Mała lampka diodowa RGB

[TPReal]

Jeszcze jeden mały projekt z diodami RGB. Jest to mała lampka nocna zrobiona dla mojej córki.

Sprzęt

Lampka posiada pięć diod WS2811, pokrętło z przyciskiem i jeszcze jeden przycisk, wszystko polutowane na płytce uniwersalnej. Procesorem jest Seeeduino Xiao (czyli najtańsze co znalazłem niewymagające budowania programatora i innych takich rzeczy których nie mam ochoty robić), przyklejone do płytki taśmą dwustronną  Dorzuciłem też rezystor i kondensator, tak jak sugerowali w opisie diod. Gałka jest zrobiona z sugru. No i obudowa ze sklejki 3mm. Jakbym miał drukarkę 3D to być może obudowę bym wydrukował, ale nie mam, a uważam że efekt nie jest najgorszy.

Oprogramowanie

Lampka ma kilka trybów pracy:

• W trybie podstawowym wszystkie diody świecą na ten sam kolor, gałką wybiera się kolor (hue) oraz jasność (naciśnięcie gałki przełącza pomiędzy tymi dwoma parametrami). Jest też trzeci parametr, określający saturation tak z grubsza, żeby go regulować trzeba długo nacisnąć gałkę. Regulacja jasności próbuje na mniej więcej odwzorować postrzeganie jasności przez człowieka, czyli nie jest liniowa od 0 do 255 (w przestrzeni RGB), tylko im niższa, tym wolniej zmienia jasność, a przy bardzo niskich ustawieniach jasność jest ułamkowa, przykładowo jasność 2.4 uzyskuję świecąc dwiema diodami z jasnością 3 i trzema z jasnością 2. Więcej o charakterystyce w sekcji poniżej.
• Tryb automatycznego przyciemniania - podobny jak poprzedni, ale jasność diod samoistnie maleje, z założenia w takim tempie jak oko dostosowuje się do ciemności. Ten tryb służy do włączenia zaraz po zgaszeniu światła.
• Tryb tęczy - po diodach przesuwa się cyklicznie "tęcza" hue. W tym trybie można regulować czterema parametrami: jasnością, szybkością przesuwania, saturation oraz rozpiętością. Ten ostatni parametr określa jaką długość łuku hue pokazują diody w każdym momencie. W ustawieniu maksymalnym (zdjęcie powyżej) suma kolorów diod jest zawsze biała, co widać dobrze gdy patrzy się na sufit pokoju - jego kolor się nie zmienia, natomiast przy niskich ustawieniach jest istna dyskoteka, bo wszystkie diody mają w danym momencie podobny kolor, ale zmienny w czasie.
• Sumowanie RGB (pierwsze zdjęcie poniżej): pierwsza dioda świeci na czerwono, druga na zielono a trzecia na niebiesko, reguluje się niezależnie siłą każdej z nich, a ostatnia świeci sumą tych kolorów.
• Sygnalizator świetlny, przełącza kolejno światła, samoistnie albo po naciśnięciu przycisku.
• Wyłączona.

Tryby przełącza się przytrzymując dodatkowy guzik i kręcąc gałką.

Samo sterowanie diod wygląda (mniej więcej) następująco:

WS2812::WS2812(byte pin):
    pin(pin),
    portGroup(digitalPinToPort(pin)),
    pinBitMask(digitalPinToBitMask(pin)){
  pinMode(this->pin,OUTPUT);
}

void WS2812::writeLEDs(const std::vector<RGB>& leds){
  noInterrupts();
  for(auto led=leds.begin();led!=leds.end();led++)
    writeLED(*led);
  interrupts();
}

void WS2812::writeLED(const RGB& led){
  this->writeByte(led.r);
  this->writeByte(led.g);
  this->writeByte(led.b);
}

void WS2812::writeByte(byte b){
  writeBit(b&0x80);
  writeBit(b&0x40);
  writeBit(b&0x20);
  writeBit(b&0x10);
  writeBit(b&0x08);
  writeBit(b&0x04);
  writeBit(b&0x02);
  writeBit(b&0x01);
}

void WS2812::writeBit(byte b){
  if(b)
    write1();
  else
    write0();
}

void WS2812::write0(){
  up();
  up();
  down();
  down();
}

void WS2812::write1(){
  up();
  up();
  up();
  up();
  down();
}

void WS2812::up(){
  portGroup->OUTSET.reg=pinBitMask;
}

void WS2812::down(){
  portGroup->OUTCLR.reg=pinBitMask;
}

Uwagi:

• Muszę używać OUTSET i OUTCLR, bo digitalWrite jest za wolne.
• Liczba powtórzeń w write0 i write1 została wyznaczona eksperymentalnie, z użyciem oscyloskopu. Mógłbym zamiast powtarzać funkcję dodać tam jakąś dobrze skalibrowaną pustą pętlę wykonującą się n razy, ale tak mi było prościej i jest dostatecznie dobrze.

Charakterystyka diod

Tak jak wspomniałem, chciałem, żeby regulacja jasności wyglądała na liniową, co jak wiadomo oznacza, że taka nie jest. Robiłem sporo pomiarów jasności diod i długo się grzebałem w excelu, i ustaliłem taką oto funkcję przeliczającą level od 0 do 50 na jasność od 0 do 1 (przeliczaną następnie już liniowo na wartości RGB:

float levelToLight(float level){
  if(level<=15)
    return max(78e-5*level,0);
  if(level<=34)
    return 22e-4*pow(1.117,level);
  return min(55e-6*pow(1.221,level)+47e-3,1);
}

Nie żebym sądził, że się komuś ta funkcja przyda  ale w każdym razie działa dość dobrze. Dzięki temu, że do 15 jest liniowa, od RGB(0,0,0) do RGB(3,3,3) ustawia się jasność z dokładnością do 0.2/255, co się w sam raz tłumaczy na wzmacnianie kolejno diod w trybie podstawowym. Powyżej 15 zmiany są coraz szybsze, na przykład przy wartości 16 trzy diody świecą RGB(3,3,3) a dwie RGB(4,4,4), a przy 17 już tylko jedna RGB(3,3,3) a cztery RGB(4,4,4) - oczywiście jeśli aktualnie wybranym kolorem jest biały.

Niestety, dla wartości RGB 1 i 2 diody zachowują się ekstremalnie nieliniowo, mianowicie przy wartości 1 świeci tylko składowa G, a R oraz B w ogóle nie świecą, a z kolei przy wartości 2, G chyba świeci tak samo jak przy 1, a R i B robią się dużo jaśniejsze, przy czym R jaśniejsza od B. Na ostatnim zdjęciu widać też, że są różnice pomiędzy samymi diodami, mimo że były kupione razem - druga i czwarta wydają się bardziej czerwone. Wszystkie anomalie występują tylko przy niskich wartościach, przy wysokich świecą równo, albo w każdym razie gołym okiem nie widać między nimi różnicy. Ogólnie w porównaniu z diodami użytymi w tym projekcie, te tutaj dla niskich jasności są po prostu tragiczne - ale na lampkę dla dziecka nadają się w sam raz  Ale w niektórych trybach, na przykład tęczy, nie pozwalam na zbytnie obniżenie jasności, bo efekt przestaje dobrze wyglądać.

[Treker (Damian Szymański)]

@TPReal właśnie zatwierdziłem opis, więc jest już widoczny publicznie. Dzięki za podzieleniem się kolejnym DIY

[HUBERT21337]

Bardzo fajny projekt ale ta lampa ma coś oświetlać np. do czytania książek czy ma poprostu umilać pore spania(bo rgb chyba nie ma takiej mocy żeby coś oświetlać)?

[TPReal]

@HUBERT21337 Pierwotnie miała raczej tylko umilać porę zasypiania/spania, ale okazało się, że jak się ustawi kolor światła na biały to przy pięciu diodach spokojnie można też czytać, nawet niekoniecznie na pełnej mocy. Tyle że lampkę trzeba sobie wtedy na czymś zamontować żeby dobrze świeciła w książkę.