Робота з «розумними» світлодіодами WS2812

2019-12-10

Всі статті →

Апаратна складова

Плата Arduino Pro Mini. Перший макет збирався на платі UNO, після чого був перенесений на Pro Mini з контролером ATmega328 головним чином через невеликі розміри плати. В залежності від обраного корпусу можна замінити на Nano. В разі переносу на ATmega168 доведеться змінювати наведений нижче скетч, бо в такому вигляді він використовує забагато пам’яті.

Діодне кільце WS2812. Мені в руки потрапив модуль на 16 діодів, але для цієї цілі краще підійде модуль на 12, 24 чи 60 світлодіодів, позаяк через округлення значень індикація буде не такою наочною.

OLED дисплей I2C 128x32. Фізичні розміри цього дисплею дозволяють розташувати його всередині діодного кільця таким чином, що робоча область буде повністю видимою.

Датчик температури й вологості DHT11. Далеко не найкращий варіант, але теж перше, що було під рукою. Якщо для вас важлива висока точність, зверніть увагу на більш дорогі датчики.

Годинник реального часу DS1302 (може бути знайдений в цьому й цьому наборі). Один з найбільш доступних модулів. Крім часу, дозволяє одержати дату й день тижня. Отримує автономне живлення від батарейки, тому час не обнуляється навіть коли пристрій вимкнений.

Три кнопки. Можна використати будь-які кнопки на ваш смак. Потрібні для встановлення дати й часу. Кнопка «SET» переводить пристрій в режим встановлення часу й перемикає підрежими (введення годин, хвилин і т.д.). Кнопки «+» та «-» призначені для зміни значення в кожному підрежимі.

 

Схема підключення

Діодне кільце

input → PIN11

Живлення від 5В.

 

OLED дисплей

SCK → SCL (A5 на платі Pro)

SDK → SDL (A4 на платі Pro)

Живлення від 5В або 3,3В.

 

Датчик DHT11

Out → PIN8

Живлення від 5В.

 

Годинник реального часу DS1302

RST → PIN10

DAT → PIN12

CLK → PIN13

Живлення від 5В.

 

Кнопки

«-» → PIN4

«+» → PIN3

«SET» → PIN2

 

Корпус

Було використано корпус від старого китайського діодного ліхтарика. Дисплей закріплено всередені кільця за допомогою пластикової карти, пофарбованої в чорний колір для більш однорідного вигляду передньої панелі. Детальні фото монтажу не розміщую через те, що вони можуть травмувати естетичні почуття читача все залежить від того, який корпус буде у вас під рукою. Зверніть увагу, що бажано організувати виділене живлення для компонентів, а не підключати їх напряму до плати. Особливо це стосується світлодіодного кільця.

 

Програмний код

Останню версію програмного коду можна завантажити тут. Значна його частина призначена для створення анімації, що являє собою «хвилю» змінного кольору, та реалізації режиму встановлення часу.

#include <DS1302.h> //бібліотека для роботи з DS1302

#include <FastLED.h> //бібліотека для управління "розумними" діодами

#include <DHT.h> //бібліотека для взаємодії з датчиком DHT11

#include <U8g2lib.h> //бібліотека для виводу на OLED дисплей

 

#define LED_PIN 11 //пін піключення діодного кільця

#define NUM_LEDS 16 //кількість діодів у кільці

#define BTNMINUS_PIN 4 //пін кнопки "-"

#define BTNPLUS_PIN 3 //пін кнопки "+"

#define BTNSET_PIN 2 //пін кнопки "SET"

#define DHT_PIN 8 //пін датчика DHT11

#define INACTIVE_TIME 255 //Максимальна кількість ітерацій головного циклу бездіяльності користувача (якщо під час встановлення часу, користувач довго нічого не натискає, годинник переходить в основний режим)

 

enum Modes {NORMAL, SETTIME}; //режими: основний та режим встановлення часу

enum Submodes {SET_HOUR, SET_MIN, SET_SEC, SET_DAY, SET_MON, SET_YEAR, SET_DOW}; //підрежимим режиму встановлення часу

const char week[][19] = {"понеділок","вівторок","середа","четвер","п'ятниця","субота","неділя"}; //дні тижня для виводу на екрані

 

U8G2_SSD1306_128X32_UNIVISION_F_HW_I2C u8g2(U8G2_R0); //об'єкт для управління дисплеєм

DHT dht(DHT_PIN, DHT11); //об'єкт для управління датчиком DHT11

DS1302 rtc(10, 12, 13); //об'єкт для управління годинником реального часу

CRGB leds[NUM_LEDS]; //об'єкт для управління діодним кільцем

// три масиви станів світлодіодів для відображення годин/хвилин/секунд (вони будуть впливати на різні кольорові канали)

byte hour_leds[NUM_LEDS];

byte min_leds[NUM_LEDS];

byte sec_leds[NUM_LEDS];

byte hour_led, min_led, sec_led; //центри "стрілок"

byte current_hour, current_min, current_sec, current_day, current_mon, current_year, current_dow;//поточні значення, введені користувачем в режимі налаштування

bool btnset_state, btnplus_state, btnminus_state; //стани кнопок

byte inactive_time = INACTIVE_TIME; //кількість ітерацій, протягом яких не була натиснена жодна кнопка

enum Modes mode = NORMAL; //поточний режим

enum Submodes submode = SET_HOUR; //поточний підрежим

Time t; //час

unsigned char animation_frame; //номер поточного "кадру" анімації

unsigned int red, blue, animation_speed; //значення кольорових каналів для створення анімації

float temperature=0, humidity=0; //температура й вологість

 

/*

 * Оператор інкременту для зручного переключення підрежимів

*/

Submodes& operator++(Submodes& submode)

{

  switch(submode) {

    case SET_HOUR : return submode = SET_MIN;

    case SET_MIN : return submode = SET_SEC;

    case SET_SEC : return submode = SET_DAY;

    case SET_DAY : return submode = SET_MON;

    case SET_MON : return submode = SET_YEAR;

    case SET_YEAR : return submode = SET_DOW;

    case SET_DOW : return submode = SET_HOUR;

  }

}

/*

 * Екран виводу дня тижня

*/

void printDOW ()

{

  if ((t.dow<1)||(t.dow>7))

    return;

  //виведення дати

  u8g2.setFont(u8g2_font_logisoso18_tr);

  u8g2.drawStr(0,18,rtc.getDateStr());

  //і дня тижня

  u8g2.setFont(u8g2_font_unifont_t_cyrillic); 

  u8g2.setCursor(0, 30);

  u8g2.print(week[t.dow-1]);

  u8g2.sendBuffer();

}

/*

 * Екран виводу температури

*/

void printTemp ()

{

  char line [] = "XXC YY%";

  //округлення значень температури й вологості

  int intTemp = (int)round(temperature);

  int intHum = (int)round(humidity);

  //конвериація цифр у ASCII коди

  line[0] = intTemp/10+48;

  line[1] = intTemp%10+48;

  line[4] = intHum/10+48;

  line[5] = intHum%10+48;

  //виведення на екран

  u8g2.setFont(u8g2_font_logisoso28_tr);

  u8g2.drawStr(0,32,line);

  u8g2.sendBuffer();

}

/*

 * Ініціалізація пристрою

 */

void setup() {

  mode = NORMAL; //одразу після запуску переходимо в головний режим

  rtc.halt(false); // запуск годинника реального часу

  pinMode(LED_PIN, OUTPUT); //режим піну діодного кільця - виведення

  FastLED.addLeds<WS2812, LED_PIN, GRB>(leds, NUM_LEDS); //ініціалізація діодного кільця

  animation_frame = 0; // стартовий "кадр" анімації

  red = 0; //стартове значення червогого каналу на початку анімації

  blue = 16; //стартове значення синього каналу на початку анімації

  animation_speed = 1; //швидкість анімації

  //ініціалізація дисплея

  u8g2.begin();

  u8g2.enableUTF8Print();

  //ініціалізація пінів кнопок

  pinMode(BTNPLUS_PIN, INPUT_PULLUP);

  pinMode(BTNMINUS_PIN, INPUT_PULLUP);

  pinMode(BTNSET_PIN, INPUT_PULLUP);

  btnset_state = false;

  inactive_time = INACTIVE_TIME; //кількість ітерацій неактивності користувача

  dht.begin(); //ініціалізація DHT11

}

 

/*

 * Головний цикл

 */

void loop() {

  //Зчитування часу та обчислення, які світлодіоди слід активувати

  t = rtc.getTime();

  hour_led = (NUM_LEDS*(t.hour%12)+NUM_LEDS*t.min/60)/12;

  min_led = (NUM_LEDS*t.min+NUM_LEDS*t.sec/60)/60;

  sec_led = (NUM_LEDS*t.sec)/60;

 

  /// -=Оновлення світлодіодного кільця=-

  //Заповнення масивів станів діодів

  //Більші значення відповідають більшій яскравості

  if(mode==NORMAL){

    for (byte i=0; i<NUM_LEDS; i++){

      if (i==hour_led)

        hour_leds[i] = 80;

      else

        hour_leds[i] = 0;

      if (i==min_led)

        min_leds[i] = 40;

      else

        min_leds[i] = 0;

      if (i==sec_led && (animation_frame<5))

        sec_leds[i] = 20;

      else

        sec_leds[i] = 0;

    }

    //Годинникова "стрілка" позначається трьома діодами, тому вмикаємо два сусідніх світлодіоди з меншою яскравістю

    if(hour_led==0){

      hour_leds[15] = 10;

      hour_leds[1] = 10;

    }

    else if (hour_led==15){

      hour_leds[14] = 10;

      hour_leds[0] = 10;

    }

    else{

      hour_leds[hour_led - 1] = 10;

      hour_leds[hour_led + 1] = 10;

    }

    //Оновлюємо стан світлодіодного кільця

    for (int i = 0; i<NUM_LEDS; i++)

      if (i<=animation_frame)

          leds[NUM_LEDS-i-1] = CRGB((red>>(animation_frame-i))+min_leds[i], hour_leds[i]+min_leds[i]+sec_leds[i] ,(blue>>(animation_frame-i))+sec_leds[i]);

        else

          leds[NUM_LEDS-i-1] = CRGB(min_leds[i], hour_leds[i]+min_leds[i]+sec_leds[i], sec_leds[i]);

      FastLED.show();

 

   /// -=Оновлення дисплею=-

   u8g2.clearBuffer(); // очистка внутрішнього буферу

   //Відображення одного з екранів

   switch (t.sec/6){

    case 2:

    case 6: {

      printDOW();//відображення екрану дня тижня

      break;

    case 4:

    case 8:

      printTemp();//відображення екрану клавіатури

      break;

            }

    default:{

      u8g2.setFont(u8g2_font_logisoso28_tr);

      u8g2.drawStr(0,32,rtc.getTimeStr());//відображення екрану часу

    }

   }

   u8g2.sendBuffer(); // виведення внутрішнього буферу на дисплей

  }

  else{//Якщо активний режим - режим встановлення часу

    //-=Оновлення діодного кільця=-

    for (int i = 0; i<NUM_LEDS; i++)

      if (i<=animation_frame)

          leds[NUM_LEDS-i-1] = CRGB((red>>(animation_frame-i)), 0,(blue>>(animation_frame-i)));

        else

          leds[NUM_LEDS-i-1] = CRGB(0, 0, 0);

    FastLED.show();

    //-=Оновлення дисплею=-

    char line[19] = "HH:MM:SS";

    //три підрежими встановлення часу

    if((submode==SET_HOUR)||(submode==SET_MIN)||(submode==SET_SEC)){

      //конвертація цифр у ASCII коди

      line[0] = current_hour/10+48;

      line[1] = current_hour%10+48;

      line[3] = current_min/10+48;

      line[4] = current_min%10+48;

      line[6] = current_sec/10+48;

      line[7] = current_sec%10+48;

    }

    //підрежими встановлення дати

    else if((submode==SET_DAY)||(submode==SET_MON)||(submode==SET_YEAR))

    {

      //конвертація цифр у ASCII коди

      line[0] = current_day/10+48;

      line[1] = current_day%10+48;

      line[2] = '.';

      line[3] = current_mon/10+48;

      line[4] = current_mon%10+48;

      line[5] = '.';

      line[6] = current_year/10+48;

      line[7] = current_year%10+48;

    }

    else{

      strncpy(line,week[current_dow-1],18);//підрежим встановлення дня тижня

    }

    //-=блимання числа, яке в даний момент встановлюється=-

    switch (submode){

      case SET_HOUR:{

        if(animation_frame%2){

          line[0] = ' ';

          line[1] = ' ';

        }

        break;

      }

      case SET_MIN:{

        if(animation_frame%2){

          line[3] = ' ';

          line[4] = ' ';

        }

        break;

      }

      case SET_SEC:{

        if(animation_frame%2){

          line[6] = ' ';

          line[7] = ' ';

        }

        break;

      }

      case SET_DAY:{

        if(animation_frame%2){

          line[0] = ' ';

          line[1] = ' ';

        }

        break;

      }

      case SET_MON:{

        if(animation_frame%2){

          line[3] = ' ';

          line[4] = ' ';

        }

        break;

      }

      case SET_YEAR:{

        if(animation_frame%2){

          line[6] = ' ';

          line[7] = ' ';

        }

        break;

      }

      case SET_DOW:{

        if(animation_frame%2){

          strcpy(line,"");

        }

        break;

      }

    }

    //виведення на дисплей

    u8g2.clearBuffer();

    if (submode==SET_DOW){

      u8g2.setFont(u8g2_font_unifont_t_cyrillic);

      u8g2.setCursor(0, 24);

      u8g2.print(line);

    }

    else{

      u8g2.setFont(u8g2_font_logisoso28_tr);

      u8g2.drawStr(0,32,line);

    }

    u8g2.sendBuffer();

    //-= Обробка натиснення кнопки "+" =-

    if (digitalRead(BTNPLUS_PIN) == LOW)//кнопка натиснена, але не відпущена

      btnplus_state = true;

    else if (btnplus_state){

      inactive_time = INACTIVE_TIME;//скидання часу неактивності (кнопка щойно була натиснена)

      switch(submode){//Інкремент відповідного значення в залежності від підрежиму

        case SET_HOUR:{

          current_hour++;

          if (current_hour>23)

            current_hour = 0;

          break;

        }

        case SET_MIN:{

          current_min++;

          if (current_min>59)

            current_min = 0;

          break;

        }

        case SET_SEC:{

          current_sec++;

          if (current_sec>59)

            current_sec = 0;

          break;

        }

        case SET_DAY:{

          current_day++;

          if (current_day>31)

            current_day = 1;

          break;

        }

        case SET_MON:{

          current_mon++;

          if (current_mon>12)

            current_mon = 1;

          break;

        }

        case SET_YEAR:{

          current_year++;

          if (current_year>99)

            current_year = 1;

          break;

        }

        case SET_DOW:{

          current_dow++;

          if (current_dow>7)

            current_dow = 1;

          break;

        }

      }

      btnplus_state = false;

    }

 

    //-= Обробка натиснення кнопки "-" =-

    if (digitalRead(BTNMINUS_PIN) == LOW)//кнопка натиснена, але не відпущена

      btnminus_state = true;

    else if (btnminus_state){

      inactive_time = INACTIVE_TIME;//скидання часу неактивності (кнопка щойно була натиснена)

      switch(submode){//Декремент відповідного значення в залежності від підрежиму

        case SET_HOUR:{

          current_hour--;

          if (current_hour>127)//від'ємні значення (представлення в доповняльному коді)

            current_hour = 23;

          break;

        }

        case SET_MIN:{

          current_min--;

          if (current_min>127)//від'ємні значення (представлення в доповняльному коді)

            current_min = 59;

          break;

        }

        case SET_SEC:{

          current_sec--;

          if (current_sec>127)//від'ємні значення (представлення в доповняльному коді)

            current_sec = 59;

          break;

        }

        case SET_DAY:{

          current_day--;

          if (current_day<1)

            current_day = 31;

          break;

        }

        case SET_MON:{

          current_mon--;

          if (current_mon<1)

            current_mon = 12;

          break;

        }

        case SET_YEAR:{

          current_year--;

          if (current_year>127)//від'ємні значення (представлення в доповняльному коді)

            current_year = 99;

          break;

        }

        case SET_DOW:{

          current_dow--;

          if (current_dow<1)

            current_dow = 7;

          break;

        }

      }

      btnminus_state = false;

    }

    inactive_time--; //зменшення часу неактивності

    if (inactive_time==0){//Якщо час неактивності сплив, перемикання в основний режим

      inactive_time = INACTIVE_TIME;

      mode = NORMAL;

      submode = SET_HOUR;

    }

  }

 

  //Перерахунок анімації

  animation_frame++;

  blue-=animation_speed;

  red+=animation_speed;

  if ((!red) || (!blue))

    animation_speed = -animation_speed;

  if (animation_frame>15)

    animation_frame = 0;

 

  //-= Обробка натиснення кнопки "SET" =-

  if (digitalRead(BTNSET_PIN) == LOW)//кнопка натиснена, але не відпущена

   btnset_state = true;

  else if (btnset_state){

    inactive_time = INACTIVE_TIME;//скидання часу неактивності (кнопка щойно була натиснена)

    if (mode==NORMAL){//Якщо кнопка натиснена в основному режимі, то перехід до режиму налаштування й копіювання поточних значень

      mode = SETTIME;

      submode = SET_HOUR;

      current_hour = t.hour;

      current_min = t.min;

      current_sec = t.sec;

      current_day = t.date;

      current_mon = t.mon;

      current_year = t.year%100;

      current_dow = t.dow;

    }

    else{

      submode++;//інакше перехід до наступного підрежиму

      if (submode==SET_YEAR){//перевірка, що введена користувачем дата не перевищує максимальну дату для обраного місяця

        if ((current_mon==2)&&(current_day>29))

          current_day=29;

        if (((current_mon==4)||(current_mon==6)||(current_mon==9)||(current_mon==11)) && (current_day>30))

          current_day=30;

      }

      if ((submode==SET_DOW)&&(current_year%4)&&(current_mon==2)&&(current_day>28))//перевірка для лютого невисокосного року

        current_day=28;

      if(submode==SET_HOUR){//Збереження дати й часу в годинник реального часу

        rtc.writeProtect(false);

        rtc.setDOW(current_dow); // запис дня тижня

        rtc.setTime(current_hour, current_min, current_sec); // запис часу

        rtc.setDate(current_day, current_mon, current_year+2000); // запис дати

        rtc.writeProtect(true);

        mode = NORMAL; //перехід в основний режим

      }

    }

    btnset_state = false;

  }

  //Зчитування з датчика значень температури й вологості

  if ((t.sec%10)==0){ ///!!!У цілях зневадження раз на 10 секунд. Змініть це значення для економії енергії

    temperature = dht.readTemperature();

    humidity = dht.readHumidity();

  }

  delay(15); //Пауза між кадрами анімації. Це значення не впливає на точність годинника, позаяк час зчитується з RTC

}

 

Загалом проєкт виявився працездатним. При розміщенні в невеликому корпусі світлодіодного кільця поряд з температурним датчиком останній може показувати дещо завищені значення температури. Можливим рішенням є використання більш компактного датчика й винесення його назовні. Проєкт зібраний нашвидкуруч протягом вихідних, тому можливими напрямками розвитку є вдосконалення ефективності енергоспоживання та оптимізація програмного коду. Це дозволило б портувати його на менш потужний мікроконтролер. Логічним продовженням видається також реалізація автоматичної синхронізації часу та індикація оповіщень, отриманих із зовнішнього пристрою.