Освещение комнаты светодиодной лентой

Дисклеймер. Данный хобби-проект был сделан исключительно в развлекательных целях. Если вы захотите повторить проект вы делаете это на свой страх и риск. Если в результате ваших действий поизойдет что-то непредвиденное: у вас загорится шкаф, вас ударит током или у любимого племянника от ярких огоньков случиться эпилептический припадок, автор за это ответственности не несет.

Данная статья находится в разработке, формулировки и иллюстрации могут быть в дальнейшем изменены

Типы светодиодных лент

Светодиодная лента - это универсальный источник света, где источником света являются светодиоды. Существует большое количество типов светодиодных лент. Они подразделяются типу используемых светодиодов, влагозащищенности, способу управления, плотности светодиодов, способу крепления к подложке.

Типы светодиодов

По типам используемых светодиодов ленты подразделяются на белые, RGB, RGBW. Белые ленты могут быть использованы для освещения помещения белым однотонным белым светом. RGB ленты могут имитировать освещением любого цвета видимого диапазона. Ленты RGB имеют три типа светодиодов - R(red) красный, G(green)зеленый, и B(blue)голубой. Когда все три светодиода горят постоянно в глазу человека появляется ощущение близкое к белому цвету. Существуют также ленты RGBW где дополнительно к трем цветным светодиодам добавлен светодиод белого цвета. Это позволяет экономить ресурс цветных светодиодов, и улучшить визуальное восприятие белого света человеком. Такие ленты лучше подходят для освещения.

Управление светодиодами

Управление яркостью

Управлять яркостью светодиода можно регулируя проходяший через него ток. Однако светодиод обладает сильно нелинейной характеристикой - в зависимости от силы тока светимость изменяется незначительно. Гораздо удобнее управлять яркостью светодиода методом широтно импульсной модуляции (ШИМ). При использовании ШИМ светодиод включается на короткое время с большой частотой. Человеческий глаз и нервная система обладают высокой инерционностью и мерцание с частотой более 50 гЦ (уточнить) человек не воспринимает. Чем дольше горит светодиод тем более ярким он кажется. Тем не менее пульсации у многих людей вызывают более быструю утомляемость, а в некоторых случаях головокружение и головные боли (уточнить), поэтому мерцание более 20% считается превышением нормы и не рекомендуется для длительного использования.

Адресация светодиодов

Существуют ленты, где все светодиоды соеденены параллельно. Такие ленты хорошо подходят в том случае когда нужно равномерно осветить какиую либо поверхность либо периметр, однако в них нельзя управлять яркостью отдельных светодиодов.

Существуют ленты в которых отдельные светодиоды могут зажигаться независмо. Для этого используется чип W2812. При помощи всего одного провода этот чип может управлять до 1024 светодиодов используя ШИМ сигнал частотой 400 Гц. Эту особенность может быть использована для создания уникальных световых эффектов.

Существуют готовые проекты подобных устройств, которые легко создать в домашних условиях. Мне нравится Aircookie/WLED. Проект поддерживает более сотни визуальных эффектов, контролируется через веб браузер и через мобоильное приложение. Есть возможность подключить инфракрасный пульт дистанционного управления для светодиодной ленты. Есть поддержка систем умного дома и голосовых ассистентов.

Компоненты

Для сборки устройства вам потребуются:

плата с микроконтроллером
лента
блок питания
провода
токоограничиваюший резистор

опционально

переходник USB-UART (если используется плата без встроенного USB интерфейса)
преобразователь уровней
электролитический конденсатор 1000 мкФ
разъемы и клеммы

Микроконтроллер

Сердцем нашего устройства будет служить микроконтроллер ESP-32. Особенностью данного чипа является возможность управляться по WiFi и Bluetooth. Для ESP-32 можно писать программы в среде Arduino на языке C++. Чип питается стабилизированным напряжением 3.3 Вольта.

Чипы ESP-32 доступны на рынке как в виде модулей ESP-32 Wroower так и в виде отладочных плат с дополнительной переферией.

Если вам нравится собирать устройства с нуля, то можно воспользоваться голым модулем ESP-32 Wroower. В этом случае вам самостоятельно придется обеспечить модулю питание 3.3 Вольта и подключить цепи сброса и программирования. Для подключения модуля к компьютеру понадобится UART-TTL преобразователь.

Отладочные платы более удобны. Некоторые из них имеют на борту дополнительноую перерферию в виде UART-TTL преобразователя и стабилизатора 3.3 вольта.

ESP-32 CAM

Модуль имеет на борту камеру, которая в нашем проекте не имеет особого смысла. Модуль имеет на борту стабилизатор 3.3 вольта, который нам пригодится. Так как модуль не имеет TTL-UART преобразователя, его придется приобретать отдельно.

ESP-32 Node MCU

Модуль имеет на борту стабилизатор и UART преобразователь, поэтому его можно будет сразу использовать в нашем проекте. Потребуется только токоограничивающий резистор.

ESP-32 Переходник

Модуль не имеет не борту ничего, кроме двух конопок. Это по сути просто переходник между модулем ESP32 Wroower и макетной платой. Блок питания и UART преобразователь придется использовать внешние.

Блок питания

Чем длинее лента которую вы используете, тем более мощный блок питания вам понадобится. Каждый светодиод при полной светимости потребляет примерно 10 миллиампер, поэтому 100 светодиодов будут потреблять ток 1 Ампер. Пятиметровая лента с плотностью 30 светодиодов на метр будет потреблять 5 * 30 * 10 = 1500 миллиампер. Если вы планируете соединить три таких ленты вам потребуется блок питания 4.5 Ампер. Я использовал блок питания 5 Вольт, 20 Ампер. (todo: уточнить)

Электронная схема

Отладочная плата со стабилизатором может питаться от пяти вольт поэтому и лента и плата просто запитываются от блока питания. В случае если вы используете плату без стабилизатора, потребуется дополнительно стабилизатор 3.3 В. Сигнальный провод ленты соединяется с ногой микроконтроллера токоограничивающим резистором 65-100 Ом.

Хорошим тоном является использование преобразователя уровеней. Лента управляется логическими уровнями 5v в то время как ESP32 работает у ровнями 3.3v. Дополнительно преобразователь уровней будет зачищать устройство от внешних помех и бросков напряжения, которые могут вывести устройства из строя.

Фильтрующий конденсатор. Параллельно ленте рекомендуесят подключить конденсатор 1000 мкФ. Этот конденсатор будет сглаживать броски напряжения, которые могу привести спонтанным перезагрузкам устройсвам если блок питания не сможет обеспечить необходимый уровень тока.

Сборка устройства

Плата на базе Esp32 Wroom

Плата на базе Esp32 Cam

Прототип устройства я собрал навесным монтажем на макетной плате.

передняя сторона:

задняя сторона:

Прошивка устройства

Залить прошивку можно двумя способами - по воздуху или через компьютер. Первоначально прошивку можно залить подключив устройство к компьютеру. В дальшейшем можно будет обновлять прошивку устройства по сети. Если используемая отладочная плата уже имеет встроенный TTL-UART преобразователь, то прошить микроконтроллер можно подключив его чере USB к компьютеру. Если TTL-UART преобразователь не представлен, то устройство прошивается с использованием внешнего преобразователя.

После того как устройстова прошито оно запускается в режиме WIFI точки доступа. При подключении к ней нужно установить параметры подключения к домашней сети и перегрузуть устройства. После перезагрузки к устройству можно будет подсоединяться находясь в домашней WIFI сети.

Монтаж ленты

Моя лента уже имела клеющуюся подложку поэтому я просто наклеил ее по периметру комнаты. Для соединения лент между собой использовался обычный паяльник. Все сегменты ленты имеют на торцах медные контакты, которые просто припаиваются друг к другу.

Питание подается на ленту с обоих концов. Сигнальный провод подключается к ленте только с одного конца, замыкать его нельзя.

Корпус

Безкорпусный вариант может быть предствален просто навесной версией:

Можно поместить устройства в готовую коробку или собрать корпус самому.

Готовая коробка

Для корпуса можно использовать любую коробку подходяшего размера. Я использовал коробку из под мороженного, куда поместился блок питания и управляющая плата и еще осталось место. В процессе работы утройство выделяет тепло, убедитесь, что обеспечивается достаточный теплообмен и устройсво не перегревается. В случае необходимости можно проделать в корпусе устройсва отверстия для дополнительного теплообмена.

Самодельный корпус

Корпус был собран из алюминиевого профиля и плексигласа. Плексиглас был выкрашен с одной стороны белой краской.

Корус в сборе:

Корпус из коробки из под мороженного

Ну и конечно, если с корпусом заморачиваться не хочется, всегда можно поместить все компоненты в пустую коробку из-под мороженного.