Управление несколькими rgb светодиодом на ардуино. Rgb светодиоды

Данная схема служит для эффектной подсветки какого-либо предмета, например, аквариуму, и также может быть дополнением для моддинга компьютера. Это устройство управляет трехцветными (RGB) светодиодами и отображает цвета в совершенно случайном порядке.

Общий принцип действия драйвера показан на рисунке 1. Два генератора генерируют прямоугольные импульсы с заполнением 50%, но немного отличаются по частоте (до десятков Гц).

На выходе логического элемента EX-OR (исключающее ИЛИ) высокий уровень появиться только тогда, когда на обоих выходах генераторов одновременно появится 1 или 0.

Диаграмма сигналов на выходах генераторов приведена на рисунке 2. Как видно, на выходе логического элемента EX-OR появляется меандр с переменным заполнением 0…100%. Заполнение это будет изменяться тем медленнее, чем меньше будет разность частот обоих генераторов.

Микросхема CD4060 это 14-разрядный двоичный счётчик с генератором. Миниатюрный дроссель L1, конденсаторы C1 и C2, а также логические элементы CD4060 образуют генератор высокой частоты, работающий на частоте примерно 700 кГц. Эта частота делится в этом счетчике на 212.

Сигнал с генератора также подается на входы CLK 12-разрядных двоичных счётчиков на CD4040, которые подсчитывают импульсы с генератора.

Когда отсчет доходит до того, что на выходе Q11 (ножка 15) появляется логическая единица, на выходе элемента NOT будет низкое состояние, приводящее к блокировке на доли секунды подсчета импульсов (время зависит от емкости C3 и суммарного сопротивления R2 и PR1).

И так происходит при каждом появлении высокого уровня на выходе Q11 CD4040, то есть, как можно заметить, при каждом изменении состояния на выходе Q12 CD4040. Это приводит к тому, что на выходе Q12 CD4060 частота несколько выше от частоты на выходе Q12 CD4040 (разница зависит от C3, R и чем больше значение, тем больше разница).

Благодаря этой минимальной разнице, на элементах EX-OR появляется меандр переменного заполнения по времени. Это в свою очередь приводит к тому, что светодиод, подключенный к выходу этой, цепи будет плавно загораться и гаснуть.

Переменными резисторами можно регулировать скорость изменения заполнения (скорость включения и выключения светодиодов). Так же в схеме добавлен фотодатчик на элементах T4, T5 и R14, для того чтобы схема автоматически включалась только в темное время суток. От сопротивления резистора R14 зависит, при какой яркости схема все еще будет работать.

(233,6 Kb, скачано: 422)

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.

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

// Присваиваем имя RED для пина 9

// Присваиваем имя GREEN для пина 10

// Присваиваем имя BLUE для пина 11

// Используем Pin9 для вывода

// Используем Pin10 для вывода

// Используем Pin11 для вывода

// Включаем красный свет

// Включаем зеленый свет

// Включаем синий свет

Пояснения к коду:

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 .

В данной статье мы расскажем о цветных светодиодах, отличии простого RGB-светодиода от адресуемого, дополним информацией о сферах применения, о том, как они работают, каким образом осуществляется управление со схематическими картинками подключения светодиодов.

Светодиоды – электронный компонент, способный излучать свет. Сегодня они массово применяются в различной электронной технике: в фонариках, компьютерах, бытовой технике, машинах, телефонах и т.д. Многие проекты с микроконтроллерами так или иначе используют светодиоды.

Основных назначений у них два :

Демонстрация работы оборудования или оповещение о каком-либо событии;
применение в декоративных целях (подсветка и визуализация).

Внутри светодиод состоит из красного (red), зеленого (green) и синего (blue) кристаллов, собранных в одном корпусе. Отсюда такое название – RGB (рис.1).

2. С помощью микроконтроллеров

С помощью него можно получить множество различных оттенков света. Управление RGB-светодиодом осуществляется с помощью микроконтроллера (MK), например, Arduino (рис.2).

Конечно, можно обойтись простым блоком питания на 5 вольт, резисторами в 100-200 Ом для ограничения тока и тремя переключателями, но тогда управлять свечением и цветом придется вручную. В таком случае добиться желаемого оттенка света не получится (рис.3-4).

Проблема появляется тогда, когда нужно подсоединить к микроконтроллеру сотню цветных светодиодов. Количество выводов у контроллера ограничено, а каждому светодиоду нужно питание по четырем выводам, три из которых отвечают за цветность, а четвертый контакт является общим: в зависимости от типа светодиода он может быть анодом или катодом.

3. Контроллер для управление RGB

Для разгрузки выводов МК применяются специальные контроллеры WS2801 (5 вольт) или WS2812B (12 вольт) (рис.5).

С применением отдельного контроллера нет необходимости занимать несколько выходов MK, можно ограничиться лишь одним сигнальным выводом. МК подает сигнал на вход «Data» управляющего контроллера светодиода WS2801.

В таком сигнале содержится 24-битная информация о яркости цвета (3 канала по 8 бит на каждый цвет), а также информация для внутреннего сдвигового регистра. Именно сдвиговый регистр позволяет определять, к какому светодиоду информация адресовывается. Таким образом можно соединять несколько светодиодов последовательно, при этом использовать все так же один вывод микроконтроллера (рис.6).

4. Адресуемый светодиод

Это RGB-светодиод, только с интегрированным контроллером WS2801 непосредственно на кристалле. Корпус светодиода выполнен в виде SMD компонента для поверхностного монтажа. Такой подход позволяет расположить светодиоды максимально близко друг другу, делая свечение более детализированным (рис.7).

В интернет-магазинах можно встретить адресные светодиодные ленты, когда в одном метре умещается до 144 штук (рис.8).

Стоит учесть, что один светодиод потребляет при полной яркости всего 60-70 мА, при подключении ленты, например, на 90 светодиодов, потребуется мощный блок питания с током не менее 5 ампер. Ни в коем случае не питайте светодиодную ленту через контроллер, иначе он перегреется и сгорит от нагрузки. Используйте внешние источники питания (рис.9).

5. Недостаток адресуемых светодиодов

Адресуемая светодиодная лента не может работать при слишком низких температурах: при -15 контроллер начинает подглючивать, на более сильном морозе велик риск его выхода из строя.

Второй недостаток в том, что если выйдет из строя один светодиод, следом по цепочке откажутся работать и все остальные: внутренний сдвиговый регистр не сможет передать информацию дальше.

6. Применение адресуемых светодиодных лент

Адресуемые светодиодные ленты можно применять для декоративной подсветки машины, аквариума, фоторамок и картин, в дизайне помещений, в качестве новогодних украшений и т.д.

Получается интересное решение, если светодиодную ленту использовать в качестве фоновой подсветки Ambilight для монитора компьютера (рис.10-11).

Если вы будете использовать микроконтроллеры на базе Arduino, вам понадобится библиотека FastLed для упрощения работы со светодиодной лентой ().

Rgb светодиоды, которые иногда называют 3-хцветными, являются ничем иным, как красным, зеленым и синим диодом, совмещенными в едином корпусе. Зная об этом, несложно представить себе, как устроены rgb светодиоды. Для каждого из 3-х цветов существует своя ножка-катод, и ещё одна – общий анод. Вывод под анод является самым длинным, а катоды обычно располагаются в следующем порядке:

синий;
зеленый;
красный.

Чтобы заставить устройство светиться одним из указанных цветов, на соответствующий катод требуется подать сигнал. Если же нужен какой-то другой оттенок, его можно получить при использовании широтно-импульсной модуляции (ШИМ, PWM-сигнал). Количество получаемых в итоге цветов зависит от того, как реализовано управление и разрядности ШИМ. Белый цвет тоже довольно просто получить – для этого нужно лишь зажечь все светодиоды одновременно.

Rgb светодиоды могут иметь и другое строение, которое и определяет их основные характеристики (насколько они мощные и т.д.). В случае реализации устройства с общим катодом для каждого из цветов установлен собственный порог зажигания, отделенный от следующего парой вольт. Устройства с общим «+» включают нужный светодиод при значении «0» на выходе микроконтроллера, а с общим «-» - при «1».

Управление rgb светодиодами может быть реализована на 8-битных микроконтроллерах семейства Pic, AVR (ATtiny, ATmega) и более мощных моделях, программа для которых составляется на ассемблере.

По идее ножки микроконтроллеров должны быть рассчитаны на некую величину проходящего тока, но rgb светодиоды можно подключать через токоограничивающий резистор или pnp транзистор.

Управление rgb светодиодами

Управление светодиодами заключается в установке нужного значения их параметров. Для этого на выходы следует подавать прямоугольные импульсы определенной скважности, которые будут влиять на величину среднего тока, и, соответственно, средней яркости.

При недостаточной частоте импульсов светодиоды будут мигать. Чтобы они светили постоянно, нижний порог частоты должен быть около 60-70 Гц (мониторы старых моделей), а в идеале – не меньше 100 Гц (более мощные и современные).

При простейшей реализации управление RGB-светодиодом потребует 3 ШИМ. Сама схема не так сложна в реализации, даже если устройства довольно мощные. Задача скорее в правильной реализации программной части.

Контроллеры младших серий, как правило, не имеют не только 3 ШИМ, но даже 3-х таймеров с прерываниями (на базе которых легко реализовать ШИМ). То, как будет реализована схема управления, следует рассматривать на конкретных примерах, в зависимости от архитектуры конкретного устройства.

Теоретическая база для реализации схемы управления rgb светодиодами

Для начала следует вспомнить, что же такое ШИМ. Коротко, это режим работы устройства, при котором коэффициент заполнения (уровень сигнала) регулируется микросхемой по заданным алгоритмам.

Для реализации канала ШИМ нужно знать:

алгоритм определения коэффициента заполнения (устанавливается пользователем);
отсчет времени для сигнала верхнего уровня;
время всего импульса.

При практической реализации для этого потребуются 2 счетчика, которые будут работать по следующему алгоритму:

Запуск счетчиков, выход выставлен в «1».
Прерывание счетчика №1 (время верхнего уровня), выход переключается на «0».
Счетчик №1 выключается.
Прерывание счетчика №2 – повтор всех операций с начала.

Получается, что схема управления rgb светодиодом, вне зависимости от того, насколько устройства мощные, должна включать в себя по 2 счетчика для канала ШИМ, то есть 6 в сумме.

Даже если сделать длительность импульса одинаковой для всех каналов, их количество сократится на 2. У простых контроллеров никак не наберется 4 счетчика, но не стоит забывать, что отчет времени дискретен.

Здесь нужно подобрать квант времени, которому будут кратны длительности импульсов на каждом канале.

T=1/(f*(2 n -1)),

n – значение разрядности ШИМ;

f – частота.

Схема может включать в себя 1 счетчик для отсчета интервала Т. Чтобы он выполнял требуемую функцию, следует задать 4 установки:

Количество отсчетов верхнего уровня для 1 канала ШИМ.
Количество отсчетов верхнего уровня для 2 канала ШИМ.
Количество отсчетов верхнего уровня для 3 канала ШИМ.
Общая длительность импульса.

Прочие операции для программного счетчика (переключение, обнуление и т.д.) совершаются по прерываниям аппаратного.

Данный алгоритм – всего лишь пример схемы управления, работа которой может существенно отличаться, в зависимости от используемого микроконтроллера а также от того, как именно планируется использовать светодиоды. Более мощные устройства могут работать также на светодиодных лентах.

Если вы хотите самостоятельно усовершенствовать свой компьютер какими-нибудь навороченными «фишками», проще всего использовать для этого светодиоды – они просты в работе, дёшевы и не требуют каких-то особых навыков и ухищрений. Светодиод способен украсить ваше рабочее место, придать ему дополнительное освещение, да и просто поднять настроение. Чтобы подключить светодиод, следуйте нашей пошаговой инструкции.

Вам понадобится

1. светодиоды
2. паяльник и всё, что необходимо для работы с ним
3. резисторы, которые будут снижать напряжение и силу тока от источника питания
4. разъёмы, необходимые для подключения светодиодов к компьютеру
5. тестер для проверки напряжения
6. кусачки, чтобы зачищать провода
7. термоусадочная трубка

Инструкция

Перед началом работы убедитесь, что у вас есть все необходимые инструменты и приспособления для работы.

Подключение к разъёму 4-pin molex.Сначала давайте посмотрим, светодиод к разъёму 4-pin molex. Это довольно распространённый разъём в , поэтому вполне возможно, что в вашем компьютере он есть. Этот разъём содержит четыре :1. +12 В (жёлтый провод)
2. +5 В (красный провод)
3. Два контакта заземления (чёрные)Выберите, куда вы хотите диоды – к 12 или к 5 вольтам. Разъём приобретите или выньте из ненужного устройства. Тестером проверьте, соответствуют ли выбранные контакты, определите, где у положительный, а где отрицательный контакты.

Провода зачистите кусачками, резистор припаяйте к положительному контакту разъёма. Соединение закройте термоусадкой. Ко второму контакту резистора припаяйте положительный контакт светодиода. Закройте место термоусадочной трубкой. Возьмите отрицательный контакт светодиода и припаяйте его к контакту «земля» разъёма.

Подключение к USBМожно подключить светодиод и к кабелю с разъёмом USB. Такие кабели существуют двух видов, но принципиальной разницы в ходе работы у них нет, так что найдите любой ненужный кабель и приступайте.В USB находится четыре контакта, два из которых передают данные, один контакт – «земля», а ещё один передаёт напряжение. Вот к нему-то и нужно подключить светодиод. Тестером проверьте напряжение и определите положительный и отрицательный полюса у диода.Кусачками зачистите провода, передающие напряжения. Резистор припаяйте к положительному контакту, место спайки закройте термоусадкой. Ко второму контакту резистора присоедините положительный контакт светодиода и закройте место спайки. Отрицательный контакт диода припаяйте к контакту «земля», закройте место спайки термоусадкой. Подключите USB кабель к компьютеру и проверьте, работает ли он.