Информационный портал по безопасности. Подключение и управление светодиодной лентой к arduino
Для управления этими устройствами используется RGB-контроллер. Но, кроме него, в последние годы применяется плата Arduino.
Ардуино – принцип действия
плата ArduinoПлата Ардуино – это устройство, на котором установлен программируемый микроконтроллер. К нему подключены различные датчики, органы управления или encoder и, по заданному скетчу (программе), плата управляет моторами, светодиодами и прочими исполнительными механизмами, в том числе и другими платами Ардуино по протоколу SPI. Контроль устройства может осуществляться через дистанционный пульт, модуль Bluetooth, HC-06, Wi-Fi, ESP или internet, и кнопками. Одни из самых популярных плат – Arduino Nano и Arduino Uno, а также Arduino Pro Mini – устройство на базе микроконтроллера ATmega 328
Внешний вид Arduino Pro Mini 
Внешний вид Arduino Uno 
Внешний вид Arduino micro Программирование осуществляется в среде Ардуино с открытым исходным кодом, установленным на обычном компьютере. Программы загружаются через USB.
Принцип управления нагрузкой через Ардуино
управление Arduino На плате есть много выходов, как цифровых, имеющих два состояния — включено и выключено, так и аналоговых, управляемых через ШИМ-controller с частотой 500 Гц.
Но выходы рассчитаны на ток 20 – 40 мА с напряжением 5 В. Этого хватит для питания индикаторного RGB-светодиода или матричного светодиодного модуля 32×32 мм. Для более мощной нагрузки это недостаточно.
Для решения подобной проблемы во многих проектах нужно подключить дополнительные устройства:
- Реле. Кроме отдельных реле с напряжением питания 5В есть целые сборки с разным количеством контактов, а также со встроенными пускателями.
- Усилители на биполярных транзисторах. Мощность таких устройств ограничена током управления, но можно собрать схему из нескольких элементов или использовать транзисторную сборку.
- Полевые или MOSFET-транзисторы. Они могут управлять нагрузкой с токами в несколько ампер и напряжением до 40 – 50 В. При подключении мосфета к ШИМ и электродвигателю или к другой индуктивной нагрузке, нужен защитный диод. При подключении к светодиодам или LED-лампам в этом нет необходимости.
- Платы расширения.
Подключение светодиодной ленты к Ардуино
подключение светодиодной ленты к Arduino 
Мнение эксперта
Алексей Бартош
Специалист по ремонту, обслуживанию электрооборудования и промышленной электроники.
Задать вопрос экспертуArduino Nano могут управлять не только электродвигателями. Они используются также для светодиодных лент. Но так как выходные ток и напряжение платы недостаточны для прямого подключения к ней полосы со светодиодами, то между контроллером и светодиодной лентой необходимо устанавливать дополнительные приспособления.
Через реле
Подключение через реле Реле подключается к устройству на цифровой выход. Полоса, управляемая с его помощью имеет только два состояния — включенная и выключенная. Для управления red-blue-green ленточкой необходимы три реле. Ток, который может контролировать такое устройство, ограничен мощностью катушки (маломощная катушка не в состоянии замыкать большие контакты). Для подсоединения большей мощности используются релейные сборки.
С помощью биполярного транзистора
Подключение с помощью транзистора Для усиления выходного тока и напряжения можно использовать биполярный транзистор. Он выбирается по току и напряжению нагрузки. Ток управления не должен быть выше 20 мА, поэтому подается через токоограничивающее сопротивление 1 – 10 кОм.
Транзистор лучше применять n-p-n с общим эмиттером. Для большего коэффициента усиления используется схема с несколькими элементами или транзисторная сборка (микросхема-усилитель).
С помощью полевого транзистора
Кроме биполярных, для управления полосами используются полевые транзисторы. Другое название этих приборов – МОП или MOSFET-transistor.
Такой элемент, в отличие от биполярного, управляется не током, а напряжением на затворе. Это позволяет малому току затвора управлять большими токами нагрузки – до десятков ампер.
Подключается элемент через токоограничивающее сопротивление. Кроме того, он чувствителен к помехам, поэтому выход контроллера следует соединить с массой резистором в 10 кОм.
С помощью плат расширения
Подключение Arduino с помощью плат расширения Кроме реле и транзисторов используются готовые блоки и платы расширения.
Это может быть Wi-Fi или Bluetooth, драйвер управления электродвигателем, например, модуль L298N или эквалайзер. Они предназначены для управления нагрузками разной мощности и напряжения. Такие устройства бывают одноканальными – могут управлять только монохромной лентой, и многоканальными – предназначены для устройств RGB и RGBW, а также лент со светодиодами WS 2812.
Пример программы
Arduino и светодиодная лента Платы Ардуино способны управлять светодиодными конструкциями по заранее заданным программам. Их библиотеки можно скачать с официально сайта , найти в интернете или написать новый sketch (code) самому. Собрать такое устройство можно своими руками.
Вот некоторые варианты использования подобных систем:
- Управление освещением. С помощью датчика освещения включается свет в комнате как сразу, так и с постепенным нарастанием яркости по мере захода солнца. Включение может также производиться через wi-fi, с интеграцией в систему «умный дом» или соединением по телефону.
- Включение света на лестнице или в длинном коридоре. Очень красиво смотрится диодная подсветка каждой ступеньки в отдельность. При подключении к плате датчика движения, его срабатывание вызовет последовательное, с задержкой времени включение подсветки ступеней или коридора, а отключение этого элемента приведет к обратному процессу.
- Цветомузыка. Подав на аналоговые входы звуковой сигнал через фильтры, на выходе получится цветомузыкальная установка.
- Моддинг компьютера. С помощью соответствующих датчиков и программ цвет светодиодов может зависеть от температуры или загрузки процессора или оперативной памяти. Работает такое устройство по протоколу dmx 512.
- Управление скоростью бегущих огней при помощи энкодера. Подобные установки собираются на микросхемах WS 2811, WS 2812 и WS 2812B.
Видеоинструкция
Светодиодная RGB лента представляет собой гибкую ленту, с нанесенными на ней проводниками и RGB-светодиодами (полноцветными). В последнее время светодиодные ленты получили широкое распространение в архитектуре, авто и мото тюнинге, костюмах, декорациях и т.п. Также бывают водонепроницаемые ленты, которые можно использовать к примеру в бассейнах.
Светодиодные ленты бывают двух типов: аналоговые и цифровые
.
В аналоговых лентах все светодиоды включены в параллель. Следовательно, вы можете задавать цвет всей светодиодной ленты, но не можете установить определенный цвет для конкретного LED. Эти ленты просты в подключении и не дорогие.
Цифровые светодиодные ленты устроены немного сложнее. К каждому светодиоду дополнительно устанавливается микросхема, что делает возможным управлять любым светодиодом. Такие ленты намного дороже обычных.
В данной статье мы рассмотрим работы только с аналоговыми светодиодными лентами.
Аналоговые RGB светодиодные ленты
Техническая спецификация:
- 10.5мм ширина, 3мм толщина, 100мм длина одного сегмента
- водонепроницаемая
- снизу скотч 3М
- макс. потребление тока (12В, белый цвет) - 60мА на сегмент
- цвет свечения (длина волны, нм): 630нм/530нм/475нм
Схема светодиодной RGB ленты
Лента поставляется в рулонах и состоит из секций длиной по 10 см. В каждой секции размещается 3 RGB светодиода, типоразмера 5050. Т.е. в каждой секции получается, что содержится 9 светодиодов: 3 красных, 3 зеленых и 3 синих. Границы секций отмечены и содержат медные площадки. Поэтому, при необходимости, ленту можно обрезать и спокойно припаиваться. Схема светодиодной ленты:
Энергопотребление
В каждой секции ленты, последовательно подключены по 3 светодиода, поэтому питание 5В не подойдет. Питание должно быть 12В, но можно подавать напряжение и 9В, но тогда светодиоды будут гореть не так ярко.
Одна LED-линия сегмента потребляет приблизительно 20мА при питании 12В. Т.о. если зажечь белый цвет (т.е. красный 100%, зеленый 100% и синий 100%), то энергопотребление секции составит около 60мА.
Теперь, можно легко посчитать потребление тока всей ленты. Итак, длина ленты составляет 1 метр. В ленте 10 секций (по 10 см каждая). Потребление ленты при белом цвете составит 60мА*10=600мА или 0.6А. Если использовать ШИМ fade-эффект между цветами, то энергопотребление можно снизить вдвое.
Подключение ленты
Для того, чтобы подключить ленту, необходимо припаять провода к 4 контактным площадкам. Мы использовали белый провод для +12В, а остальные цвета в соответствии с цветами светодиодов.
Срежьте защитную пленку на конце ленты. С какой стороны будет производится подключение - не важно, т.к. лента симметричная.
Зачистите слой изоляции, чтобы оголить контактные площадки.
Залудите их.
Припаяйте четыре провода. Лучше использовать многожильный провод (например ПВ3 или кабель ПВС), он более гибкий.
Для защиты от воды и внешних воздействий можно использовать термоусадочную трубку. Если светодиодная лента будет использоваться во влажной среде, то дополнительно, контакты можно промазать силиконом.
Работа с светодиодной лентой
Ленту легко можно использовать с любым микроконтроллером. Для управления светодиодами рекомендуется использовать широтно-импульсную модуляцию (ШИМ). Не подключайте выводы ленты напрямую к выводам МК, т.к. это большая токовая нагрузка и контроллер может сгореть. Лучше использовать транзисторы.
Вы можете использовать NPN-транзисторы или еще лучше N-канальные мосфеты. При подборе транзистора не забудьте, что максимальный коммутируемый ток транзистора нужно брать с запасом.
Подключение светодиодной ленты к контроллеру Arduino
Рассмотрим пример подключения светодиодной ленты к популярному . Для подключения, можно использовать недорогие и популярные мосфеты . Можно также использовать и обычные биполярные транзисторы, к примеру TIP120. Но по сравнению с мосфетом, у него больше потери напряжения, поэтому все же рекомендуется использовать первые.
На схеме ниже показано подключение RGB светодиодной ленты при использовании N-канальных мосфетах. Затвор мосфета подключается к pin1 контроллера, сток к pin2 и исток к pin3.
Ниже, показана схема подключения при использовании обычных биполярных транзисторов (например TIP120). База транзистора подключается к pin1 контроллера, коллектор к pin2 и эмиттер к pin3. Между базой и выводом контроллера необходимо поставить резистор сопротивлением 100-220 Ом.
К контроллеру Arduino подключите источник питания с напряжением 9-12 Вольт, а +12В от светодиодной ленты необходимо подключить к выводу Vin контроллера. Можно использовать 2 раздельных источника питания, только не забудьте соединить "земли" источника и контроллера.
Пример программы
Для управления лентой будет использовать ШИМ-выход контроллера, для этого можно использовать функцию analogWrite() для выводов 3, 5, 6, 9, 10 или 11. При analogWrite(pin, 0) светодиод не будет гореть, при analogWrite(pin, 127) светодиод будет гореть в полнакала, а при analogWrite(pin, 255) светодиод будет гореть с максимальной яркостью. Ниже приведен пример скетча для Arduino:
#define REDPIN 5 #define GREENPIN 6 #define BLUEPIN 3 #define FADESPEED 5 // чем выше число, тем медленнее будет fade-эффект void setup() { pinMode(REDPIN, OUTPUT); pinMode(GREENPIN, OUTPUT); pinMode(BLUEPIN, OUTPUT); } void loop() { int r, g, b; // fade от голубого к фиолетовому for (r = 0; r 0; b--) { analogWrite(BLUEPIN, b); delay(FADESPEED); } // fade от красного к желтому for (g = 0; g 0; r--) { analogWrite(REDPIN, r); delay(FADESPEED); } // fade от зеленого к зеленовато-голубому for (b = 0; b 0; g--) { analogWrite(GREENPIN, g); delay(FADESPEED); } }
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.
Скетч для плавного мигания RGB светодиода
#define RED 9 // Присваиваем имя RED для пина 9 #define GREEN 10 // Присваиваем имя GREEN для пина 10 #define BLUE 11 // Присваиваем имя BLUE для пина 11 void setup () { pinMode (RED, OUTPUT ); // Используем Pin9 для вывода pinMode (GREEN, OUTPUT ); // Используем Pin10 для вывода pinMode (BLUE, OUTPUT ); // Используем Pin11 для вывода } void loop () { analogWrite (RED, 50); // Включаем красный свет analogWrite (GREEN, 250); // Включаем зеленый свет analogWrite (BLUE, 150); // Включаем синий свет }Пояснения к коду:
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
