Создание впечатляющего POV-цилиндра на Arduino Due — пошаговое руководство

Компоненты и материалы

Компонент	Количество	Примечание
Arduino Due	1	Основной микроконтроллер
Bluetooth-модуль HC-06	1	Беспроводное управление с ПК
LED-лента LPD8806 RGB, 1 м, 60 LED/м, IP20	1	40 RGB LED всего (4 полосы по 10 LED)
Линейный регулятор напряжения (регулируемый)	1	LM317 для питания 4.6 В
Два операционных усилителя Texas Instruments (General Purpose Dual Op-Amp)	1	Для ИК-приёмника
Резистор 20 кОм	3
Резистор 220 Ом	1
Резистор 1 кОм	2
Транзистор NPN общего назначения	1
Конденсатор 1000 мкФ	1
Конденсатор 100 нФ	1
Конденсатор 1 мкФ	1
Резистор 240 Ом	1
Подстроечный резистор 1 кОм	1
ИК-передатчик	1	Для синхронизации ротора
ИК-приёмник	1	Определение позиции ротора
Беспаечная макетная плата	1
Пенопластовый цилиндр (Ø200 мм, высота 100 мм)	2	Ротор дисплея
Электродвигатель 12 В, XDRIVE 545-1	1	Привод ротора
Корончатое колесо 60 зуб., 8 мм	1
Корончатое колесо 12 зуб., 3.2 мм	1
Зубчатый ремень, 80 зуб., 6×200 мм	1
Шплинт M8, 125 мм	3	Соединение дисков шасси
Шплинт M8, 330 мм	1	Вал ротора
Контактное кольцо ASL9017	1	Питание вращающейся части
Клейкая лента (чёрная, 48 мм)	1	Крепление лент на роторе
Фанерный диск (Ø150 мм, толщина 10 мм)	2	Диски шасси
Алюминиевый диск (Ø200 мм, толщина 2.5 мм)	2	Диски ротора

Необходимые инструменты и оборудование

• Паяльник
• Лобзик
• Станочный сверлильный станок
• Лабораторный блок питания
• Ноутбук с Windows 10

Программное обеспечение и онлайн-сервисы

• Microchip Studio (разработка ПО для Arduino)
• Arduino IDE (альтернатива)
• Cygwin (для PC Control Program)
• Microsoft Visual Studio 2015 (графический интерфейс)

О проекте

Введение

Это мой первый проект на Arduino. Вдохновением послужили проекты POV-глобусов (Persistence of Vision — эффект стойкости зрения), использующие дискретные LED и сдвиговые регистры. Мой проект реализует POV-дисплей в виде вращающегося цилиндра с готовыми RGB LED-лентами.

Эффект стойкости зрения (POV) — оптическая иллюзия, при которой множество дискретных изображений сливается в человеческом сознании в единое целое. Этот принцип лежит в основе восприятия движения в кино и анимации.

Основные характеристики

• POV-дисплей на вращающемся цилиндре
• Воспроизведение анимированных GIF-изображений
• Хранение кадров в ОЗУ или Flash-памяти Arduino Due
• Управление через Bluetooth с ПК

Технические параметры

• Диаметр цилиндра: 200 мм
• Высота цилиндра: 200 мм
• Материал: пенопласт
• Вес ротора: 420 г
• 4 RGB LED-ленты на базе LPD8806
• Разрешение экрана: 151 × 40 пикселей
• Микроконтроллер: Arduino Due
• Bluetooth-модуль: HC-06
• Скорость вращения: до 1300 об/мин (22 Гц)

Механическая конструкция

Устройство состоит из шасси и ротора. Шасси образуют два круглых фанерных диска, соединённых тремя шплинтами M8 (расстояние 120 мм). В центре установлены два шарикоподшипника и вал (шплинт M8 330 мм). Привод осуществляется электродвигателем через две корончатые передачи и зубчатый ремень.

Ротор состоит из двух пенопластовых цилиндров и двух алюминиевых дисков. Нижний диск склеен с цилиндрами, верхний съёмный — для крепления к валу. Электроника размещена в верхней части ротора: плата Arduino Due, самодельный щит, плата питания и Bluetooth-модуль HC-06.

Питание 7.5 В поступает на плату питания через скользящие контакты и контактное кольцо. На плате питания регулятор LM317 понижает напряжение до 4.6 В для Arduino Due и LED-лент.

Четыре LED-ленты (всего 40 RGB LED) подключены к щиту Arduino. Ленты расположены со сдвигом, что делит расстояние по оси Y на 4. Программно обеспечивается развёртка по оси X: программное обеспечение обновляет все 40 LED 151 раз за оборот.

Электрическая схема

Полная схема доступна в прикреплённом PDF. Основные узлы:

• Плата питания с LM317 (вход 7.5 В, выход 4.6 В)
• Самодельный щит Arduino: разъёмы для LED-лент и схема ИК-приёмника (подключён к таймеру/прерыванию)
• Четыре LED-ленты STRIP0–STRIP3. STRIP0 — USART0, STRIP1 — USART1 (оба в SPI-режиме). STRIP2 и STRIP3 — последовательно через аппаратный SPI.
• Bluetooth HC-06 — USART3, питание 3.3 В от Arduino

Программное обеспечение Arduino

Составляет основной скетч mpc.ino и библиотеки:

• bt — драйвер Bluetooth
• LDP8806 — драйвер LED-лент
• MemoryFree — мониторинг свободной RAM
• mpcgif — воспроизведение GIF из RAM/Flash
• pictures — внутренние GIF во Flash
• trace — отладка

Вывод кадров на LED-ленты реализован через прерывания. Используются два кадровых буфера (по 40×151 пикселей, 1 байт = индекс палитры). Пока один буфер выводится через прерывание и DMA, второй готовится основной программой (декодирование GIF). Переключение буферов происходит в прерывании кадра.

Прерывание кадра (по сигналу ИК-датчика за оборот) измеряет скорость вращения и программирует периодические столбцовые прерывания (150 за оборот) через аппаратный таймер. Прерывание столбца выводит текущий столбец на ленты. Для производительности используются три DMA-канала, работающих параллельно.

Полный исходный код доступен на GitHub.

Программа управления на ПК (pccp)

Консольная утилита на C++ (работает под Cygwin), обменивается данными с Arduino через Bluetooth. Команды (одиночные символы):

• 0–7 — заливка экрана цветом (чёрный, красный, жёлтый, зелёный, голубой, синий, фиолетовый, белый)
• t — тестовый треугольник
• s — включение/выключение вращения изображения
• r — рисование одной строки
• c — рисование одного столбца
• y — воспроизведение внутреннего GIF из Flash
• f — загрузка внешнего GIF-файла с ПК через BT
• x — воспроизведение загруженного GIF

Программа отображает скорость вращения (Гц и мкс) и счётчик кадров. Исходный код на GitHub.

Графический интерфейс (Universal Windows App)

Позволяет выбирать GIF-файл для отображения. Основан на примере FilePicker из Microsoft Windows Universal Samples. Исходный код на GitHub.

Ссылки

1. Persistence of vision — Wikipedia
2. RGB LED GLOBE - POV - 40 x 200
3. POV Globe Display RGB
4. POV Globe Display RGB — описание проекта (на немецком)
5. Microsoft Windows Universal Samples

Исходный код

• Arduino (povc-arduino)
• PC Control Program (povc-pccp)
• GUI (povc-win-app)

Схемы

Схема доступна в разделе Schematics проекта.