Адресные светодиоды

Что такое адресная светодиодная лента?

В первую очередь давайте рассмотрим, что вообще такое цифровая Led лента, как она устроена и как работает? По-другому ее еще называют адресной, умной или лентой “бегущий огонь”.

что такое адресная светодиодная лента

Главное отличие от обычных изделий заключается в присутствии на плате микросхем. Причем они могут быть как встроенными в сам светодиод.

адресная лента со встроенной микросхемой
микросхема встроенная в светодиод умной ленты
микросхема встроенная в светодиод умной ленты

Так и внешними.

адресная лента с внешней микросхемой
внешняя микросхема в светодиодной адресной ленте

Они позволяют управлять режимами работы каждого сегмента по отдельности. Таким образом можно напрямую запускать и отключать свечение любого светодиода или пикселя.

В данном случае пикселем называют ячейку из одного или нескольких светодиодов сразу (обычно по 3 штуки).

что такое пиксель на адресной ленте

Вы сможете управлять как яркостью, так и цветом любого диода в ленте и при этом создавать совершенно потрясающие световые эффекты:

  • для автомобиля
  • для аквариума
  • на фасаде дома
  • на ёлке
    Многообразие вариантов будет зависеть только от вашей фантазии.

Технические характеристики

Адресная светодиодная лента состоит из RGB-светодиодов в SMD корпусе 5050 и микрочипов ШИМ-драйверов. В настоящее время наиболее популярными являются адресные LED-ленты с использованием чипов WS2811 и WS2812B. Модификация WS2811 представляет собой интегральную микросхему (ИМС) в корпусе DIP-8 (9,2х6,4 мм) или SOP-8 (5,1х4,0 мм). Данный 3-канальный драйвер имеет следующую конфигурацию выводов:

  • 1 – ШИМ-регулируемый выход (красный);
  • 2 – ШИМ-регулируемый выход (зелёный);
  • 3 – ШИМ-регулируемый выход (синий);
  • 4 – общий;
  • 5 – выход передачи данных;
  • 6 – вход передачи данных;
  • 7 – выбор режима работы;
  • 8 – питание +5В.

Адресная светодиодная лента – каждый светодиод получает питание от общего источника, но включается по индивидуальной команде.

В адресной ленте с использованием чипа WS2811 и питанием 5 вольт микросхема драйвера располагается в непосредственной близости перед каждым RGB-светодиодом SMD 5050, рядом с которым также установлены токоограничивающие резисторы и конденсатор, защищающий от помех. Но на сегодняшний момент такие модели устарели и встречаются крайне редко. Сегодня в продаже имеются адресные светодиодные ленты на чипах WS2811 только с питанием от +12 В. В этом случае чип WS2811 управляет не одним светодиодом, а группой из 3 штук.

Различные оттенки светодиодной ленты.
Различные оттенки светодиодной ленты.

Не успела ИМС WS2811 обрести популярность, как её место заняла более совершенная WS2812B. Данный тип ШИМ-драйвера намного компактнее и размещается непосредственно в корпусе светодиода SMD 5050. Если присмотреться, то под прозрачным люминофором можно увидеть миниатюрный чёрный прямоугольник с отходящими позолоченными проводниками.

Подобная унификация позволила значительно упростить сборку адресных светодиодных лент и модулей, а сам WS2812B имеет лишь 4 вывода:

  • 1 – питание (+3,5… +5,3 В);
  • 2 – выход передачи данных;
  • 3 – общий;
  • 4 – вход передачи данных.

ИМС драйвера потребляет не более 1 мкА, а максимальный ток одного адресного светодиода составляет 60 мА. Диапазон рабочих температур: от -25 до +80°C. При выборе адресной светодиодной ленты важным критерием является степень защиты от влаги и пыли. Для использования в уличных условиях подойдут только модели с IP65 и IP67.

Сфера применения

Относительно высокая стоимость светодиодов и лент, собранных на чипах WS2811 и WS2812B, ограничивает их область применения в сравнении с обычными LED-лентами. Главным образом их используют для решения таких задач, с которыми обычной светодиодной ленте не справиться:

  • для сборки полноцветных модулей;
  • в конструировании светильников, управляемых по принципу «soft lights»;
  • в качестве декоративной подсветки чего-либо;
  • в построении LED-видео экранов, используемых в уличной рекламе и шоу-бизнесе.

Интерес к адресной светодиодной ленте среди радиолюбителей вызван тем, что на её основе можно собрать подсветку, которая будет изменять цвет и яркость по заданному алгоритму.

Установка ПО на светодиодную ленту.
Установка ПО на светодиодную ленту.

Как это работает

Адресная лента WS2812B поделена на сегменты, в каждом из которых расположен светодиод и конденсатор (для повышения помехоустойчивости). Относительно напряжения питания все они между собой подключены параллельно, то есть +5 В будет присутствовать на каждом сегменте. А вот передача данных осуществляется последовательно: от предыдущего сегмента к последующему. Поэтому при выходе из строя одного из светодиодов цепи все следующие сегменты перестанут светиться. Управление готовыми устройствами и модулями на базе WS2812.
B производится с помощью специализированного контроллера, внутри которого записана программа. На радиолюбительском уровне управлять работой адресной светодиодной ленты удобней всего через Arduino, используя для этого небольшую программу – скетч. Схема подключения к Arduino

У каждой адресной ленты есть начало и конец, которые нельзя менять местами во время сборки схемы. Чтобы не запутаться, производители используют условные обозначения, например, стрелки, указывающие направление сигнала. Подключение адресной светодиодной ленты WS2812B к Arduino производится по трём проводам, как показано на рисунке.Контакты питания +5V и GND соединяют с соответствующими выводами на плате Arduino.

Если подсоединяемый отрезок насчитывает более 13-ти светодиодов, то необходимо использовать выносной блок питания. При этом общий провод (GND) Arduino и «минус» блока питания должны быть соединены между собой. Контакт DIN (digital input) предназначен для приёма данных от контроллера и электрически соединяется с любым из его цифровых портов. С другой стороны адресной ленты (и каждого сегмента тоже) размещено 3 контакта: +5V, DO (digital output) и GND, к которым можно подключить ещё несколько отрезков разной длины.
Так как каждый элемент WS2812B фактически состоит из 3 светодиодов (синего, красного, зелёного), то для управления его свечением потребуется 3 байта (по одному на каждый цвет). В свою очередь, каждый байт может принимать значение от 0 до 255, в результате чего можно задать более 16,5 млн оттенков. Размер скетча будет равен количеству светодиодных сегментов, умноженному на 3. Передача данных происходит следующим образом: ШИМ-драйвер WS2812B первого сегмента забирает из посылки первые 3 байта, пропуская остальные данные на выход DO.

Далее следует пауза длиною до 50 мкс, означающая, что второй по счёту драйвер должен принять следующие 3 байта. И так далее. Длительность паузы больше 50 мкс означает конец передачи и повторение цикла. Для работы с адресными лентами и модулями проще всего использовать библиотеки FastLED и Adafruit NeoPixel. Внутри каждой библиотеки есть готовые скетчи, на основе которых несложно научиться самостоятельно создавать новые световые эффекты. Чтобы скетч заработал с первого раза, необходимо в заголовке правильно указать количество светодиодов в ленте (NUM_LEDS) и номер порта для передачи данных (PIN).

Адресные ленты стоят дороже обычных лент, и применяются обычно там, где простые ленты по какой-то причине не применимы: полноцветные модульные сборки, декоративная подсветка с управлением «soft light», наружная реклама и т. д. Особенность таких сборок в том, что они способны изменять и цвет и яркость отдельных своих сегментов по более сложному алгоритму, нежели простые LED-ленты, даже если эти LED-ленты оснащены умными драйверами. ШИМ-сигнал управления подается со специального запрограммированного контроллера на вход ленты, и передается последовательно на вход одного чипа (digital input – DI), выходит из него (digital output – DO), затем проходит через второй чип, и т. д. Управление легко осуществить при помощи программы на ардуино.

Светодиодная лента в блоком управления.

Отличие лент ws2812, ws2812b, ws2811

Наиболее распространенные модели со встроенными микросхемами имеют маркировку WS2812 или WS2812b. С внешними – WS2811.

отличие лент ws2812 и ws2811

Чем модель ws2812 отличается от ws2812b? Первые имеют 6 контактов (PIN) для управления, а вторые, с буковкой “b” – всего четыре.

отличие чипа ws2812b и ws2812

На 2812 питание светодиода и чипа разнесены. У 2812b питание интегрированного драйвера и светодиода вынесено на один PIN (VDD).

технические характеристики ws2812b и ws2812

А в чем главные отличия между ws2812b и ws2811?

  • ws2812b – работает от 5v

лента 2812b

  • ws2811 – питание 12v (в 2015г прекращен выпуск последних моделей на 5в)

умная лента ws2811 12v

WS2812 управляет кластерами по одному диоду, WS2811 управляет тремя светодиодами одновременно.

Существенным недостатком диодов ws2812 является то, что если в цепочке сгорит хотя бы один из них, то все дальнейшие светодиоды, стоящие после него, тут же перестают работать.

Как подключить

Подключить адресную ленту ws2812b несложно. Необходимо подать питание через блок питания на 5 вольт и на ленту, плюс и минус. Найти блок питания с нужным напряжением не должно составить труда.

Обратите внимание, что контакты с двух сторон похожи: DIN, +5V, GND и DO, +5V, GND. Подключать нужно именно вход, то бишь DIN, в противном случае лента не заработает.

Схема подключения

Настройка и управление

После подключения цепи главным образом настраивается выходной сигнал для цифрового управляющего устройства Arduino. После покупки Ардуино нужно скачать софт для программирования с официального сайта производителя.

Устройство элемента светильника

Каждый адресный светодиод содержит минимальное количество выводов:

  • U питания (VDD);
  • общий провод (GND);
  • вход данных (DIN);
  • выход данных (DOUT).

Это позволяет элементы со встроенными излучателями размещать в корпусах с 4 выводами (WS2812B).

WS2812B
Расположение выводов WS2812B.

У микросхем с внешним подключением LED потребуется еще минимум три вывода для подсоединения светодиодов. В итоге у стандартного корпуса с 8 выводами остается одна свободная ножка, которую разработчики могут задействовать под другие нужды.

Цоколевка WS2818 с дополнительным выходом данных.
Цоколевка WS2818 с дополнительным выходом данных.

Так, проектанты микросхемы WS2811 задействовали свободный вывод под переключатель скорости, а WS2818 – под резервный вход данных (BIN).

Соединение элементов

Все элементы, расположенные на полотне, соединены по питанию параллельно, а по шине данных – последовательно. Выход управления одной микросхемы соединяется со входом другой. Управляющий сигнал с контроллера подается на вывод DIN крайнего левого по схеме драйвера.

Схема соединений элементов на полотне.
Схема соединений элементов на полотне.

Питание светодиодов и микросхем лучше выполнить от отдельного блока, особенно, если лента питается напряжением, отличным от 5 В. Общий провод контроллера и источника напряжения надо соединить.

Особенности подключения и управления адресной светодиодной лентой
Внешний вид отрезка ленты на WS2812B.

Управление свечением

Управляются элементы адресной ленты по последовательной шине. Обычно такие шины строятся по двухпроводной схеме – линия строба и линия данных. Существуют и такие ленты, но они получили меньшее распространение. А описываемые приборы управляются по однопроводной схеме. Это позволило упростить полотно, удешевить его. Но оплачено это низкой помехоустойчивостью LED-прибора. Любую наведенную помеху с достаточной амплитудой драйверы могут интерпретировать как данные и непредсказуемо засветиться. Поэтому при монтаже надо предпринимать дополнительные меры для защиты от помех.

Протокол управления содержит команды из 24 бит. Ноль и единица кодируются в виде импульсов одинаковой частоты, но разной длительности. Каждый элемент записывает («защелкивает») свою команду, после паузы определенной длительности передается команда для следующей микросхемы и так по цепочке. После паузы повышенной длительности происходит сброс всех элементов и передача следующей серии команд. Недостатком такого принципа построения шины управления является то, что выход из строя одной микросхемы прерывает передачу команд далее по цепочке. У драйверов последних поколений (WS2818 и т.п.) имеется дополнительный вход (BIN), позволяющий избежать данной проблемы.


Как подключить адресную светодиодную ленту WS2812B к Ардуино

«Бегущий огонь»

Отдельного рассмотрения заслуживает так называемая SPI-лента, которую в быту называют «бегущий огонь» из-за самого распространенного светового эффекта, который на ней строят. Отличие такой ленты от рассмотренных типов в том, что шина данных содержит две линии – для данных и для тактовых импульсов. Для таких приборов можно приобрести изготовленный промышленно контроллер с набором эффектов, включая упомянутый «бегущий огонь». Также можно управлять свечением и от обычных контроллеров PIC или AVR (включая Arduino). Их преимуществом является повышенная помехозащищенность, а недостатком – необходимость задействования двух выходов контроллера. Это может послужить ограничением для построения сложных световых систем. Также для таких приборов характерна более высокая стоимость.

Особенности подключения и управления адресной светодиодной лентой
SPI-лента с двухпроводной шиной управления.

Схема подключения светильника и типичные ошибки

Схема включения мультимедийных приборов имеет много общего со схемой обычных RGB-осветителей. Но имеются и отличия — чтобы правильно подключить к контроллеру адресную светодиодную ленту, надо иметь в виду несколько моментов.

  1. Из-за повышенного энергопотребления адресной ленты запитывать ее от платы Ардуино нельзя (если используются небольшие отрезки – нежелательно). В общем случае для организации питания потребуется отдельный источник (в некоторых случаях он может быть один, но цепи питания для светодиодов и контроллера должны быть выполнены раздельно). Но общие провода (GND) цепей питания и платы Arduino должны быть соединены. В противном случае система будет неработоспособной.
    Особенности подключения и управления адресной светодиодной лентой
  2. Из-за пониженной помехоустойчивости проводники, соединяющие выход контроллера и вход полотна, должны быть как можно короче. Крайне желательно, чтобы они были не длиннее 10 см. Также далеко не лишним будет подключение на линию питания конденсатора С на напряжение, превышающее напряжение питания ленты, и емкостью от 1000 мкФ. Устанавливать конденсатор надо в непосредственной близости от ленты, в идеале – на контактных площадках.
  3. Отрезки ленты можно соединять последовательно. Выход DOUT надо подключать к входу DIN следующего куска. Но при общей длине, превышающей 1 метр, последовательное соединение применять нельзя – проводники линий питания полотна не рассчитаны на большой ток. И в этом случае надо применить параллельное соединение отрезков.
  4. Если соединить выход контроллера и вход DIN напрямую, при возникновении нештатной ситуации в светильнике выход контроллера может выйти из строя. Чтобы этого избежать, в разрыв провода надо поставить резистор сопротивлением до нескольких сотен Ом.

Несоблюдение этих простых правил может привести к неработоспособности мультимедийной системы или к выходу из строя ее компонентов.

Проверка исправности адресной ленты

Иногда возникает необходимость проверки светильника на работоспособность. И здесь могут возникнуть проблемы, потому что подачей питания на ленту зажечь светодиоды не удастся. Также не получится проверить исправность тестером: максимум возможностей в данном случае – прозвонить на целостность линий питания и межэлементных соединений. Поэтому основной способ выявления работоспособности светильника – подключить его к контроллеру.

Если имеется полотно с однопроводной шиной управления, можно проверить адресную светодиодную ленту прикосновением пальца к контактной площадке, на которую подается управляющий сигнал (при поданном на ленту питании). Это может вызвать свечение одного или нескольких LED.
Стариков МихаилСтарший инженер-электроникЗадать вопрос Проверка таким методом может вызвать появление на шине управления наведенного напряжения, превышающего возможности микросхем. Также это может привести к разряду накопленного на теле статического электричества. Оба эти явления потенциально могут привести к выходу из строя первого (возможно, и последующих) светодиода.

Адресная LED-лента имеет мультимедийные возможности на порядок выше других светодиодных устройств. Следует лишь разобраться с управлением и запомнить несколько простых условий, чтобы не было разочарований и бессмысленных финансовых потерь.
Адресные светодиоды

Адресная лента ws2813

Поэтому прогресс не стоял на месте и позже были разработаны более совершенные ленты – ws2813 (5V), ws2815 (12V).

отличие лент 2812 и 2813

У таких лент добавлена четвертая дублирующая дорожка. По ней передаются данные, если какой-то из диодов сгорел и вышел из строя.

дублирующая дорожка на светодиодной адресной ленте ws2813

Как это работает? Сигнал в нормальном состоянии поступает на Data Input (DIN) и выходит с чипа на Data Out (DO). По такой цепочке данные проходят по всей ленте.

структура адресной светодиодной ленты ws2813

Когда первый чип выходит из строя и данные перестают выходить с DO, благодаря дублирующей дорожке сигнал продолжает поступать на разъем BIN.

Второй чип анализирует пропажу сигнала на DIN, но видит его наличие на BIN и продолжает работать как ни в чем не бывало.

Самое главное, чтобы при выходе из строя первого диода не произошло замыкания между VDD и GND.

Ошибка №1Никогда не используйте подсветку на чипах типа WS2812b при съемке видео.

Если захотите снимать кино или видеоклип с такой подсветкой, то применяйте только ленту WS2813, не меньше.

Дело здесь в частоте регенерации. У старых моделей она всего 400Гц.

частота регенерации у лент ws2812 и ws2813

Для человеческого глаза это может быть и незаметно, а вот камера вам такой ошибки не простит.

Вот очень наглядный эксперимент с такими светодиодами в динамике. Подключите отрезок ленты с двумя разными чипами и попробуйте помахать ими из стороны в сторону.

Результат на пойманом стопкадре.

отличие при свечении адресной ленты ws2812b и ws2813

Надо заметить, что это всего лишь один подключенный светодиод 2812b и 2813, а не несколько их штук в одном ряду.

Подключение к блоку питания и контроллеру

Сигналы по программируемой ленте передаются от контроллера с SPI микросхемами по цифровым протоколам связи. После того, как на первый светодиод пришли 24 бита информации, данный диод переходит в режим передачи.

Все данные, которые до него доходят, транслируются на выход, то есть на следующий диод в последовательной цепочке.

Ошибка №2Если к такой ленте напрямую подключить блок питания, работать она не будет.почему нельзя подключать адресную ленту напрямую от блока питания

В данном случае наличие контроллера обязательно.

схема подключения адресной светодиодной ленты

В управляемые светодиоды нужно “загрузить” их цвета.
Кроме того, отличается и сам принцип передачи сигнала между элементами. Если присмотреться, то можно увидеть на каждой умной ленте стрелочки строго в одном направлении.

стрелочки с направлением сигнала на умной ленте

Они показывают, что управляющий сигнал будет передаваться от одного элемента к другому именно в эту сторону, а не наоборот.

Ошибка №3Встроенные микросхемы боятся переполюсовки!переполюсовка адресной ленты

Поэтому, если вы подключаетесь не через специальные коннекторы, а методом прямой пайки, всегда проверяйте “+” и “-” (GND).

подключение контроллера к умной цифровой ленте
подключение контроллера к умной цифровой ленте

Иначе адресная светодиодная лента у вас при первом же подключении сгорит.

Провода и разъемы

Цифровая лента на конце имеет минимум не два, а три провода.

три провода на концах адресной светодиодной ленты

  • V+ (5V или 12V)
  • V- (GND)
  • управляющий провод

Два из них — это обычное питание, а третий отвечает за направление сигнала. К проводам на концах уже готового к использованию изделия припаяны специальные разъемы:

  • DI (Digital Input) или цифровой вход в начале ленты

разъемы на концах адресной ленты

  • DO (Digital Output) цифровой выход

разъемы на концах адресной ленты

При наличии таких разъемов подключить ленту неправильной стороной у вас не получится. Второй конец DO требуется при наращивании длины световой конструкции.

Ошибка №4А вот без таких разъемов начало и конец ленты можно и перепутать.

В этом случае ничего гореть и светиться у вас не будет.

Ошибка №5Слишком длинные провода питания от контроллера.

Если у вас наблюдается ситуация, при которой лента не загорается, пока вы не коснетесь и не проведете рукой по питающим проводам, то скорее всего они слишком длинные и управляющий провод подвержен помехам.

почему адресная светодиодная лента не запускается причины

В этом случае попробуйте их скрутить косичкой. В некоторых ситуациях помогает.

Выбор контроллера для адресной ленты

При выборе SPI контроллера для умных лент нужно рассчитывать не на мощность подсветки, как обычно это делается, а на количество пикселей.

Данные параметр всегда указывается на корпусе изделия.

контроллер для spi лент
контроллер для spi лент

Что касается выбора мощности блока питания, то здесь ориентируйтесь на следующий показатель. Один светодиод для моделей sw2812b – это примерно 60мА при белом свете.

Считайте их общее количество в ленте, берите запас в 30% и подбирайте подходящий блок.
От блока питания провода подключаются на контроллер, а с другой стороны контроллера запитывается сама лента.

схема подключения адресной светодиодной ленты

Питание можно подать и напрямую, но наличие контроллера обязательно.

Подключение более 5 метров.

Если вам нужно подключить более 5м умной ленты, то для ее равномерного свечения нельзя просто наращивать подсвету последовательно. Речь здесь идет в первую очередь про питание!
Когда количество пикселей на контроллере позволяет подключить большую длину, вы без проблем стыкуете коннекторы DI и DO между собой. Но вот питание (5В или 12В), все равно придется тянуть отдельно (параллельно).

схема подключения адресной светодиодной ленты длиной более 5 метров

Есть контроллеры с дополнительными проводами под “лишнее” питание на такой случай.

Ошибка №6Нельзя подключать несколько кусков ленты последовательно и при этом подавать на них изначально большее напряжение.

Например, взять три куска ws2812b (5м+5м+5м) и подать на них в самом начале ленты 15 вольт, рассчитывая при этом на последовательное падение напряжения.
В этом случае придется ставить на каждый отрезок по своему контроллеру, да еще каким-то образом гарантировать одинаковое потребление отрезков.

Ошибка №7Лента вместо белого светится с оттенком желтоватого или красного цвета.

Скорее всего дело здесь в неправильно подобранном сечение проводов. Всегда берите минимум 1,5мм2.

Недостаток цвета – это первый признак просадки напряжения. Уход в красноту объясняется тем, что для синего и зеленого цветов на чипе 2812b требуется порядка 3,5В, а вот для красного достаточно и 2В.

почему лента светится красным цветом
почему лента светится красным цветом

Поэтому, когда напряжение на светодиодах падает, выключаются зеленые и синие кристаллы, а красный горит до последнего.

Руководство по выбору светодиодных лент к Arduino

При покупке светодиодных лент есть несколько вещей, которые следует учитывать. Во-первых, это функциональность. Если вы планируете использовать устройства в основном для окружающего освещения, то правильным выбором станет простая диодная полоса 12 В RGB (SMD5050).
Многие приборы поставляются с инфракрасным пультом для управления ими, хотя в этом проекте мы будем использовать Arduino. Потратьте немного времени на покупки. На момент написания статьи метр ленты можно было купить всего за 1 доллар.
Если вы хотите что-то более высокотехнологичное, рассмотрите SPI RGB ленту.

Эти полосы, иногда называемые Neopixels, имеют интегрированные чипсеты, которые позволяют им управлять каждым диодом поодиночке. Это означает, что они способны на большее, чем просто дополнительное освещение. Вы можете использовать их для создания дешевого светодиодного дисплея с нуля. Из лент можно соорудить даже собственную домашнюю тучку с извергающими молниями. Или бегущую светодиодную ленту.

Эти полосы требуют всего 5 В для полноценного питания. Несмотря на то, что можно подавать небольшое количество мощности непосредственно с платы Arduino, обычно рекомендуется использовать отдельный источник питания 5 В, чтобы избавиться от запаха гари. Если вы ищете индивидуально программируемые светодиоды, светодиодная лента Ардуино — лучшая находка для вас. В данный момент стоимость 1 метра равняется примерно 4 долларам — 270 рублям.
Еще одна вещь, которую следует учитывать, — это то, где ленты, вероятно, будут использоваться. Оба типа полосы имеют различную длину, плотность светодиодов — количество диодов на метр — и разную степень защиты от атмосферных воздействий.
Осматривая светодиодную ленту, обратите внимание на цифры в листинге. Обычно первым номером будет количество светодиодов на метр, а буквы IP, за которыми следуют цифры, будут его степенью защищенности.

Например, если в списке указано «30 IP67», это означает, что на метр будет 30 светодиодов. «6» — признак того, что устройство полностью защищено от пыли. «7» значит, что прибор не пострадает от непродолжительного погружения в воду. После того, как вы приобретете светодиодную полоску, придет время связать ее с Arduino. Начнем с SMD5050.

Принцип действия Arduino

«Сердце» платы Arduino — микроконтроллер, к которому подключаются датчики, управляющие элементы. Заданная программа (называется «скетч») позволяет управлять электродвигателями, светодиодами в лентах и других осветительных приборах, даже используется для контроля над другой платой Arduino через протокол SPI. Контроль осуществляется при помощи пульта ДУ, Bluetooth-модуля или сети Wi-Fi.

Для программирования используется открытый исходный код на ПК. Для загрузки программ управления можно пользоваться USB-коннектором.

Принцип управления нагрузкой через Arduino

На плате Arduino есть порты двух типов — цифровые и аналоговые. Первый имеет два состояния — «0» и «1» (логические ноль и единица). При подключении светодиода к плате в одном состоянии он будет светиться, в другом — нет.

Аналоговый вход, по сути, — ШИМ-контроллер, регистрирующий сигналы частотой около 500 Гц. Такие сигналы подаются на контроллер с настраиваемой скважностью. Аналоговый вход позволяет не просто включать или отключать управляемый элемент, но и изменять значение тока (напряжения).

При прямом подключении через порт используйте слабые светодиоды, добавляя к ним ограничительный резистор. Более мощная нагрузка выведет его из строя. Для организации управления светодиодной лентой и другим осветительным прибором примените электронный ключ (транзистор).

Виды транзисторных ключей

  • Биполярный;
  • Полевой;
  • Составной (сборка Дарлингтона).

При подаче высокого логического уровня (digitalWrite(12, HIGH);) через порт вывода  на базу транзистора через цепочку коллектор-эмиттер потечет опорное напряжение на нагрузку. Таким образом можно включать и отключать светодиод.

Аналогичным образом работает и полевой транзистор, но поскольку у него вместо «базы» сток, который управляется не током, а напряжением, ограничительный резистор в этой схеме необязателен.

Биполярный вид не позволяет регулировать мощные нагрузки. Ток через него ограничен на уровне 0,1-0,3А.

Полевые транзисторы работают с более мощными нагрузками с током до 2А. Для ещё более мощной нагрузки используют полевые транзисторы Mosfet с током до 9А и напряжением до 60В.

Вместо полевых можно использовать сборку Дарлингтона из биполярных транзисторов на микросхемах ULN2003, ULN2803.

Микросхема ULN2003 и принципиальная схема электронного коммутатора напряжения:

Подключение WS2812B к Arduino

Примеры использования

Задача вывода информации на светодиоды непростая, требуется отправить одним пакетом много данных на большой скорости и с большой точностью. Даже при отключенных таймерах и прерываниях с этой частью работы успешно справляется лишь программа, написанная на ассемблере, то есть максимально близкая к машинному уровню. Поэтому без готовых библиотек любителю обойтись довольно сложно. Библиотек существует несколько, самыми известными из которых являются NeoPixel и FastLed. Споры о том, какая из них лучше ведутся давно, выбирайте на свой вкус. Мне больше нравится NeoPixel, она ощутимо компактнее во флеше и занимает гораздо меньше динамической памяти контроллера. В примерах будем пользоваться именно ей.

Вообще, в каждой библиотеке уже есть несколько готовых примеров, наглядно демонстрирующих почти все возможности. Достаточно лишь подключить ленту, по схеме выше и указать в настройках правильные параметры: управляющий пин, тип ленты, количество светодиодов.

Загружаем стандартный пример от библиотеки simple или strandtest_wheel, проверяем настройки, запускаем, любуемся.

А теперь попробуем сделать что-то простое, но своё. Для этого изучим несколько простейших функций данной библиотеки с примерами и посмотрим на результаты. Поможет там в этом кольцо из 24-х светодиодов WS2812B.

Итак, первый пример. Выводим на кольцо три основных цвета RGB.

Команда setBrightness(50) устанавливает, можно так сказать, масштаб шкалы яркости. Максимальная яркость любого цвета (0xFF), используемая после этой команды, будет ограничена данным параметром, промежуточные значения уменьшаются пропорционально. Можно ей не пользоваться вовсе, но иногда это удобно, например, если требуется приглушить цвета оптом, не выискивая и меняя их во всей программе. В примере я установил яркость 50, чтобы цвета хорошо отображались, не ослепляя камеру.

Команда show(); служит для отправки данных на ленту. Все, что делается до выполнения этой команды, является лишь подготовкой массива к отправке. На время вывода данных, как я уже говорил ранее, отключаются все прерывания и таймеры, это может повлиять на отсчет времени в контроллере, его реакцию на события и так далее, обязательно имейте это в виду.

Следующий пример. Построим шкалу яркости, поднимая накал по десятке на каждый следующий светодиод

Как видим, все прекрасно работает, разница заметна. Первый светодиод не горит, на нем 0, на последнем 230. Кстати, снимок не передает цветность полностью, в реальности разница еще заметнее.

Заменяем строку внутри цикла на такую:

Начиная с чисто зеленого, постепенно убавляя его добавляя красный, получаем плавный переход через смешивание цветов.

Немного поколдовав с кодом можно сделать эффект интереснее:

Из кусочков ленты собрать модные очки.

Добавив акселерометр, изготовить динамическую подсветку для колеса
И даже имитацию открытого огня.

Как видим, области применения в DIY адресных светодиодов ограничивается лишь некоторыми техническими особенностями и фантазией.

Недостатки и ограничения

К сожалению или к счастью, в мире нет ничего идеального и адресные светодиоды не исключение. Какие проблемы могут возникнуть при работе с ними и можно ли с этим жить? Попробуем разобраться.

Глубина цвета. Разница между максимально ярким и максимально тусклым светодиодом не так велика, как этого хотелось бы. Кроме того, светиться диоды начинают примерно с уровня 6-8 и сразу довольно ярко, то есть получить глубоких оттенков темных цветов на адресниках не получится. Совет: не ожидать качественного полноцвета и применять там, где этого не требуется.

Однако нужно понимать, что прогресс не стоит на месте, наверняка скоро мы увидим новые, более совершенные варианты этого устройства.

Выводы

1. Можно ли управлять одним контроллером несколькими независимыми светодиодными лентами?

Конечно, нужно лишь создать экземпляры класса Adafruit_NeoPixel, присвоив каждому свой индивидуальный пин. Рекомендую таким образом разбивать на части слишком длинные ленты.

2. Как управлять лентой с дополнительным белым цветом?

Точно так же. Разница лишь в инициализации и дополнительном байте цвета.

3. Что означает класс защиты светодиодной ленты?

IP30.Защита от проникновения твердых объектов размером более 12 мм, пальцев рук или других предметов длиной не более 80 мм, или твердых предметов.

IP65:Полная защита от проникновения пыли и случайного проникновения. Защита от попадания струй воды, падающих под любым углом.

IP67:Полная защита от проникновения пыли и случайного проникновения. Защита от попадания воды при временном погружении в воду. Вода не вызывает порчи оборудования при определенной глубине и времени погружения.

Источники

  • https://svetosmotr.ru/kak-podklyuchit-adresnuyu-svetodiodnuyu-lentu-bez-arduino/
  • https://ElectroInfo.net/poluprovodniki/chto-takoe-adresnaja-svetodiodnaja-lenta.html
  • https://generator-prosto.ru/drugoe/upravlyaemaya-svetodiodnaya-lenta.html
  • https://Svetilov.ru/svetovye-pribory/svetodiodnaya-lenta/podkljuchenie-i-upravlenie-adresnoj
  • https://voltage-stab.ru/raznoe/adresnaya-svetodiodnaya-lenta-ws2812-i-arduino.html
  • https://netigor.ru/ws2811-upravlenie-svoimi-rukami/

Оцените статью