RGB LED Maker Tree: 15 etapas (com imagens)

2025 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2025-01-13 06:58

Nosso makerpace local patrocinou uma árvore a ser exibida na Main Street no mês de dezembro (2018). Durante nossa sessão de brainstorming, tivemos a ideia de colocar uma quantidade absurda de LEDs na árvore no lugar de enfeites tradicionais. Como criadores que gostam de fazer as coisas um pouco exageradas, decidimos rapidamente que uma árvore que pudesse reproduzir animações não seria apenas divertida, mas também geraria algum buzz.

Pesquisei algumas soluções existentes que usavam controladores LED dedicados e decidi que uma fonte próxima simplesmente não serviria. Eu encontrei um excelente tutorial de Adafruit sobre o uso de seus controladores de LED "FadeCandy". Este pequeno tabuleiro já fez várias aparições no Burning Man e tem muitos exemplos bons para trabalhar. A árvore consiste em 24 fios de linhas de LED RGB individualmente endereçáveis, controladas por placas FadeCandy e alimentadas por uma única fonte de alimentação 5V 60A. Um Raspberry Pi fornece animações para as placas FadeCandy por meio de cabos micro-USB, que por sua vez se conectam aos fios de LED individuais. Os fios são dispostos radialmente para formar uma forma de cone / árvore, como visto acima.

O legal dessa configuração é que ela não se limita a um único uso. Os fios de LED podem ser reorganizados para formar várias formas, incluindo uma grade antiga regular. Esperamos reutilizar essa configuração para fazer uma exibição / jogo interativo para nosso próximo Mini MakerFaire na primavera.

Etapa 1: Lista de peças

• 2x - 5 V fios de LED WS2811 (20 fios x 50 pixels = 1000 pixels)
• 5x - Conectores à prova d'água de 3 pinos (pacote de 5)
• Tiras de montagem 24x - 12MM RGB
• 3x - controladores de LED Adafruit FadeCandy
• 6x - Blocos de Distribuição de Energia
• Fonte de alimentação 1x - 5 V 60 A (300 W)
• 1x- RJ-45 Punch Down Sockets (pacote de 10)
• 2x - fio de alimentação 22 AWG (65 pés)
• 1x - Kit de Conector Anderson
• 1x - porta-fusíveis em linha 12 AWG
• 3x - Invólucro do conector de crimpagem 2x8
• 1x - pinos de crimpagem fêmeas de 0,1 "(pacote com 100)
• 6x - Caixas elétricas à prova d'água
• Fusível 3x - 20A
• 1x - cabo de alimentação do computador
• 1x - Raspberry Pi 3
• 1x - Cartão MicroSD
• 24 pés - cabo CAT5 / CAT6
• 15 pés - fio 12 AWG (vermelho e preto)
• 6x - extremidades de crimpagem RJ-45
• 2x - 4x8 folhas de madeira compensada de 3/4"
• Ferro angular 2x - 4 '
• 200x - zíperes
• ~ 144x - Conectores de emenda à prova d'água (opcional, mas uma grande economia de tempo)
• Solda
• Heatshrink
• Calafetagem

Etapa 2: Visão geral do sistema elétrico

Conforme visto no diagrama acima, o sistema elétrico da árvore pode ser dividido em vários componentes principais: caixa de controle, caixas de junção de energia, caixas de junção de dados e fios de LED. A caixa de controle abriga a fonte de alimentação 5V 60A e o Raspberry Pi. As caixas de junção de dados contêm os controladores de LED FadeCandy. As caixas de junção de energia contêm barramentos para distribuir energia (5V e GND) para os fios de LED. Cada par de caixas de junção (um dado + um poder) controla oito fios de LED. Como há 24 fios de LEDs usados neste projeto, há três conjuntos de caixas de junção (seis no total).

* Há um erro no diagrama mostrado acima, o cabo CAT6 0 (cordões 0-7) deve ser (cordões 0-3) e o cabo CAT6 1 (cordões 7-15) deve ser (cordões 4-7).

Etapa 3: prenda os conectores à prova d'água

Como a árvore foi projetada para uso ao ar livre, um cuidado extra foi tomado para garantir que todas as conexões fossem à prova d'água. Para aqueles que desejam fazer um projeto interno semelhante, os conectores à prova d'água podem ser ignorados em favor dos conectores JST de 3 pinos que vêm com os fios de LED. Grande parte do trabalho neste projeto foi para soldar os conectores à prova d'água aos fios.

Para a nossa configuração, cortamos o conector JST existente do fio de LED e anexamos um conector à prova d'água de 3 pinos em seu lugar. Deve-se ter cuidado ao adicionar o conector no lado de "entrada" do filamento de LED, a conexão de dados nos filamentos de LED é direcional. Descobrimos que cada LED tinha uma pequena seta indicando a direção dos dados. Inicialmente, conectamos cada um dos três fios no lado do fio de LED usando uma técnica que envolve solda, termorretrátil e calafetagem. Eventualmente, passamos a usar esses conectores de emenda à prova d'água, o que provou ser uma grande economia de tempo.

No lado de alimentação / dados (ou seja, o lado ao qual os fios de LED se conectam), usamos fio 22 AWG para alimentação / aterramento e cabo CAT6 para dados / aterramento. Cada cabo CAT6 contém quatro pares trançados, portanto, podemos conectar quatro fios de LED a um único cabo CAT6. O diagrama acima mostra como o fio de LED de 3 pinos se divide em 4 fios (5 V, GND, Dados). Conectar quatro fios a três fios pareceu ser um ponto de confusão na hora de montar este projeto. A principal conclusão é que os dois aterramentos (dados + energia) são combinados no conector à prova d'água.

Cada cabo CAT6 foi terminado com um conector RJ-45 que plugado em um invólucro fêmea RJ-45 conectado a uma placa FadeCandy. Os fios CAT6 poderiam ter sido soldados diretamente às placas FadeCandy, mas optamos por adicionar conectores para permitir reparos mais fáceis, se necessário. Fizemos toda a nossa fiação com 48 polegadas de comprimento para nos dar alguma flexibilidade ao montar fisicamente a árvore.

Etapa 4: conectar conectores às placas FadeCandy

As placas FadeCandy que compramos não vinham com cabeçalhos conectados, em vez disso, havia duas fileiras de vias espaçadas de 0,1 ". No final, decidimos que os FadeCandys se conectariam aos cabos CAT6 usando soquetes RJ-45" punch-down "padrão. o evento que precisávamos para substituir um FadeCandy (descobrimos que sim!), também adicionamos pinos de 0,1 "a cada placa FadeCandy. Colocamos pinos de crimpagem fêmeas em cada um dos oito fios presos ao soquete punch down RJ-45 para conectar aos conectores de 0,1 ". Além de prender os pinos em cada fio, também adicionei um pouco de solda para evitar que os pinos Claro, eu só descobri esse "truque" da solda depois que metade dos pinos que eu cravei falharam em mim, lição aprendida.

Etapa 5: Insira os LEDs nas tiras espaçadoras

Depois de ler algumas postagens no fórum e assistir a alguns vídeos de outras pessoas que fizeram 'árvores' semelhantes, o uso de espaçadores de plástico parecia ser um item recorrente. As tiras permitem que o espaçamento dos LEDs seja ajustado para atender às necessidades individuais e permite que os fios de LED sejam tensionados entre os anéis superiores e inferiores das árvores. O tamanho do LED deve corresponder ao tamanho dos orifícios do espaçador (no nosso caso, 12 mm), de modo que cada LED individual se encaixe perfeitamente nos orifícios dos espaçadores. Decidimos fazer nossos LEDs zig-zag, de forma que 24 fios de LEDs formassem 48 colunas ao redor da árvore.

Cometemos um erro neste ponto que nos forçou a gerar alguns "orifícios" adicionais para LEDs. Cortamos as tiras ao meio para termos 48 espaçadores. O que descobrimos foi que cada espaçador de 2,5 metros continha 96 orifícios (um em cada polegada) e cortá-los ao meio em um orifício significava que ficávamos com menos quatro orifícios por fio de LED. Preste atenção ao nosso erro e considere isso com antecedência! Por fim, cortamos a laser algumas "extensões" para adicionar os orifícios que faltam.

O arquivo vetorial usado para cortar a laser os colchetes de extensão está anexado abaixo ("TreeLightBracket.eps")

Etapa 6: montar caixas de junção de energia

Cada uma das três caixas de distribuição de energia abriga um par de barramentos. A primeira barra distribui 5V e a outra distribui GND. Como nossa árvore foi exposta ao ar livre, optamos por usar caixas elétricas à prova d'água para abrigar os barramentos. Fixamos cada barra no lugar com cola quente e adicionamos um pedaço de pasta de papel manilha entre cada barra e a caixa para evitar shorts. Cada caixa de junção de energia se conecta a oito fios de LED por meio do fio 22 AWG descrito anteriormente. Cada caixa se conecta à fonte de alimentação principal usando um fio 12 AWG e possui um conector "Anderson" para facilitar o transporte.

Etapa 7: montar caixas de junção de dados

Usando as mesmas caixas das caixas de distribuição de energia, criamos três caixas de distribuição de "dados" que abrigam uma única placa FadeCandy em cada uma. Os cabos micro USB do Raspberry Pi se conectam às placas FadeCandy dentro desta caixa e os cabos CAT6 se conectam aos soquetes fêmea RJ-45 também. Como as placas FadeCandy não têm grandes orifícios de montagem, amarramos cada placa a um pedaço de madeira compensada. Esse compensado também funcionava como isolante para evitar que a placa entre em curto-circuito com a caixa elétrica.

Etapa 8: Fornecimento de energia do fio

O monstro de 5V 60A que pedimos fornece energia para todo o projeto. Cada uma das três caixas de junção de energia se conecta a esta fonte principal com fio 12 AWG. Cada caixa de junção tem seu próprio par de conectores Anderson e um fusível de 20A em linha para isolar qualquer curto. O Raspberry Pi também recebe energia dessa fonte, o que consegui cortando um cabo USB e conectando os fios de alimentação / aterramento aos terminais da fonte de alimentação. Como esses fios eram muito pequenos, também adicionei alguns laços de zíper para adicionar algum alívio de tensão nessas conexões. A fonte de alimentação não veio com um plugue de tomada CA, então cortei um cabo de alimentação padrão para computador / monitor e o conectei aos terminais aparafusados. Tenha muito cuidado no estágio e verifique três vezes o seu trabalho! Achei este projeto Adafruit extremamente útil para entender como a energia está conectada.

Etapa 9: configurar o Raspberry Pi

Eu configurei um cartão microSD com o sistema operacional Raspbian e configurei um servidor FadeCandy usando as instruções encontradas aqui:

learn.adafruit.com/1500-neopixel-led-curta…

learn.adafruit.com/1500-neopixel-led-curta…

Descobri que o repositório OpenPixelControl tinha um ótimo conjunto de exemplos para fazer a interface com o servidor FadeCandy. No final, acabei escrevendo um script Python para fazer um loop de animações na árvore quando o Pi foi inicializado. Ele carrega vídeos em nossa resolução alvo, avança quadro a quadro pelo vídeo e envia um array de controle FadeCandy para cada quadro. O arquivo de configuração FadeCandy permite que várias placas tenham a interface como se fossem uma única placa e cria uma interface muito limpa. O script python que controla a árvore está configurado para carregar arquivos de uma pasta específica. Assim, ajustar as animações é tão simples quanto adicionar / remover arquivos de vídeo dessa pasta.

No processo de teste da árvore, consegui corromper um cartão microSD. Atribuo isso à remoção de energia do Pi sem fazer um desligamento adequado. Para evitar futuros incidentes, adicionei um botão de pressão e configurei-o para desligar o Pi com segurança. Também fiz vários backups do cartão microSD final, apenas para garantir.

Antes de receber todas as partes para a árvore real, eu fiz um fork do repositório OpenPixelControl git hub e descobri um simulador de LED bacana dentro. Na verdade, usei esse programa para testar uma grande parte do script de animação mencionado acima. O simulador pega um arquivo de configuração que indica a localização física de cada LED no espaço (pense em X, Y, Z) e usa a mesma interface do programa de servidor FadeCandy.

Etapa 10: Faça animações

O script Python vinculado anteriormente pode reproduzir qualquer formato de vídeo na árvore, desde que a resolução seja 96x50. A resolução da árvore é 48x25, porém a ferramenta que estava usando para converter vídeos para uma resolução mais baixa (Handbrake) tinha um limite mínimo de pixels de 32 pixels. Por esse motivo, simplesmente dobrei a resolução real da árvore e, em seguida, testei todos os outros pixels em meu script Python.

O processo que usei para a maioria das animações foi localizar ou gerar um-g.webp

Usando a interface OpenPixelControl, você também pode gerar padrões programaticamente. Durante o teste inicial, usei bastante o script python "raver_plaid.py".

As animações usadas para nossa árvore estão anexadas abaixo de "makerTreeAnimations.zip".

Etapa 11: Teste do sistema elétrico

Com todos os principais componentes elétricos / de software conectados, era hora de testar tudo. Construí uma moldura de madeira simples para tensionar os fios de LED, o que se mostrou muito útil para identificar se algum fio estava fora de ordem (que eram vários). Os vídeos acima mostram uma demonstração enlatada do OpenPixelControl e meu script Python do player de vídeo personalizado executando uma animação do Mario.

Etapa 12: Construir Estrutura

Colocamos todos os fios de LED em um protótipo de estrutura que construímos com tubos de PVC e pex. Deixamos os laços zip soltos para que pudéssemos reposicioná-los se necessário. Isso provou ser uma grande decisão, pois decidimos que o PVC vertical quebrou demais a grade de LEDs e mudamos para um design CNC. O projeto final consiste basicamente em um loop superior e um loop inferior. O laço inferior é montado na base da árvore e tem um diâmetro maior do que o laço superior (sem surpresa), montado no topo da árvore. Os fios de LED se estendem entre os loops superior e inferior para formar o formato de cone (ou "árvore", se preferir).

Ambos os loops foram cortados em compensado de 3/4 "em uma fresadora CNC, o arquivo vetorial para os loops está anexado abaixo (" TreeMountingPlates.eps "). Os loops superior e inferior consistem em duas peças semicirculares que formam um loop. O design de duas peças foi feito para que pudéssemos facilmente prender as duas metades ao redor da árvore sem danificar os galhos. Nosso guru CNC local adicionou um toque agradável ao transformar os loops superior e inferior da moldura em flocos de neve. Um toque de tinta branca e um pouco de glitter também foi adicionado para enfeitar a moldura.

Etapa 13: Construir Disco Inferior / Montagem Eletrônica

Cortamos dois semicírculos de outra peça de compensado do mesmo diâmetro do loop inferior descrito anteriormente para montar a parte eletrônica (caixa de controle, caixas de junção) sob o loop inferior. Tal como acontece com os laços superior e inferior, ele foi feito em duas partes, a seguir unidas ao longo da linha central para formar um círculo completo. O disco foi pintado de verde para ajudá-lo a se misturar e protegê-lo da chuva. Montamos todas as caixas eletrônicas na parte inferior deste disco, de forma que o disco formasse uma espécie de guarda-chuva para os componentes elétricos. O excesso de comprimentos de fio foram enrolados e amarrados com zíper a este disco para manter uma aparência limpa.

Etapa 14: Anexar quadro à árvore

Quando os laços superior e inferior da estrutura estavam secos, enfiamos várias peças compridas de cantoneiras de ferro no vaso da árvore para ajudar a estabilizar o tronco. O ferro angular também forneceu pontos de montagem para os loops superior e inferior da estrutura, sem adicionar tensão à árvore física. Com todos os fios de LED presos ao laço superior, usamos um pedaço de corda para suspender o conjunto do anel superior no teto. Descobrimos que era mais fácil abaixar lentamente o anel na árvore em vez de tentar segurá-lo no lugar com as mãos. Uma vez que o anel superior estava no lugar na cantoneira de ferro, prendemos o anel inferior à árvore e prendemos os fios de LED firmemente ao anel inferior também. O disco inferior (verde) foi montado diretamente abaixo do loop inferior com todos os componentes eletrônicos conectados.

Etapa 15: entregar (opcional)

Agora sente-se e desfrute dos frutos do seu (nosso) trabalho! Nossa árvore estará em exibição em North Little Rock durante todo o mês de dezembro (2018). Já estou pensando em como podemos tornar a tela interativa para nosso mini MakerFaire na primavera.

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Vice-campeão do Concurso Make it Glow 2018