Arbre de fabrication de LED RVB : 15 étapes (avec photos)

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:08

Notre makerspace local a parrainé un arbre qui sera exposé sur Main Street pour le mois de décembre (2018). Au cours de notre session de brainstorming, nous avons eu l'idée de mettre une quantité ridicule de LED sur l'arbre à la place des ornements traditionnels. En tant que créateurs qui aiment faire les choses un peu plus haut, nous avons rapidement décidé qu'un arbre qui pourrait jouer des animations serait non seulement amusant, mais générerait également du buzz.

J'ai recherché des solutions existantes qui utilisaient des contrôleurs LED dédiés et j'ai décidé que la proximité de la source ne ferait tout simplement pas l'affaire. Je suis tombé sur un excellent tutoriel d'Adafruit sur l'utilisation de leurs contrôleurs LED "FadeCandy". Ce petit tableau soigné a fait un certain nombre d'apparitions dans Burning Man et a beaucoup de bons exemples à partir desquels travailler. L'arbre se compose de 24 brins de souches de LED RVB adressables individuellement, contrôlées à l'aide de cartes FadeCandy et alimentées par une seule alimentation 5V 60A. Un Raspberry Pi diffuse des animations sur les cartes FadeCandy via des câbles micro-USB, qui à leur tour se connectent aux brins LED individuels. Les brins sont disposés radialement pour former une forme de cône/arbre comme vu ci-dessus.

L'avantage de cette configuration est qu'elle n'est pas limitée à une seule utilisation. Les brins LED peuvent être réarrangés pour former de nombreuses formes, y compris une vieille grille régulière. Nous espérons réutiliser cette configuration pour créer une exposition / un jeu interactif pour notre prochaine Mini MakerFaire au printemps.

Étape 1: Liste des pièces

• 2x - 5V WS2811 brins LED (20 brins x 50 pixels = 1000 pixels)
• 5x - Connecteurs étanches à 3 broches (paquet de 5)
• Bandes de montage RVB 24x - 12MM
• 3x - Contrôleurs LED Adafruit FadeCandy
• 6x - Blocs de distribution d'alimentation
• 1x - 5V 60A (300W) Alimentation
• 1x-RJ-45 Punch Down Sockets (paquet de 10)
• 2x - 22 AWG fil d'alimentation (65 pi)
• 1x - Kit de connecteur Anderson
• 1x - porte-fusibles en ligne 12 AWG
• 3x - 2x8 boîtier de connecteur à sertir
• 1x - Broches à sertir femelles de 0,1" (paquet de 100)
• 6x - Coffrets électriques étanches
• 3x - 20A Fusible
• 1x - Câble d'alimentation pour ordinateur
• 1x - Raspberry Pi 3
• 1x - Carte MicroSD
• 24 pieds - câble CAT5/CAT6
• Fil de 15 pieds - 12 AWG (rouge et noir)
• 6x - RJ-45 extrémités à sertir
• 2x - 4x8 feuille de contreplaqué 3/4"
• 2x - cornière de 4'
• 200x - Attaches zippées
• ~144x - Connecteurs d'épissure étanches (facultatif mais un gain de temps considérable)
• Souder
• Thermorétractable
• Calfeutrage

Étape 2: Présentation du système électrique

Comme le montre le schéma ci-dessus, le système électrique de l'arbre peut être divisé en plusieurs composants principaux: boîtier de commande, boîtes de jonction de puissance, boîtes de jonction de données et brins de LED. Le boîtier de commande abrite l'alimentation 5V 60A et le Raspberry Pi. Les boîtes de jonction de données contiennent les contrôleurs LED FadeCandy. Les boîtes de jonction d'alimentation contiennent des barres omnibus pour distribuer l'alimentation (5V et GND) aux brins LED. Chaque paire de boîtes de jonction (une data + une alimentation) contrôle huit brins LED. Comme il y a 24 brins de LED utilisés dans ce projet, il y a trois ensembles de boîtes de jonction (six au total).

*Il y a une erreur dans le diagramme ci-dessus, le câble CAT6 0 (brins 0-7) devrait être (brins 0-3) et le câble CAT6 1 (brin 7-15) devrait être (brins 4-7).

Étape 3: Fixez les connecteurs étanches

Comme l'arbre était destiné à une utilisation en extérieur, des précautions supplémentaires ont été prises pour s'assurer que toutes les connexions étaient étanches. Pour ceux qui souhaitent réaliser un projet intérieur similaire, les connecteurs étanches peuvent être ignorés au profit des connecteurs JST 3 broches fournis avec les brins LED. Une grande partie du travail sur ce projet a été consacrée à la soudure des connecteurs étanches aux brins.

Pour notre configuration, nous avons coupé le connecteur JST existant du brin LED et avons attaché un connecteur étanche à 3 broches à sa place. Il faut prendre soin d'ajouter le connecteur du côté "entrée" du brin LED, la connexion de données sur les brins LED est directionnelle. Nous avons constaté que chaque LED avait une petite flèche indiquant la direction des données. Nous avons initialement attaché chacun des trois fils du côté du brin LED à l'aide d'une technique impliquant la soudure, le thermorétractable et le calfeutrage. Finalement, nous sommes passés à l'utilisation de ces connecteurs d'épissure étanches, ce qui s'est avéré être un énorme gain de temps.

Du côté alimentation/données (c'est-à-dire le côté auquel les brins LED se connectent), nous avons utilisé un fil 22 AWG pour l'alimentation/la terre et un câble CAT6 pour les données/la terre. Chaque câble CAT6 contient quatre paires torsadées, nous pourrions donc connecter quatre brins de LED à un seul câble CAT6. Le schéma ci-dessus montre comment le brin de LED à 3 broches se décompose en 4 fils (5V, GND, Data). Connecter quatre fils à trois fils semblait être un point de confusion lors de l'assemblage de ce projet. L'essentiel à retenir est que les deux masses (Data + Power) sont combinées au niveau du connecteur étanche.

Chaque câble CAT6 était terminé par un connecteur RJ-45 qui se branche dans un boîtier femelle RJ-45 connecté à une carte FadeCandy. Les fils CAT6 auraient pu être soudés directement aux cartes FadeCandy, mais nous avons choisi d'ajouter des connecteurs pour permettre des réparations plus faciles si nécessaire. Nous avons fait tout notre câblage de 48 pouces de long pour nous donner une certaine flexibilité lors de l'assemblage physique de l'arbre.

Étape 4: Fixez les connecteurs aux cartes FadeCandy

Les cartes FadeCandy que nous avons achetées n'étaient pas livrées avec des en-têtes attachés, mais il y avait plutôt deux rangées de vias espacés de 0,1". le cas où nous devions remplacer un FadeCandy (il s'avère que nous l'avons fait !), nous avons également ajouté des broches de 0,1" à chaque carte FadeCandy. Nous avons attaché des broches à sertir femelles à chacun des huit fils attachés à la prise RJ-45 pour se connecter aux en-têtes de 0,1". En plus de sertir les broches sur chaque fil, j'ai également ajouté un peu de soudure pour empêcher les broches Bien sûr, je n'ai découvert ce "truc" de soudure qu'après que la moitié des broches que j'ai serties aient échoué sur moi, leçon apprise.

Étape 5: Insérez les LED dans les bandes d'espacement

Après avoir lu quelques messages sur le forum et regardé des vidéos d'autres personnes qui ont fait des « arbres » similaires, l'utilisation d'entretoises en plastique semblait être un élément récurrent. Les bandes permettent d'ajuster l'espacement des LED pour s'adapter aux besoins individuels et permettent de tendre les brins de LED entre les anneaux d'arbre supérieur et inférieur. La taille de la LED doit correspondre à la taille des trous d'espacement (dans notre cas 12 mm), de sorte que chaque LED s'adapte parfaitement dans les trous des entretoises. Nous avons décidé d'avoir nos LED en zigzag, de sorte que 24 brins de LED forment 48 colonnes autour de l'arbre.

Nous avons fait une erreur à ce stade qui nous a obligés à générer des "trous" supplémentaires pour les LED. Nous avons coupé les bandes en deux pour avoir 48 longueurs d'entretoises. Ce que nous avons découvert, c'est que chaque espaceur de huit pieds contenait 96 trous (un par pouce) et les couper en deux sur un trou signifiait qu'il nous manquait quatre trous par brin de LED. Tenez compte de notre erreur et comptez-en à l'avance ! Nous avons finalement découpé au laser quelques "extensions" pour ajouter les trous manquants.

Le fichier vectoriel utilisé pour découper au laser les supports d'extension est joint ci-dessous ("TreeLightBracket.eps")

Étape 6: Assembler les boîtes de jonction d'alimentation

Les trois boîtiers de distribution électrique abritent chacun une paire de barres omnibus. La première barre distribue 5V et l'autre distribue GND. Comme notre arbre était exposé à l'extérieur, nous avons choisi d'utiliser des boîtiers électriques étanches pour abriter les barres omnibus. Nous avons attaché chaque barre en place à l'aide de colle chaude et ajouté un morceau de chemise en papier entre chaque barre et le boîtier pour éviter les courts-circuits. Chaque boîte de jonction d'alimentation se connecte à huit brins de LED via le fil 22 AWG décrit précédemment. Chaque boîtier se connecte à l'alimentation principale à l'aide d'un fil 12 AWG et dispose d'un connecteur "Anderson" pour faciliter le transport.

Étape 7: Assembler les boîtes de jonction de données

En utilisant les mêmes boîtiers que pour les boîtiers de distribution électrique, nous avons créé trois boîtiers de distribution « données » abritant chacun une seule carte FadeCandy. Les câbles micro USB du Raspberry Pi se connectent aux cartes FadeCandy à l'intérieur de cette boîte et les câbles CAT6 se connectent également aux prises femelles RJ-45. Comme les planches FadeCandy n'ont pas de grands trous de montage, nous avons attaché chaque planche à un morceau de contreplaqué. Ce contreplaqué servait également d'isolant pour empêcher la carte de court-circuiter contre le boîtier électrique.

Étape 8: Câbler l'alimentation

Le monstre 5V 60A d'une alimentation que nous avons commandé fournit de l'énergie pour l'ensemble du projet. Chacune des trois boîtes de jonction d'alimentation se connecte à cette alimentation principale avec un fil 12 AWG. Chaque boîte de jonction a sa propre paire de connecteurs Anderson et un fusible en ligne de 20 A pour isoler tout court-circuit. Le Raspberry Pi est également alimenté par cette alimentation, ce que j'ai accompli en coupant un câble USB et en connectant les fils d'alimentation/de terre aux bornes d'alimentation. Comme ces fils étaient assez petits, j'ai également ajouté quelques attaches zippées pour ajouter un certain soulagement de la traction sur ces connexions. L'alimentation n'était pas fournie avec une prise secteur, j'ai donc coupé un câble d'alimentation standard pour ordinateur/moniteur et l'ai attaché aux bornes à vis. Soyez très prudent sur scène et vérifiez trois fois votre travail ! J'ai trouvé ce projet Adafruit extrêmement utile pour comprendre comment l'alimentation est connectée.

Étape 9: Configurer Raspberry Pi

J'ai configuré une carte microSD avec le système d'exploitation Raspbian et configuré un serveur FadeCandy en utilisant les instructions trouvées ici:

learn.adafruit.com/1500-neopixel-led-curta…

learn.adafruit.com/1500-neopixel-led-curta…

J'ai trouvé que le référentiel OpenPixelControl avait un excellent ensemble d'exemples pour l'interfaçage avec le serveur FadeCandy. J'ai finalement fini par écrire un script Python pour boucler les animations sur l'arbre lorsque le Pi a démarré. Il charge les vidéos à notre résolution cible, parcourt la vidéo image par image et envoie un tableau de contrôle FadeCandy pour chaque image. Le fichier de configuration FadeCandy permet à plusieurs cartes d'être interfacées comme s'il s'agissait d'une seule carte et permet une interface très propre. Le script python qui contrôle l'arborescence est configuré pour charger des fichiers à partir d'un dossier spécifique. En tant que tel, ajuster les animations est aussi simple que d'ajouter/supprimer des fichiers vidéo de ce dossier.

Au cours du test de l'arbre, j'ai réussi à corrompre une carte microSD. J'attribue cela à la mise hors tension du Pi sans effectuer un arrêt approprié. Pour éviter de futurs incidents, j'ai ajouté un bouton-poussoir et l'ai configuré pour éteindre le Pi en toute sécurité. J'ai également fait plusieurs sauvegardes de la carte microSD finale, juste au cas où.

Avant de recevoir toutes les pièces de l'arborescence réelle, j'ai créé le référentiel OpenPixelControl git hub et découvert un simulateur LED soigné à l'intérieur. J'ai en fait utilisé ce programme pour tester une grande partie du script d'animation mentionné ci-dessus. Le simulateur prend un fichier de configuration qui indique le placement physique de chaque LED dans l'espace (pensez à X, Y, Z) et utilise la même interface que le programme serveur FadeCandy.

Étape 10: Faire des animations

Le script Python précédemment lié peut lire n'importe quel format vidéo sur l'arborescence, tant que la résolution est de 96x50. La résolution de l'arbre est de 48x25, mais l'outil que j'utilisais pour convertir des vidéos en résolution inférieure (Handbrake) avait une limite de pixels minimale de 32 pixels. Pour cette raison, j'ai simplement doublé la résolution réelle de l'arbre, puis j'ai échantillonné un pixel sur deux dans mon script Python.

Le processus que j'ai utilisé pour la plupart des animations consistait à trouver ou à générer un GIF, puis à le recadrer (à l'aide du frein à main) jusqu'à ce que le rapport hauteur/largeur soit de 1,92:1. Je changerais alors la résolution de sortie à la cible 96x50 et commencerais la conversion. Certains fichiers-g.webp

En utilisant l'interface OpenPixelControl, vous pouvez également générer des modèles par programme. Lors des tests initiaux, j'ai beaucoup utilisé le script python "raver_plaid.py".

Les animations utilisées pour notre arbre sont jointes sous "makerTreeAnimations.zip".

Étape 11: Test du système électrique

Avec tous les principaux composants électriques/logiciels connectés, il était temps de tout tester. J'ai construit un simple cadre en bois pour tendre les brins de LED, ce qui s'est avéré très utile pour identifier si des brins étaient en panne (il y en avait plusieurs). Les vidéos ci-dessus montrent une démo en conserve d'OpenPixelControl et mon script Python de lecteur vidéo personnalisé exécutant une animation Mario.

Étape 12: Construire le cadre

Nous avons attaché tous les brins de LED à un cadre prototype que nous construisons à partir de tubes en PVC et pex. Nous avons laissé les attaches en vrac afin de pouvoir les repositionner si nécessaire. Cela s'est avéré être une excellente décision car nous avons décidé que le PVC vertical brisait trop la grille LED et sommes passés à une conception CNC à la place. La conception finale se compose essentiellement d'une boucle supérieure et d'une boucle inférieure. La boucle inférieure est montée à la base de l'arbre et a un diamètre plus grand que la boucle supérieure qui est (sans surprise), montée au sommet de l'arbre. Les brins de LED s'étendent entre les boucles supérieure et inférieure pour former le cône (ou "arbre" si vous préférez).

Les deux boucles ont été découpées dans du contreplaqué 3/4" sur un routeur CNC, le fichier vectoriel des boucles est joint ci-dessous ("TreeMountingPlates.eps"). Les boucles supérieure et inférieure sont chacune constituées de deux pièces semi-circulaires qui forment un boucle. La conception en deux pièces était telle que nous pouvions facilement attacher les deux moitiés autour de l'arbre sans endommager les branches. Notre gourou CNC local a ajouté un peu de style en transformant les boucles du cadre supérieur et inférieur en flocons de neige. Une touche de peinture blanche et des paillettes ont également été ajoutées pour embellir le cadre.

Étape 13: Construisez le disque inférieur / Montez l'électronique

Nous avons découpé deux demi-cercles dans un autre morceau de contreplaqué du même diamètre que la boucle inférieure décrite précédemment afin de monter l'électronique (boîtier de commande, boîtes de jonction) sous la boucle inférieure. Comme pour les boucles supérieure et inférieure, il a été fabriqué en deux pièces, puis jointes le long de la ligne centrale pour former un cercle complet. Le disque a été peint en vert pour l'aider à se fondre et le protéger de la pluie. Nous avons monté tous les boîtiers électroniques sur la face inférieure de ce disque, de telle sorte que le disque forme une sorte de parapluie pour les composants électriques. Les longueurs de fil en excès ont été enroulées et zippées attachées à ce disque pour maintenir une apparence propre.

Étape 14: Fixez le cadre à l'arbre

Lorsque les boucles du cadre supérieur et inférieur étaient sèches, nous avons enfoncé plusieurs longs morceaux de cornière dans le pot de l'arbre pour aider à stabiliser le tronc. L'équerre a également fourni des points de montage pour les boucles du cadre supérieur et inférieur, sans ajouter de contrainte à l'arbre physique. Avec tous les brins de LED attachés à la boucle supérieure, nous avons utilisé un morceau de corde pour suspendre l'ensemble de l'anneau supérieur au plafond. Nous avons constaté qu'il était plus facile d'abaisser lentement l'anneau sur l'arbre au lieu d'essayer de le maintenir en place à la main. Une fois l'anneau supérieur en place sur la cornière, nous avons attaché l'anneau inférieur à l'arbre et avons également attaché les brins de LED fermement à la boucle inférieure. Le disque inférieur (vert) était monté directement sous la boucle inférieure avec toute l'électronique attachée.

Étape 15: Livrer (facultatif)

Maintenant, asseyez-vous et profitez des fruits de votre (notre) travail ! Notre arbre sera exposé à North Little Rock pendant tout le mois de décembre (2018). Je réfléchis déjà à la façon dont nous pouvons rendre l'affichage interactif pour notre mini MakerFaire au printemps.

Avez-vous des questions? Demandez dans les commentaires !

Finaliste du concours Make it Glow 2018