Осеннее "дерево" из бисера со светодиодной подсветкой

В статье рассказано о разработке и изготовлении сувенира на основе платы RobotDyn nano, которая управляет иллюминацией "дерева", собранного из оранжевого бисера на проволочном каркасе. Все светодиоды меняют свою яркость случайным образом, так что в каждый промежуток времени иллюминация образует неповторяющийся световой рисунок. Изготовление такого сувенира в кружке радиоэлектроники не только позволяет ознакомиться с важными вопросами работы микроконтроллеров, но и даёт возможность познакомить обучающихся с декоративным материалом, который обычно оказывается вне поля зрения любителей электроники.

Автомат световых эффектов является одним из самых простых проектов, которые можно собрать на основе аппаратной платформы Arduino. При этом даже сравнительно простая задача управления светодиодами позволяет изучить достаточно много принципиально важных моментов, касающихся работы с микроконтроллерами: реализация аппаратной и программной ШИМ, работа с АЦП, генерация случайных чисел и т. п. Кроме этого, реализация описываемой поделки позволит ознакомиться с простейшими приёмами работы с бисером — материалом, с которым, как смеет предположить автор, радиолюбители сталкиваются не слишком часто. Для педагогов дополнительного образования также важно, что изготовление подобных сувениров поможет наладить межкружковое взаимодействие с объединениями декоративно-прикладного творчества.


Схема автомата световых эффектов предельно проста и представлена на рис. 1. Основой устройства является плата RobotDyn nano, которая является аналогом Arduino nano. RobotDyn nano представляет собой печатную плату размерами 44x18 мм и, в отличие от Arduino uno и подобных ей плат, использованная в данном проекте плата одинаково хорошо подходит как для обучения и макетной сборки устройств, так и для установки в законченные устройства. Для питания и связи с компьютером она снабжена разъёмом microUSB. Для управления светодиодами задействованы цифровые порты D2—D13 и входы АО—А5, к каждому из которых подключено по одному светодиоду HL1 — HL20.

Применены светодиоды HL1 и HL17 — GNL-5013YC, светодиоды HL2—HL11 — GNL-3012HD, светодиоды HL12—HL15 — GNL-3012YD, светодиод HL16 — GNL-5013UEC, светодиоды HL18—HL20 — GNL-5053UYC. Последовательно со светодиодами включены токоограничивающие резисторы R1 — R20 сопротивлением 510 Ом (МЛТ, С2-23). Следует отметить, что можно использовать любые маломощные светодиоды с подходящим цветом свечения с учётом правильно подобранных токоограничивающих резисторов при условии, что ток, потребляемый отдельно взятым светодиодом, не превышает 20 мА. Сведений о максимальном токе, который плата RobotDyn nano может длительное время выдавать на все задействованные порты, автору найти не удалось, поэтому разумным будет ограничиться стандартным для платформы Arduino значением в 200 мА.

Программа для сувенира разработана в среде Arduino IDE. В строках с 5 по 15 происходят инициализация необходимых переменных и подключение библиотеки для работы с таймерами. В строке 5 подключается сторонняя библиотека для работы с таймерами [1]. Эту библиотеку можно найти на сайте [2]. В строке 7 инициализируется переменная п, которая определяет число светодиодов, управляемых с помощью ШИМ. В строке 8 инициализируется переменная к, которая определяет число светодиодов, которые могут быть включены одновременно. В данном случае оно ограничено 10 так, чтобы ни при каких обстоятельствах ток, отдаваемый микроконтроллером, не приблизился к предельно допустимым значениям. Кроме этого, периодические включения и отключения светодиодов вместе с их постоянно изменяющейся яркостью каждый раз образуют случайный световой рисунок.


В строке 9 инициализируется переменная т, в которой хранится информация о числе работающих светодиодов. В строке 11 инициализируется массив P_W_M, в котором будут храниться переменные, отвечающие за значения коэффициентов заполнения ШИМ для каждого конкретного светодиода. В строке 13 инициализируется массив led для логических переменных, которые будут разрешать или запрещать работу светодиода, подключённого к определённому порту. В строке 15 инициализируется переменная р, в которой хранится максимально возможное значение, которое могут принимать переменные из массива P_W_M.

Строки с 17 по 37 предназначены для размещения функции setup(). В строках 20—22 располагается цикл, в котором инициализируются порты для подключения светодиодов. В строках 25—26, согласно примеру [3], инициализируется таймер 2 для работы с прерываниями. В строках 30—34 происходит генерация случайного числа, необходимого для работы функции randomSeed(seed) (строка 36) [4]. Участок кода с 30 по 36 строки взят из примера [5].

В строках 39—51 размещена функция 1оор(). В цикле, расположенном в строках 41—43, массив P_W_M заполняется случайными числами, отражающи ми текущую яркость каждого конкретного светодиода. В строках 46— 49    помещён цикл, в котором происходит заполнение массива led случайными логическими значениями, таким образом, в текущей итерации loop смогут работать только светодиоды, для которых в массиве led установилось значение true. В строке 50    устанавливается время в миллисекундах между обновлениями светового рисунка, образуемого светодиодами (10 с в этом случае).

В строках 59—85 располагается процедура pwmTick, написанная на основе кода из примера [3], в котором рассматривается проблема программной реализации ШИМ на аппаратной платформе Arduino. В строке 60 инициализируется переменная counter, используемая таймером Arduino, состояние которого определяет момент выключения определённого светодиода. В строке 62 проверяется, равна ли переменная counter нулю, если это так, то в строках 64—74 запускается цикл установки новых состояний всех светодиодов. В сроке 68 проверяется, следует ли включать і-й светодиод, т. е. в массиве P_W_M для этого светодиода должно быть значение больше нуля, а в массиве led для этого светодиода должно быть значение true. Если эти условия соблюдаются, то в строке 69 проверяется, не превысило ли число уже включённых светодиодов m заранее определённое число к. Эта проверка введена для того, чтобы ни при каких обстоятельствах все светодиоды не могли включиться одновременно. В строке 70 включается і-й светодиод. В строке 71 число включённых светодиодов m увеличивается на единицу. В строках 78—80 расположен цикл, в котором проверяется, не настало ли время выключать каждый конкретный светодиод, для чего в строке 79 сравнивается значение переменной counter с соответствующим значением из массива P_W_M. В строке 82 обнуляется число горящих светодиодов. В строке 84 счётчик counter увеличивается на единицу. В строках 87—89 реализована обработка прерывания по таймеру, в которой вызывается процедура pwmTick.

Изготовление декоративного оформления сувенира не представляет никаких сложностей и вполне доступно человеку, никогда не занимавшемуся изготовлением сувениров из бисера. Точные рекомендации здесь дать достаточно сложно, так как каждое изготовленное из бисера дерево получается немного отличающимся от других как минимум формой и расположением веток. Примерно понадобится 1О...15м медной проволоки диаметром около 0,5 мм и 100...150 г бисера. Конкретное количество материалов зависит от размеров "дерева", которое вы собираетесь "вырастить". Расцветку бисера нужно подбирать в соответствии с цветами светодиодов. В данном случае автор использовал бисер оранжевого цвета.


Технология плетения веточек бисерного "дерева" весьма проста [6] и состоит в следующем. Надо взять несколько десятков бисерин и отрезок проволоки длиной 200...400 мм (рис. 2). Проволоку сгибают пополам и на неё нанизывают 10... 15 бисерин так, чтобы они располагались в районе изгиба (рис. 3). Затем на проволоке, в месте нахождения бисерин, закручивается петля. Так будет сформирован первый бисерный "листок" на "ветке" нашего "дерева" (рис. 4).

Далее на один из концов проволоки снова нанизывают 10... 15 бисерин (рис. 5) и делают петлю, аналогичную предыдущей (рис. 6). Повторяют эту процедуру симметрично с противоположной стороны и продолжают формировать "листочки", пока "ветка" не достигнет необходимой длины. Продолжая действовать аналогично, можно довести число "листочков" на одной "ветке" до 11 — 15. Подобным образом следует изготовить необходимое число "веток". Следует иметь в виду, что для того, чтобы бисерное "дерево" смотрелось реалистично, необходимо заготовить "ветки" разной длины (рис. 7).

Для основания "ствола" бисерного "дерева" была использована медная проволока диаметром 1,7 мм. В нижней части к ней была припаяна проволока такого же диаметра, так чтобы "ствол" имел три точки опоры (рис. 8). Однако опыт показал, что толщина проволоки оказалась недостаточна, так как полностью собранное "дерево" обладает существенной массой. По этой причине лучше использовать проволоку диаметром 2...3 мм или сделать "ствол" из нескольких параллельно уложенных проволок. Для того, чтобы "ствол" приобрёл приемлемую механическую прочность, автор прикрепил параллельно ему в уже почти собранном "дереве" ещё одну проволоку диаметром 1,7 мм.

В качестве основания конструкции бисерного "дерева" использован деревянный диск (рис. 9), чертёж которого приведён на рис. 10. Заготовка этой детали вырезана из сосновой доски толщиной 16...20 мм с помощью круговой пилы. Готовую деталь покрывают лаком. Центральное отверстие носит технологический характер. В отверстия диаметром 6 мм вставляют четыре болта МбхбО, затем на эти болты надевают отрезки термоусаживаемой трубки (рис. 11 ) для того, чтобы минимизировать риск короткого замыкания между выводами платы RobotDyn nano.

Затем в основании устанавливают собранную отдельно электронную часть (рис. 12) будущего сувенира. При монтаже важно подбирать провода, которые по цвету изоляции будут сочетать ние лёгким, так как сверху на него будет крепиться "дерево", масса которого может достигать 300...500 г, поэтому основание должно быть достаточно устойчивым.

Затем центральный медный "ствол" из толстой проволоки оплетают заранее заготовленными бисерными "веточками" так, чтобы сформировалась "крона" желаемой формы. Далее к "ветвям" крепят провода и светодиоды. При этом следует стремиться расположить центральный жгут проводов вдоль "ствола" и максимально скрыть его в "ветвях". Светодиоды также следует крепить к нижней стороне "ветвей" (рис. 18).


Если в процессе изготовления электронной части не удалось точно рассчитать длину проводов, то в процессе крепления подсветки избыточную часть проводов можно спрятать в пространстве под верхней декоративной пластиной. На этом сборка конструкции завершается. Готовое дерево можно "посадить" в цветочный горшок диаметром 120 мм и высотой около 90 мм (рис. 19).

Конструкция этого сувенира позволяет осуществлять электропитание с использованием зарядного устройства с разъёмом microUSB, для автономного питания можно использовать аккумуляторную батарею Power Bank. В последнем случае источник питания удобно скрыть в нижней части подходящего по высоте цветочного горшка. Собранная конструкция может послужить оригинальным подарком или ночником.