diafragma, sua capacidade, e análoga a isso, sua voltagem, muda. Esta tensão é tão baixa que dificilmente podemos medi-la com o conversor analógico para digital (ADC) ESPs. Para mudar isso, amplificamos o sinal com um Op-Amp. A tensão de saída amplificada é então filtrada por um filtro passa-baixo passivo de primeira ordem com uma frequência de corte de cerca de 70Hz.

Se você decidir usar uma placa NodeMCU, você pode conectar a saída do circuito descrito acima ao pino A0 da placa. Se você deseja construir sua própria placa controladora, você deve adicionar um divisor de tensão ao circuito. A razão para isso é o ADC a bordo dos ESPs, que tem uma tensão de entrada máxima de 1V. O NodeMCU tem esse divisor de tensão já embutido, portanto, para que o código e o amplificador funcionem em ambas as placas, o próprio também precisa dele.

Etapa 10: Concluir e montar os eletrônicos

Primeiro, insira os anéis de LED nas cavidades designadas na parte superior da caixa. Em seguida, conecte a fonte de alimentação, o microcontrolador, os anéis e, se você montou, o circuito do amplificador conforme o esquema.

Aviso: antes de fazer isso, verifique novamente se desligou a energia usando o interruptor. Esqueci de fazer isso e fritei um regulador LDO durante a soldagem. Depois disso, você está pronto para montar os componentes eletrônicos dentro do gabinete.

Comecei fixando a célula da bateria no case com um pouco de cola quente. Depois disso, posicionei o circuito do carregador e verifiquei se poderia conectar um cabo USB ou não. Como eu não confiava na cola quente para suportar a força de empurrar o cabo várias vezes, martelei cuidadosamente pregos finos nas placas de solda do carregador para obter a tensão de entrada. Após o carregador, colei a cápsula do microfone no lugar.

Depois usei alguns pinos de arame tortos para consertar o microcontrolador. Esse método me permite retirar o controlador da caixa para reparos sempre que necessário, sem a necessidade de cortar a cola quente e estragar o MDF.

Agora, usei algumas braçadeiras e pinos de arame dobrados para montar os fios. A última coisa a fazer é inserir os anéis de cobertura de acrílico. Tenha cuidado ao fazer isso, para não danificar a pintura, pois é um ajuste bem apertado. Você pode até ter que reduzir o diâmetro interno e / ou externo dos anéis de acrílico, pois a placa de MDF absorveu um pouco de tinta e os aprofundamentos ficaram um pouco menores.

Etapa 11: Atualizando o microcontrolador

Depois de terminar a construção do hardware, tudo o que resta é a atualização do software. Usei o IDE do Arduino para isso. Mas antes de programar o controlador, você precisa adicionar algumas bibliotecas e selecionar a placa certa.

Bibliotecas

Você pode usar o Gerenciador de Biblioteca de IDEs (Sketch -> Incluir Bibliotecas -> Bibliotecas de Gerenciamento) para adicioná-los ou fazer o download e movê-los para a pasta de biblioteca de IDEs. Eu recomendo o gerenciador porque é mais conveniente, e você pode encontrar todas as bibliotecas necessárias lá.

DNSServer de Kristijan Novoselic (necessário para WiFiManager)

WiFiManager por tzapu e tablatronix (abre um AP onde você pode inserir suas credenciais de WiFi local)

WebSockets de Markus Sattler (necessário para a comunicação entre o dispositivo do usuário e o bottlestand)

Adafruit NeoPixel da Adafruit (necessário para controlar os anéis de LED)

Borda

Não importa que tipo de placa controladora você escolheu usar, em Ferramentas -> Placa, selecione NodeMCU 1.0 (Módulo ESP-12E). Certifique-se de que o tamanho do flash está definido para 4M (1M SPIFFS) e a velocidade de upload para 115200.

Piscando

Para atualizar a placa NodeMCU, simplesmente conecte-a ao seu computador, selecione a porta correta e carregue o programa. Atualizar a placa controladora feita por ele mesmo é um pouco mais complicado. Conecte seu conversor USB para serial aos três pinos da placa. Conecte GND e GND, RX e TX e TX e RX. Para entrar no modo de flash do controlador, reinicie-o com o botão RST e, ao fazê-lo, mantenha o botão GPIO0 pressionado. Depois disso, certifique-se de que sua placa conversora esteja configurada para 3,3V. Conclua o processo fazendo upload do programa.

Importante: Ligue o dispositivo antes de piscar.

Etapa 12: faça upload da página da web

Os arquivos necessários para a página da Web são armazenados na memória flash dos microcontroladores. Antes do primeiro uso, você deve carregá-los manualmente. Para fazer isso, ligue o dispositivo (talvez seja necessário carregá-lo primeiro). Os LEDs devem brilhar em vermelho (devido à minha câmera parece laranja na foto), o que significa que o suporte para garrafas não está conectado a uma rede. Após um curto período de tempo, um ponto de acesso WiFi denominado "bottleStandAP" deve abrir. A senha padrão é "12345678", você pode alterá-la no arquivo INO. Conecte seu smartphone / tablet / laptop a ele. Uma notificação deve aparecer e encaminhá-lo para uma página da web. Se nada disso acontecer, simplesmente abra seu navegador e digite 192.168.4.1. Nesta página, clique em Configurar WiFi e insira suas credenciais de rede. Depois disso, o ponto de acesso deve fechar e os LEDs mudarem para azul claro. Isso significa que o dispositivo foi conectado com sucesso à sua rede.

Agora você deve determinar o endereço IP dos dispositivos. Para fazer isso, você pode conectá-lo ao seu computador, abrir o Serial Monitor do Arduino IDE (a taxa de transmissão é 115200) e reiniciar o dispositivo. Alternativamente, você pode abrir a página da web do seu roteador WiFi. Depois de saber o IP do dispositivo, abra seu navegador e digite xxx.xxx.xxx.xxx/upload (onde os xs representam o IP do Bottlestands). Extraia os arquivos do.rar e carregue todos eles. Após isso basta digitar o IP do seu dispositivo e a página de controle deverá abrir. E com isso, você terminou de construir sua própria base para garrafas. Parabéns!

Etapa 13: A página da web

A página da web permite que você controle o seu suporte para garrafas. Quando você abre a página principal, você pode ver três círculos azuis no meio superior. Eles permitem que você selecione quais configurações de anel você deseja alterar. A roda de cores muda a cor dos anéis selecionados quando você clica nela. O campo abaixo mostra a cor que você selecionou. Ao pressionar o botão aleatório, os anéis selecionados são definidos para o modo de cor aleatória. Isso significa que a cor muda sempre que um ciclo do modo de respiração termina.

Na segunda página, você pode selecionar os diferentes modos. Cor fixa e brilho fixo fazem exatamente o que seu nome indica. O modo de respiração cria um efeito de "respiração", o que significa que o brilho dos anéis aumenta ao longo de um tempo personalizado até o máximo e, em seguida, diminui ao mínimo. O modo de ciclo acende apenas um LED por um determinado tempo, acende o próximo, o próximo e assim por diante. O modo de limite de música muda de cor sempre que o microfone detecta um sinal mais alto do que um limite de definição personalizado. Não é apenas a música que pode desencadear isso, as palmas, por exemplo, também podem. No modo VU meter, o número de LEDs que acendem depende do volume do baixo da música.

Nota: Você pode usar as réguas sem ativar os modos correspondentes. Por exemplo: Se você usar o modo de ciclo e alterar o brilho por meio da régua de brilho fixo, os anéis permanecerão no modo de ciclo, mas mudarão seu brilho de acordo com o que você definir.

Etapa 14: Como tudo isso funciona?

O princípio funcional é bastante fácil de entender. Sempre que você abre a página da web, o ESP8266 envia os arquivos da web para o seu dispositivo. Então, quando você altera algo na página, um caractere especial, geralmente seguido por um valor inteiro, é enviado ao microcontrolador por meio de uma conexão de websocket. O controlador então processa esses dados e altera as luzes de acordo.

A web part é escrita em html, css e javascript. Para facilitar essa tarefa, criei o framework Materialize CSS e o jQuery. Se você quiser mudar a aparência do site, dê uma olhada na documentação do framework. Alternativamente, você pode simplesmente escrever sua própria página e carregá-la. Você apenas deve estabelecer a conexão do websocket e enviar os mesmos dados.