код для адресной светодиодной ленты ардуино
Подключение адресной светодиодной ленты WS2812 (NeoPixel LEDs) к Arduino
В настоящее время адресные светодиодной ленты (NeoPixel LEDs) на базе светодиодов WS2812 находят широкое применение в различных областях. В данной статье мы рассмотрим подключение подобной ленты к плате Arduino и научимся управлять ею в различных режимах.
Ранее на нашем сайте применение адресной светодиодной ленты (NeoPixel LEDs) рассматривалось в следующих проектах:
Необходимые компоненты
Что такое NeoPixel?
После своего изобретения в 1962 году светодиоды стали неотъемлемой частью нашей жизни. В большинстве электронных проектов используются светодиоды одного цвета, но использование светодиодов разных цветов выглядело настолько привлекательно, что следом за обычными светодиодами появились трехцветные светодиоды (RGB LEDs) – их еще называют полноцветными или многоцветными светодиодами. На нашем сайте можно прочитать статью о подключении подобного светодиода к плате Arduino.
Для управления RGB светодиодом необходимо 3 цифровых контакта микроконтроллера (платы Arduino). То есть, к примеру, если мы хотим управлять 60 RGB светодиодами (причем цвет каждого из них настраивать независимо от других), то нам для этой цели понадобится 180 цифровых контактов. Естественно, подобный подход очень неудобен, поэтому для управления большой совокупностью RGB светодиодов, объединенных, к примеру, в ленту, стали использовать адресацию.
Адресуемые (адресные) светодиоды (addressable LEDs) – это новое поколение светодиодов, включающих помимо RGB светодиоды также микросхему (контроллер) управления им. В настоящее время для управления подобными светодиодами наиболее часто используется контроллер WS2812, который позволяет получить доступ к множеству светодиодов с помощью одного цифрового контакта по интерфейсу one wire (1-wire), используя адреса светодиодов.
Но в отличие от обычных светодиодов данные светодиоды не включаются просто при подаче на них напряжения, для управления ими необходим микроконтроллер. NeoPixel – это марка (наименование) компании Adafruit для адресуемых светодиодов.
Почему NeoPixel?
Способность управлять отдельно каждым светодиодом в адресной светодиодной ленте дает вам возможность создать уникальные визуальный эффекты для своих проектов. Но помните о том, что если вам требуются очень высокие скорости переключения светодиодов, то использование подобной адресной светодиодной ленты нежелательно. Еще одним достоинством адресной светодиодной ленты NeoPixel является ее низкая цена по сравнению с другими типами адресуемых светодиодов. Светодиоды NeoPixel доступны в форме колец, лент, прямоугольников и поверхностей круглой формы – вы можете выбрать любой ее тип для своих проектов.
Примечание : чем больше светодиодов NeoPixel вы используете, тем больше оперативной памяти и больше мощности необходимо для управления ими, также при этом увеличивается время обработки, поэтому выбирайте оптимальное количество светодиодов NeoPixel исходя из возможностей используемого вами микроконтроллера.
Схема проекта
Схема подключения адресной светодиодной ленты WS2812 к плате Arduino представлена на следующем рисунке.
Резистор в схеме необходим для защиты от повреждений светодиодов NeoPixel и для корректной передачи данных. Наилучшее расстояние для связи между модулем светодиодов NeoPixel и микроконтроллерной платой составляет от 1 до 2 метров.
Примечание : если вы используете адресную светодиодную ленту с большим количеством светодиодов, то в этом случае рекомендуется подключать конденсатор большой емкости (приблизительно 1000 мкФ) параллельно + и – источника питающего напряжения.
Объяснение программы Arduino для работы с адресной светодиодной лентой
Подключение адресной светодиодной ленты WS2812B к Arduino
Опубликовано: 23.02.2017 20:25
Введение
Приветствую всех. Мы продолжаем знакомить Вас со светодиодными лентами. На этот раз мы рассмотрим адресную RGB светодиодную ленту WS2812B. Лента основана на светодиодах WS2812B в корпусе LED 5050, куда в корпус производители поместили не только три встроенных светодиода (Красный, Зеленый, Синий), но и управляемый ШИМ драйвер, управляющий их яркостью. Благодаря этому мы можем получить произвольный цвет, изменяя яркость встроенных светодиодов, а так же управлять отдельно взятым пикселем на ленте. Собственно, три встроенных разноцветных светодиода вместе с ШИМ драйвером и образуют светодиод WS2812B.
На фото справа вы можете увидеть этот самый светодиод WS2812B, где большой черный прямоугольник это ШИМ драйвер, а вот три встроенных в него светодиода настолько малы, что их с трудом видно, и можно отследить только по золотым нитям, идущим от драйвера к трем разноцветным светодиодам.
Технические характеристики
Теперь давайте немного пройдемся по техническим характеристикам из datasheet который мне удалось раскопать в интернете.
20мА на один встроенный светодиод, то есть
Остальное можете посмотреть самостоятельно в даташите.
Подключение
Подключается светодиодная лента довольно-таки просто, необходимо подать на +5V и GND, плюс (+) и минус (-) от 5В блока питания, а контакт DIN соединить с портом Arduino, как правило, по умолчанию используется 6-й порт Arduino, но вы вправе выбрать и любой другой свободный порт. Так же рекомендуется соединить земли Arduinoи блока питания, как нарисовано на рисунке ниже.
Будьте внимательны, лента на светодиодах WS2812B имеет направление, с одной стороны она имеет контакты DIN, +5V, GND, а с другой стороны DO, +5V, GND, подключать необходимо именно вход, то есть DIN, иначе лента не будет работать. Так же на ленте нарисованы стрелки, указывающие на направление.
Протокол
Теперь, когда мы разобрались, как подключить нашу ленту к Arduino, нам надо понять, как ею управлять, для этого в даташите есть описание протокола, который мы сейчас и рассмотрим.
Каждый светодиод WS2812B имеет один вход (DIN) и один выход (DO). Выход каждого светодиода подключается ко входу следующего. Подавать сигналы же надо на вход самого первого светодиода, таким образом, он запустит цепь, и данные будут поступать от первого ко второму, от второго к третьему и т. д.
Но не все так плохо, как кажется. Светодиоды WS2812B довольно таки популярны в Arduino сообществе, а это значит, что нам не придётся вдаваться в такие сложности, и достаточно выбрать одно из понравившихся решений.
Библиотеки
Поискав в интернете, вы найдете, как минимум, две большие библиотеки для работы со светодиодами WS2812B. Под большими библиотеками я подразумеваю не количество функций и возможностей, хотя и это то же, а количество людей, участвовавших в их разработке. Конечно, поискав, еще можно найти и другие библиотеки, разработанные отдельно взятыми ардуинщиками, но работающими не на всех микроконтроллерах Arduino и с большим количеством багов.
Теперь давайте напишем наш излюбленный пример Blink, используя обе эти библиотеки, и затем сравним их.
Пример Blink используя ленту WS2812B (с 30 светодиодами) и библиотеку FastLED
Пример Blink используя ленту WS2812B (с 30 светодиодами) и библиотеку Adafruit NeoPixel
Подытожим
Как вы видите из скетчей выше, работать с обеими библиотеками довольно таки просто. Но библиотека FastLED занимает больше места в памяти Arduino, более того чем больше пикселей в вашей ленте тем больше памяти она зарезервирует для своей работы, а точнее 3 байта на каждый пиксель. Таким образом подключить к Arduino можно не более 600 пикселей при использовании минимальной логики. По этому, мне больше приглянулась библиотека Adafruit NeoPixel. В ней только нужное для работы со светодиодными лентами и более рациональное использование памяти. Какую из этих библиотек использовать, решать, конечно, вам. Обе они работают и со своею задачей справляются на 5+.
Ну а мы на этом закончим с обзором ленты. Далее мы сделаем на ее основе несколько проектов, для более наглядной демонстрации, но это уже буду отдельные статьи. Успехов вам и удачи. Оставляйте свои отзывы и комментарии.
Управление адресной лентой ws2812 с использованием библиотеки Adafruit NeoPixel.
О чем это я и для кого?
Я хочу рассказать как быстро и просто можно оживить ленту на базе «умных» светодиодов типа WS2811(12), SK6812, INK1003 и других без лишних затрат, имея только ардуино, библиотеку Adafruit NeoPixel, кусок ленты и час свободного времени, чтобы получить подобную занятную иллюминацию или что то еще в соответствии с вашей целью. Моя цель — не эта гирлянда или готовый скетч. Весь код в тексте и в прилагаемом скетче служит только для того, чтобы показать возможности сторонней библиотеки от компании Adafruit, накидан на скорую руку, и никак не является образцом для подражания или пособием по программированию. Он всего лишь работает с кусочком ленты и демонстрирует несложные эффекты. Вам не нужно ничего тупо повторять. Считайте это подробным справочником по нескольким функциям NeoPixel с примерами их использования в коде СИ. Посему просьба оставить мокрые тапки для своих котов)
Для кого обзор? Конечно для тех, кто только начинает знакомство со смарт-лентами и имеет представление о том, как работает ардуино и как пишется под него код.
Теперь поехали)
Достаточно популярными «умные ленты» стали уже давно. Среди них существует множество китайских клонов, собранных как на обычных диодах RGB и внешними управляющими регистрами, так и «полноценные», с использованием ws2812 со встроенным в корпус 5050 контроллером. Принцип работы практически одинаков для всех лент и матриц с SPI (последовательным) интерфейсом. Это относится к WS2811(12), SK6812, INK1003 и другим подобным драйверам. На вход первого контроллера ленты передается непрерывный поток данных, в каждом пакете которого содержится 3 или 4 (для RGBW пикселей)байта со значением цвета для каждого из 3 или 4 светодиодов в пикселе. Контроллер первого пикселя «откусывает» себе первые 3(4) байта, устанавливает свой цвет в соответствии с содержимым, а остальной поток пропускает к следующим пикселям, где происходит аналогичное «откусывание» и дальнейшая передача «из рук в руки» до тех пор, пока в потоке не возникнет пауза в 50 мкс, означающая что пора принимать данные с начала)В зависимости от типа контроллера, тактовая частота может составлять 400 или 800 кГц. Это позволяет не видеть глазу переходных процессов при реализации достаточно сложных световых эффектов. В различных контроллерах может быть разной тактовая частота, разное кодирование 0 и 1 Lo-Hi уровнями и наоборот, разное следование цвета в пакете и другие мелочи, значительно усложняющие жизнь нормальным людям при выборе средств реализации задуманной елочной гирлянды или пересвета днища в 14-ке) Ленты могут иметь и 4 вывода — два питающих, один управляющий, и один тактируемый. В моем примере лента имеет три вывода — питание 12В и управление. Так же есть моменты, связанные с питанием ленты — это опять же напряжение — 5 или 12В и ток потребления на метр. Я использовал отдельный блок питания 12В. При этом нужно учитывать, что питание ленты и ардуино никак не должны между собой быть связаны, если у вас разные напряжения питания! Только по общему проводу для передачи данных. С ардуинки нужно подключить вывод GND к минусовому проводу ленты и управляющий пин 6 (или какой назначите) ко входу ленты D in. +12В подается на ленту от своего
источника питания, ардуинка питается от своего (либо от USB).
Капиталисты из Adafruit рекомендуют сигнальный провод подключать через резистор порядка нескольких сот Ом, а на саму ленту перед первым контроллером вешать по питанию электролит 1000-2000uF, но у меня все прекрасно работает и напрямую, и через килоОмный резистор при длине шлейфа около 0,5 метра и без каких либо кондеров на ленте. Все страхи актуальны имхо при гораздо бОльших отрезках ленты, чем мой)
С подключением в общем то ничего хитрого нет. Рассмотрим программную часть.
Для управления ws2812 настоящие true-программисты напишут true-код на ассемблере и прошьют true-контроллер от фирмы майкрочип, но для простых смертных выход тоже есть! Добрые дяди из Adafruit написали замечательную библиотеку, заточенную под ардуино, при помощи которой можно на простом cи из г.на и костылей (как в моем случае) соорудить вполне себе работающий г.но код и не заботиться об организации интерфейса и не заглядывать в даташиты контроллеров лент. Об этом уже позаботились авторы библиотеки и нам не нужно ничего знать, кроме ее функций и конфигурирования двух строк в привычной среде.
Что еще следует понимать — каждый пиксель — это память. И она не бесконечна. Например ардуинка uno R3 потянет не более 500 пикселей.
Лёгкая библиотека для адресной ленты v3.5
ОБНОВЛЕНИЯ
v3.3 Исправлен критический баг с влиянием на другие пины
v3.5 Исправлена ошибка компиляции в некоторых угодных компилятору случаях
ТЕОРИЯ
Мы с вами уже обсуждали адресные светодиодные ленты, есть гайд по особенностям подключения и сравнение библиотек. Что объединяет все библиотеки для управления адресной светодиодной лентой? Правильно, проблемы с нехваткой памяти, потому что один светодиод требует 3 байта оперативной памяти, по байту на каждый базовый цвет: красный, зелёный и синий. Протокол передачи данных на ленту состоит из последовательных передач байта каждого цвета, примерно так: R1, G1, B1, R2, G2, B2… Rn, Gn, Bn. Именно поэтому микроконтроллер хранит в памяти байт каждого цвета каждого светодиода в ленте. Для одного светодиода это выглядит так: RRRRRRRR GGGGGGGG BBBBBBBB – по 8 бит на каждый цвет. А что если попробовать “сжать” цвет? Мы попробовали!
БИБЛИОТЕКА
microLED v3.5
microLED – ультра-лёгкая библиотека для работы с адресной лентой/матрицей
Поддерживаемые платформы: ТОЛЬКО ДЛЯ АРХИТЕКТУРЫ AVR. тестировалось только на ATmega328 (Nano, UNO, Mini) и ATtiny85/ATtiny13. Должны поддерживаться и остальные МК этого поколения, тактовая частота только 8 и 16 МГц, а также 9.6 МГц для АТтини13.
УСТАНОВКА
ДОКУМЕНТАЦИЯ
ОСОБЕННОСТИ
Данная библиотека нужна для проектов с лентой, в которых критичен объём занимаемой оперативной памяти: его можно уменьшить в 1.5 и 3 раза по сравнению с обычными библиотеками, а также вообще отказаться от динамического буфера и управлять лентой любой длины даже с ATtiny!! Библиотека написана очень просто, используемые в ней алгоритмы и решения очень прозрачны и могут кому-нибудь пригодиться. Единственный минус: инструменты для генерации и изменения цвета работают медленнее, чем в FastLED, поэтому для быстрых красивых эффектов на большой ленте/матрице придётся подключать фастлед для быстрой математики.
ПОДДЕРЖКА FASTLED (NEW!)
ЦВЕТОВАЯ ГЛУБИНА
Цветовая глубина задаёт количество байт, которые занимает цвет одного светодиода и может быть от 1, 2 и 3 байта (8, 16 и 24 бита на один светодиод соответственно). Все остальные библиотеки используют 24-битную глубину цвета, в microLED её можно уменьшить для экономии памяти. При уменьшении цветовой глубины пропорционально уменьшается вес ленты в оперативной памяти, но в то же время ухудшается цвет: на эффектах с плавными переходами цвета будут заметны границы между оттенками. Настройка цветовой глубины задаёт работу всей библиотеки и делается при помощи дефайна COLOR_DEBTH до подключения библиотеки:
По умолчанию (если не указывать дефайн) глубина настроена на 24 бита (COLOR DEBTH 3). Понижать глубину рекомендуется только в целях экономии памяти.
ГАММА КОРРЕКЦИЯ
Ещё одна настройка, которая делается дефайном и влияет на всю библиотеку сразу. Гамма коррекция позволяет получать более естественные цвета и их смеси, а также более приятные глазу переходы яркости и реализована 4мя способами:
КАК РАБОТАЕТ БИБЛИОТЕКА?
Режим буфера
Режим потока
Тут есть некоторые ограничения: между вызовами send() должно пройти не более 50-300 мкс (в зависимости от модели ленты), иначе вывод сбросится. Для экономии времени можно заранее посчитать цвет перед выводом, например зальём всю ленту:
ИНИЦИАЛИЗАЦИЯ ЛЕНТЫ
В библиотеке версии 3 и выше лента объявляется через шаблон: microLED объект:
Оригинальные ленты на поддерживаемых библиотекой чипах имеют такой порядок цветов, также это готовая строка инициализации:
Можно вставить прямо в свой код =) Оставшиеся две настройки не являются обязательными (можно не указывать):
ОСОБЕННОСТИ 2Х ПИНОВЫХ ЛЕНТ (NEW!)
Существует два вида лент, имеющих 2 пина для управления (помимо питания):
SPI ЛЕНТЫ (NEW!)
В библиотеке версии 3.1 добавлена поддержка SPI лент, в том числе аппаратная (на базе стандартной библиотеки SPI.h). Рассмотрим куски примеров.
При выборе LED_APA102 ленту можно подключить на любые два пина и указать их при инициализации. Всё
При выборе LED_APA102_SPI лента подключается к выводам аппаратной шины SPI микроконтроллера:
Что это даёт? Аппаратный SPI позволяет выводить данные на ленту чуть ли не в 10 раз быстрее, чем программный способ! В коде должно быть:
ГЕНЕРАЦИЯ ЦВЕТА
Собственно инструменты и функции:
ГРАДИЕНТЫ
В библиотеке реализован инструмент для создания градиентов любого размера (количество цветных сегментов) и длины:
РАБОТА С ЛЕНТОЙ ПОПИКСЕЛЬНО
ЗАЛИВКА УЧАСТКОВ
ЯРКОСТЬ
РАБОТА С МАТРИЦЕЙ
ОГРАНИЧЕНИЕ ТОКА (ЯРКОСТИ)
Берём кусок ленты, например WS2818, 180 диодов (3 в каждом секторе, 60 секторов):
Так как активный ток равен холостому + активному, 160-114 = 46 чистых мА на сектор имеем 114 / 60 = 1.9 мА холостых на сектор
Берём бухту ленты, например WS2812, 60*5м = 300 диодов
Так как активный ток равен холостому + активному, 102-74 = 28 чистых мА на диод имеем 74 / 300 = 0.24 мА холостых на диод
Светодиоды и ленты
Обычные светодиоды
Светодиод – простейший индикатор, который можно использовать для отладки кода: его можно включить при срабатывании условия или просто подмигнуть. Но для начала его нужно подключить.
Подключение светодиода
Светодиод – это устройство, которое питается током, а не напряжением. Как это понимать? Яркость светодиода зависит от тока, который через него проходит. Казалось бы, достаточно знания закона Ома из первого урока в разделе, но это не так!
2.5 вольта, у синих, зелёных и белых
3.5 вольта. Более точную информацию можно узнать из документации на конкретный светодиод. Если документации нет – можно пользоваться вот этой табличкой, тут даны минимальные значения:
Мигаем
Мигать светодиодом с Ардуино очень просто: подключаем катод к GND, а анод – к пину GPIO. Очень многие уверены в том, что “аналоговые” пины являются именно аналоговыми, но это не так: это обычные цифровые пины с возможностью оцифровки аналогового сигнала. На плате Nano пины A0-A5 являются цифровыми и аналоговыми одновременно, а вот A6 и A7 – именно аналоговыми, то есть могут только читать аналоговый сигнал. Так что подключимся к A1, настраиваем пин как выход и мигаем! 
Как избавиться от delay() в любом коде я рассказывал вот в этом уроке. https://www.youtube.com/watch?v=uaiLcCd9Tnk
Мигаем плавно
Как насчёт плавного управления яркостью? Вспомним урок про ШИМ сигнал и подключим светодиод к одному из ШИМ пинов (на Nano это D3, D5, D6, D9, D10, D11). Сделаем пин как выход и сможем управлять яркостью при помощи ШИМ сигнала! Читай урок про ШИМ сигнал. Простой пример с несколькими уровнями яркости:
Подключим потенциометр на A0 и попробуем регулировать яркость с его помощью:
Как вы можете видеть, все очень просто. Сделаем ещё одну интересную вещь: попробуем плавно включать и выключать светодиод, для чего нам понадобится цикл из урока про циклы.
Плохой пример! Алгоритм плавного изменения яркости блокирует выполнение кода. Давайте сделаем его на таймере аптайма.
Теперь изменение яркости не блокирует выполнение основного цикла, но и остальной код должен быть написан таким же образом, чтобы не блокировать вызовы функции изменения яркости! Ещё одним вариантом может быть работа по прерыванию таймера, см. урок.
Ещё один момент: если подключить светодиод наоборот, к VCC, то яркость его будет инвертирована: 255 выключит светодиод, а 0 – включит, потому что ток потечет в другую сторону:
Светодиодные ленты
Светодиодная лента представляет собой цепь соединённых светодиодов. Соединены они не просто так, например обычная 12V лента состоит из сегментов по 3 светодиода в каждом. Сегменты соединены между собой параллельно, то есть на каждый приходят общие 12 Вольт. Внутри сегмента светодиоды соединены последовательно, а ток на них ограничивается общим резистором (могут стоять два для более эффективного теплоотвода): 
Таким образом достаточно просто подать 12V от источника напряжения на ленту и она будет светиться. За простоту и удобство приходится платить эффективностью. Простая математика: три белых светодиода, каждому нужно по
3.2V, суммарно это 9.6V. Подключаем ленту к 12V и понимаем, что 2.5V у нас просто уходят в тепло на резисторах. И это в лучшем случае, если резистор подобран так, чтобы светодиод горел на полную яркость.
Подключаем к Arduino
Здесь всё очень просто: смотрите предыдущий урок по управлению нагрузкой постоянного тока. Управлять можно через реле, транзистор или твердотельное реле. Нас больше всего интересует плавное управление яркостью, поэтому продублирую схему с полевым транзистором: Конечно же, можно воспользоваться китайским мосфет-модулем! Пин VCC кстати можно не подключать, он никуда не подведён на плате.
Управление
Подключенная через транзистор лента управляется точно так же, как светодиод в предыдущей главе, то есть все примеры кода с миганием, плавным миганием и управление потенциометром подходят к этой схеме. Про RGB и адресные светодиодные ленты мы поговорим в отдельных уроках.
Питание и мощность
Светодиодная лента потребляет немаленький ток, поэтому нужно убедиться в том, что выбранный блок питания, модуль или аккумулятор справится с задачей. Но сначала обязательно прочитайте урок по закону Ома! Потребляемая мощность светодиодной ленты зависит от нескольких факторов:
Лента всегда имеет характеристику мощности на погонный метр (Ватт/м), указывается именно максимальная мощность ленты при питании от номинального напряжения. Китайские ленты в основном имеют чуть меньшую фактическую мощность (в районе 80%, бывает лучше, бывает хуже). Блок питания нужно подбирать так, чтобы его мощность была больше мощности ленты, т.е. с запасом как минимум на 20%.
Важные моменты по току и подключению: