Международный школьный научный вестник
Научный журнал для старшеклассников и учителей ISSN 2542-0372

О журнале Выпуски Правила Олимпиады Учительская Поиск Личный портфель

ARDUINO И АДРЕСНАЯ СВЕТОДИОДНАЯ ЛЕНТА

Левченко О.С. 1
1 г. Н. Новгород, МБОУ «Лицей №38», 10 класс
Еделев А.Ю. (Нижний Новгород, МБОУ «Лицей №38»)
1. Джереми Блум Изучаем Arduino – инструменты и методы технического волшебства, 2015.
2. Монк С. Программируем Arduino.
3. Петин В. Arduino и Raspberry Pi в проектах Internet of Things.
4. Платт Ч. Электроника для начинающих.
5. https://all-arduino.ru/.
6. http://arduino-diy.com/arduino-chasy-realnogo-vremeni-DS1307.
7. http://edurobots.ru/2017/05/arduino-real-time-clock-ds3231/.

Пользователь современного компьютера не задумывается о функционировании отдельных частей ПК. Он просто запускает нужные программы и работает с ними. Точно также и Arduino позволяет пользователю сосредоточиться на разработке проектов, а не на изучение устройства и принципов функционирования отдельных элементов. Нет надобности в создании законченных плат и модулей. Разработчик может использовать готовые платы расширения или просто напрямую подключить к Arduino необходимые элементы. Все остальные усилия будут направлены на разработку и откладку управляющей программы на языке высокого уровня. Наличие готовых модулей и библиотек программ позволяет в электронике создавать готовые работающие устройства для рения своих задач. Варианты использования Arduino ограничены возможностями микроконтроллера, имеющего варианты платы и фантазией разработчика

Актуальность: использование перспективной технологии вывода информации с микроконтроллеров, экономия контактов ввода вывода по отношению к стандартным интерфейсам и методам (декодер, различные шины передачи данных занимают больше пинов).

Цель: создать табло со светодиодной индикации на основе цифровой RGB ленты, запрограммировав его так, чтобы выводилось время на данный момент и с помощью датчика кнопки регулировать яркость и цвет часов.

Задачи исследования:

1. Провести и изучить теоретический обзор и анализ предметной области исследования

2. Разработка электрической принципиальной схемы изделия для проведения исследования

3. Проектирование корпуса изделия на 3–D принтере

3. Реализация схемы исследования на основе цифровой RGB ленты и Arduino

4. Подключение датчика часов реального времени и кнопки

5. Написание скетча и его загрузка

Гипотеза: что, если современные технологии позволяют не разрабатывать что-то новое с нуля, а собирать его из частей, разработанных ранее, используя готовое, переступая лишь границы своего воображения.

Объект исследования: адресная светодиодная лента

Предмет исследования. Микроконтроллер «Arduino».

1. Аппаратная часть Arduino

Arduino – торговая марка аппаратно-программных средств для построения систем автоматики и робототехники. Физически Arduino представляет собой небольшую печатную плату

Все платы Arduino содержат основные компоненты, необходимые для программирования и совместной работы с другими схемами (рис. 1).

lev-1.tif

Рис. 1. Компоненты платы Arduino Uno

2. Среда разработки Arduino

Интерфейс среды разработки Arduino IDE содержит следующие основные элементы: текстовый редактор для написания кода, область для вывода сообщений, текстовая консоль, панель инструментов с традиционными кнопками и главное меню. Данный софт позволяет компьютеру взаимодействовать с Ардуино как для передачи данных, так и для прошивки кода в контроллер. Самая важная особенность Arduino – непосредственное программирование через USB-порт.

3. Технические характеристики адресной светодиодной ленты

Лента состоит из RGB пикселей WS2812B в корпусе LED 5050 (рис. 2).

lev-2.tif

Рис. 2. Светодиод WS2812B

Каждый пиксель содержит в себе красный, зелёный и синий светодиоды и контроллер ШИМ, с помощью которого можно управлять яркостью каждого светодиода и получать множество различных цветов из трёх основных (рис. 3, светодиод WS2812B).

lev-3.tif

Рис. 3. Адресная светодиодная лента

Адресная светодиодная лента (рис. 4), представляет собой ленту из адресных диодов, один светодиод состоит из RGB светодиода и контроллера с тремя транзисторными выходами. Благодаря этому появляется возможность управлять цветом (яркостью r g b) любого светодиода в ленте и создавать эффекты. Адресная лента может иметь 3–4 контакта для подключения, два из них всегда питание (5V и GND), и остальные (один или два) – логические, для управления.

4. Типы адресных матриц

Параллельное соединение

lev-4.tif

Схема 1

Плюсы:

1. Основная нагрузка по току ложится на силовые провода, а не на ленту

2. Гораздо меньше пайки

Минусы:

1. Возможны помехи из-за длины логического провода.

2. Сложность пайки к общему силовому проводу.

Последовательное соединение

lev-5.tif

Схема 2

Плюсы:

1. Выглядит опрятно.

2. Короткие провода

3. Удобно паять

4. Надежная передача сигнала

Минусы:

1. Потеря тока по длине ленты

2. Много паять

В моем проекте я использовала параллельное соединение.

Подключение адресной светодиодной ленты(матрицы) к Arduino (некоторые нюансы):

1) Команды в ленте передаются от диода к диоду. У ленты есть начало и конец, направление движение команд на некоторых моделях указано стрелочками.

3) Если между лентой и контроллером (Arduino) большое расстояние, т.е. длинные провода (длиннее 10–15 см), то сигнальный провод и землю нужно скрутить в косичку для защиты от наводок, так как протокол связи у ленты достаточно скоростной (800 кГц), на него сильно влияют внешние наводки, экранирование земляной скруткой поможет этого избежать. Без этого может наблюдаться такая картина: лента не работает до тех пор, пока не коснёшься рукой сигнального провода.

5. Проектирование корпуса изделия

lev-6.tif

Рис. 4. Каркас

Для того чтобы было комфортно смотреть на светодиоды, и они не «слепили» глаза человеку, был сделан экран из бумажного фильтра и оргстекла толщиной в 0,5 мм (рис. 5).

lev-7.tif

Рис. 5. Экран

Спроектирован корпус изделия с помощью стандартных средств в программе Компас 3D, данный корпус для данного изделия напечатан на 3D принтере ANYCUBIC 4 MAX (рис. 6).

lev-8.tif

Рис. 6. Корпус

lev-9.tif

Схема 3

5. Схема подключения на основе цифровой RGB ленты и Arduino к датчикам часам реального времени, кнопки, влажности (схема 3).

На практике

lev-10.tif

Схема 4. Подключения на основе цифровой RGB ленты и Arduino к датчику часам реального времени, кнопки, дисплея, влажности и температуры

После загруженного скетча, вывелось на табло время в данный момент (если выключить блок питания, то время все равно будет продолжать отсчитываться) и мы можем регулировать с помощью датчика кнопки цвет и яркость часов. На дисплее выводится температура и влажность. Все это еще раз доказывает многофункциональность Arduino и что это доступно, т. к. для создания электронных устройств не потребовалось дорогостоящего оборудования.

lev-11.tif

Заключение

Таким образом, c помощью Arduino мы можем управлять окружающей средой, вместо того чтобы приспосабливаться к ней. Реализации данного проекта раскрывает принципы датчиков данного класса и их взаимодействия с ардуино. На примере, которого можно научиться программировать микроконтроллеры.

На сегодняшний день, IT-технологии стремительно развиваются, стараясь автоматизировать все сферы деятельности. Локомотивом практического применения новых цифровых технологий являются промышленные предприятия, руководство подавляющего большинства которых уже в полной мере осознаёт необходимость интегрироваться в цифровую среду. Исследования показывают: те предприятия, кто успешно пользуется цифровыми технологиями в своей деятельности, более конкурентоспособны, чем те, кто отстает в своей «цифровой зрелости».

Одними из возможного варианта может стать внедрение технологий интернет вещей и технология Arduino, которые упрощает процесс работы с микроконтроллерами и обеспечивает ряд преимуществ перед другими устройствами из-за простой и понятной среды программирования, низкой цены и множеством плат расширения. Варианты использования Arduino ограничены возможностями микроконтроллера, имеющего варианты платы и фантазией разработчика. Одним из таких устройств являются приборы, которые визуализируют информацию, регистрируемую различными датчиками.


Библиографическая ссылка

Левченко О.С. ARDUINO И АДРЕСНАЯ СВЕТОДИОДНАЯ ЛЕНТА // Международный школьный научный вестник. – 2019. – № 4-1. ;
URL: https://school-herald.ru/ru/article/view?id=1111 (дата обращения: 20.10.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074