Sovkrim - Компьютер шаг за шагом

На предыдущем уроке мы уже попробовали . Теперь же разберемся с многоцветным светодиодом, который часто называют сокращенно: RGB-светодиод .

RGB — это аббревиатура, которая расшифровывается как: Red — красный, Green — зеленый, Blue — синий. То есть внутри этого устройства размещается сразу три отдельных светодиода. В зависимости от типа, RGB-светодиод может иметь общий катод или общий анод.

Смешение цветов

Чем RGB-светодиод, лучше трех обычных? Всё дело в свойстве нашего зрения смешивать свет от разных источников, размещенных близко друг к другу. Например, если мы поставим рядом синий и красный светодиоды, то на расстоянии несколько метров их свечение сольется, и глаз увидит одну фиолетовую точку. А если добавим еще и зеленый, то точка покажется нам белой. Именно так работают мониторы компьютеров, телевизоры и уличные экраны.

Матрица телевизора состоит из отдельно стоящих точек разных цветов. Если взять лупу и посмотреть через нее на включенный монитор, то эти точки можно легко увидеть. А вот на уличном экране точки размещаются не очень плотно, так что их можно различить невооруженным глазом. Но с расстояния несколько десятков метров эти точки неразличимы.

Получается, что чем плотнее друг к другу стоят разноцветные точки, тем меньшее расстояние требуется глазу чтобы смешивать эти цвета. Отсюда вывод: в отличие от трех отдельностоящих светодиодов, смешение цветов RGB-светодиода заметно уже на расстоянии 30-70 см. Кстати, еще лучше себя показывает RGB-светодиод с матовой линзой.

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ, PWM) - веселая штука, и особенно прикольно с ее помощью управлять сервомоторами, однако сегодня мы применим ее к трехцветному светодиоду. Это позволит нам управлять его цветом и получить некое подобие красоты.

ШИМ

Гениально определение ШИМ сформулировано в Википедии , поэтому я просто скопипащу его оттуда: "ШИМ - приближение желаемого сигнала (многоуровневого или непрерывного) к действительным бинарным сигналам (с двумя уровнями - вкл / выкл ), так, что, в среднем, за некоторый отрезок времени, их значения равны. <...> ШИМ есть импульсный сигнал постоянной частоты и переменной скважности, то есть отношения периода следования импульса к его длительности. С помощью задания скважности (длительности импульсов) можно менять среднее напряжение на выходе ШИМ . "


Теперь разберемся, что это значит. Пусть есть обычный такой прямоугольный сигнал:




Он имеет фиксированную частоту и скважность 50%. Это означает, что половину периода напряжение максимально, а другую половину оно равно нулю. Проинтегрировав этот сигнал за период, мы увидим, что его энергия равна половине максимальной. Это будет эквивалентно тому, как если бы мы все время подавали половину напряжения.


Если у нас максимальное напряжение равно 5 В, то напряжение, получаемое на выходе ШИМ равно скважность умножить на 5 В (и делить на 100% чтобы формал-nazi не привязывались):

Arduino позволяет записать на ШИМ-выход значение от 0 до 255, а это значит, что мы можем получить напряжение с дискретностью примерно 20 мВ.


Трехцветный светодиод

Вот он, четырехногий красавец:

Самая длинная нога - это общий анод, а все остальные - это катоды, каждый отвечает за свой цвет: (смотрим на рисунок) самая нижняя - красный, вторая сверху - зеленый, самая верхняя - синий.

Если подать на длинную ногу +5В, а на все остальные 0В, то получится белый свет (умоляю, предохраняйтесь - ставьте ограничивающие резисторы!). Насколько он белый, можно судить по следующему видео:

Но получать белый цвет на нем как раз-таки неинтересно. Посмотрим, как заставить его переливаться разными цветами.

ШИМ на Arduino

Частота ШИМ на Arduino - примерно 490 Гц. На плате Arduino UNO выводы, которые могут быть использованы для ШИМ - 3,5,6, 9, 10 и 11. На плате к этому есть подсказка - шелкографией перед номерами ШИМ-выводов есть тильда или диез.

Нет ничего проще, чем управлять ШИМ на Arduino! Для этого используется одна единственная функция analogWrite(pin, value) , где pin - номер вывода, а value - значение от 0 до 255. При этом ничего не надо писать в void setup() !

Подробнее про это на английском языке можно почитать и .

Совсем немного работаем

Сделаем так, чтобы светодиод переливался разными цветами. Пусть один цвет плавно гаснет, в то время как другой разгорается. Поочередно будем менять пару цветов, и цвет будет переходить по кругу из красного в зеленый, из зеленого в синий, из синего в красный.

Соберем незамысловатую схему:

И напишем незамысловатый код:

//обзываем выводы соответственно цвету
int REDpin = 9;
int GREENpin = 10;
int BLUEpin = 11;

void setup (){}

void loop (){
for (int value = 0 ; value <= 255; value +=1) {
//яркость красного уменьшается
analogWrite (REDpin, value);
//яркость зеленого увеличивается
analogWrite (GREENpin, 255-value);
//синий не горит
analogWrite (BLUEpin, 255);
//пауза
delay (30);
}

for (int value = 0 ; value <= 255; value +=1) {
//красный не горит
analogWrite (REDpin, 255);
//яркость зеленого уменьшается
analogWrite (GREENpin, value);
//яркость синего увеличивается
analogWrite (BLUEpin, 255-value);
//пауза
delay (30);
}

for (int value = 0 ; value <= 255; value +=1) {
//яркость красного увеличивается
analogWrite (REDpin, 255-value);
//зеленый не горит
analogWrite (GREENpin, 255);
//яркость синего уменьшается
analogWrite (BLUEpin, value);
//пауза
delay (30);
}
}

: красный, зеленый и синий. Одновременное управляя яркостью трех светодиодов каждого из этих цветов можно создать свет практически любого цвета. Светодиоды, позволяющие менять цвет излучаемого света, такие как те, которые используются в нашем заключительном уроке, устроены подобным образом, но в их конструкции три светодиода расположены вместе в одном очень маленьком корпусе. Такой составной тройной светодиод называется RGB LED.

Давайте сделаем наш собственный светодиод RGB из трех отдельных 5-миллиметровых светодиодов. Эти три светодиода имеют прозрачные неокрашенные линзы, поэтому нам нужно светодиоды с прозрачными, бесцветными линзами могут быть любого цвета! Если вы используете другой комплект, просто найдите один красный, один зеленый и один синий светодиод (с бесцветной или окрашенной линзой).

Отключите USB-кабель и замените красный светодиод на один из светодиодов с прозрачной линзой, затем снова подключите USB-кабель.

Какого цвета светодиод? Если вы обнаружите красный с первой попытки, отложите его и повторите процесс, чтобы определить цвет двух других светодиодов.

Подключите два других светодиода с последовательно включенными резисторами на 1K к контактам 10 и 11, как показано на схеме. Загрузите и откройте код из модуля Tinkercad Circuits или скопируйте его и вставьте в новый пустой эскиз Arduino. Загрузите его в свою плату Arduino Uno и посмотрите, можете ли вы сопоставить строки кода с событиями, которые вы видите на светодиодах, как это было сделано нами ранее.

Незнакомой частью этого кода является функция setColor () ; . Это пользовательская функция, определенная в коде после функции void loop() .

void setColor(int red, int green, int blue)
{
analogWrite(redPin, red);
analogWrite(greenPin, green);
analogWrite(bluePin, blue);
}

Определение функции включает в себя объявление имени и типа аргументов, которые вы можете использовать в качестве настраиваемых параметров. Эти параметры вы можете изменить каждый раз при выполнении кода. В этой простой функции три целых значения записываются в три светодиодных вывода, используя уже знакомую нам функцию analogWrite () ; .
setColor(255, 255, 0); // yellow

Каждый раз, когда в основном цикле вызывается эта функция, программа выполняет код в функции перед тем, как продолжить выполнение основного цикла. В этом случае аргументы используются в качестве кода уровня яркости каждого из светодиодов. Диапазон для установки яркости составляет 0-255, так как для управления каждым цветом используется один байт, что позволяет использовать 256 отдельных уровней яркости.

Теперь загрузите и откройте код из этого более сложного проекта RGB или скопируйте и вставьте код в новый пустой эскиз Arduino. Прочтите комментарии в коде, чтобы больше узнать о том, как работает эта программа. Код делает некоторые математические вычисления для преобразования диапазона 0-100 в нужный диапазон, который требуется светодиодам (0-255). Это удобно, так как вы можете думать о яркости в процентах вместо диапазона 0-255.

Для хранения информации о цвете, код использует набор переменных, называемый

Трехцветный светодиод может переливаться всеми цветами радуги! Согласитесь, это намного интереснее, чем просто мигать обычным светодиодом
Начнем третий урок знакомства с Arduino.

Подключение оборудования:
На самом деле, трехцветный светодиод, это три светодиода (красный, зеленый и синий) в одном корпусе. Когда мы запускаем его с разной степенью яркости и интенсивности красного, зеленого и синего, мы получаем на выходе новые цвета.

На кромке светодиода есть небольшой скос, это ключ, он указывает на ножку красного светодиода, дальше идет общая, дальше зеленый и синий.

Подключите ногу КРАСНОГО светодиода к резистору 330 Ом. Подключите другой конец резистора в порт Arduino pin9.

Подключите Общий вывод к земле GND .

Подключите ногу ЗЕЛЕНОГО к резистору 330 Ом.

Подключите другой конец резистора в порт Arduino pin10.

Подключите ногу СИНЕГО к резистору 330 Ом.

Подключите другой конец резистора в порт Arduino pin11.

Следующий рисунок показывает внешний вид макетной платы с собранной схемой, и плату Arduino с проводами идущими от макетной платы.

Набор для экспериментов ArduinoKit
Код программы для опыта №3:

Остается загрузить программу в Arduino через USB шнур. Скачать скетч с третьим уроком LED RGB — выше в статье.

Многоцветные светодиоды, или как их еще называют RGB, используются для индикации и создания динамически изменяющейся по цвету подсветки. Фактически ничего особенного в них нет, давайте разберемся, как они работают и что такое RGB-светодиоды.

Внутреннее устройство

На самом деле RGB-светодиод - это три одноцветных кристалла совмещенные в одном корпусе. Название RGB расшифровывается, как Red - красный, Green - зеленый, Blue - синий соответственно цветам, которые излучает каждый из кристаллов.

Эти три цвета являются базовыми, и на их смешении формируется любой цвет, такая технология давно применяется в телевидении и фотографии. На картинке, что расположена выше, видно свечение каждого кристалла по отдельности.

На этой картинке вы видите принцип смешивания цветов, для получения всех оттенков.

Кристаллы в RGB-светодиоды могут быть соединены по схеме:

С общим анодом;

С общим катодом;

Не соединены.

В первых двух вариантах вы увидите, что у светодиода есть 4 вывода:

Или 6-тью выводами в последнем случае:

Вы можете видеть на фотографии под линзой четко видны три кристалла.

Для таких светодиодов продаются специальные монтажные площадки, на них даже указывают назначение выводов.

Нельзя оставить без внимания и RGBW - светодиоды, их отличие состоит в том, что в их корпусе есть еще один кристалл излучающий свет белого цвета.

Естественно не обошлось и без лент с такими светодиодами.

На этой картинке изображена лента с RGB-светодиодами , собранные по схеме с общим анодом, регулировка интенсивности свечения осуществляется путем управления «-» (минусом) источника питания.

Для изменения цвета RGB-ленты используются специальные RGB-контроллеры - устройства для коммутации напряжения подаваемого на ленту.

Вот цоколевка RGB SMD5050:

И ленты, особенностей работы с RGB-лентами нет, всё остается также как и с одноцветными моделями.

Для них есть и коннекторы для подсоединения светодиодной ленты без пайки.

Вот распиновка 5-ти мм РГБ-светодиода:

Как изменяется цвет свечения

Регулировка цвета осуществляется путем регулировки яркости излучения каждым из кристаллов. Мы уже рассматривали .

RGB-контроллер для ленты работает по такому же принципу, в нём стоит микропроцессор, который управляет минусовым выводом источника питания - подключает и отключает его от цепи соответствующего цвета. Обычно в комплекте с контроллером идёт пульт дистанционного управления. Контроллеры бывают разной мощности, от этого зависит их размер, начиная от такого миниатюрного.

Да такого мощного устройства в корпусе размером с блок питания.

Они подключаются к ленте по такой схеме:

Так как сечение дорожек на ленте не позволяет подключать последовательно с ней следующий отрезок ленты, если длина первого превышает 5м, нужно подключать второй отрезок проводами напрямую от РГБ-контроллера.

Но можно выйти из положения, и не тянуть дополнительных 4 провода на 5 метров от контроллера и использовать RGB-усилитель. Для его работы нужно протянуть всего 2 провода (плюс и минус 12В) или запитать еще один блок питания от ближайшего источника 220В, а также 4 «информационных» провода от предыдущего отрезка (R, G и B) они нужны для получения команд от контроллера, чтобы вся конструкция светилась одинаково.

А к усилителю уже подключают следующий отрезок, т.е. он использует сигнал с предыдущего куска ленты. То есть вы можете запитать ленту от усилителя, который будет расположен непосредственно возле неё, тем самым сэкономив деньги и время на прокладку проводов от первичного RGB-контроллера.

Регулируем RGB-led своими руками

Итак, есть два варианта для управления RGB-светодиодами:

Вот вариант схемы без использования ардуин и других микроконтроллеров, с помощью трёх драйверов CAT4101, способных выдавать ток до 1А.

Однако сейчас достаточно дешево стоят контроллеры и если нужно регулировать светодиодную ленту - то лучше приобрести готовый вариант. Схемы с ардуино гораздо проще, тем более вы можете написать скетч, с которым вы будете либо вручную задавать цвет, либо перебор цветов будет автоматическим в соответствии с заданным алгоритмом.

Заключение

RGB-светодиоды позволяют сделать интересные световые эффекты используются в дизайне интерьеров, как подсветка для бытовой техники, для эффекта расширения экрана телевизора. Особых отличий при работе с ними от обычных светодиодов - нет.