赛博宫灯 - 基于ESP32-C3的装饰灯 - 嘉立创EDA开源硬件平台

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专业版 赛博宫灯 - 基于ESP32-C3的装饰灯

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简介:一款基于ESP32-C3 MCU设计的装饰灯,采用宫灯外形。

开源协议: CC BY-NC-SA 4.0

(未经作者授权,禁止转载)

已参加:“暖冬造物迎新年”征集令

创建时间: 2023-12-20 16:55:28
更新时间: 2024-01-30 21:13:42
描述
## 更新日志 2024.01.25:最初开源改项目 Ver1.0 ## 零、模型说明 **目前模型仍存在一定问题,后续修正并上传模型。** 存在的问题(2024.01.25): * 模型尺寸过小,需要放大到150%进行打印; * 装配主要采用过盈装配,尺寸偏松,需要缩小尺寸; * 顶檐连接处装配可靠性较差,修改装配方式。 **每台3D打印机的打印效果不尽相同,需要根据打印机打印效果修改尺寸。** ## 一、效果展示 ### 1.1 说明 * 使用FDM-3D打印该模型 * 顶檐、灯栅采用白色PETG耗材打印 * 角饰、角件、顶饰采用蓝色PLA耗材打印 * 灯座采用薄荷绿PC/ABS耗材打印 (个人感觉采用浅黄色、黄色、橙色等暖色耗材打印会好看点,但是我手头没有该类颜色耗材) ### 1.2 组成构件明细 * 顶饰 x1 * EC11编码器 x1(焊接XH2.54-4P端子 Key1、KeyA、KeyB、GND,详见下文4.1) * 灯檐1、灯檐2、灯檐3 各1 * 磁铁 x4(用于灯檐磁吸装配) * M3螺母 x4(用于灯檐磁吸装配) * 角饰(灯角)x4 * 灯栅 x4(需要蒙纸 - 建议使用硫酸纸) * Light PCB x1 * 灯角(灯下角)x4 * FPC 1.0x8P 反向 x1 * Controleer PCB x1 * M3x6螺丝 x4 * M3土八螺母/铜嵌螺母 x4 * 聚合物电池(尺寸65x55x9.5mm PH2.0-2P端子)x1 * 灯座 x1 ![IMG_20240123_131754.jpg](//image.lceda.cn/pullimage/5mezrrhICcAOwnOmm6vPWK8ZSb6s5yrER1cRkiHN.jpeg) <center>Figure1 实物图1(找不到硫酸纸用活页纸随便凑合了)</center> ![IMG_20240123_131803.jpg](//image.lceda.cn/pullimage/ZHbeoXlZ0OHtyaVpd7dZHg60GdVzalV55HjxwTz7.jpeg) <center>Figure2 实物图2</center> ![IMG_20240123_132021.jpg](//image.lceda.cn/pullimage/8tGawMhPaqRXqR8lputEYWa1jyX0NtwdloZi53yD.jpeg) <center>Figure3 实物爆炸图</center> ## 二、硬件设计 ### 2.0 设计思路 最初参照床头灯功能进行设计,需要具有:发光、带有电池与电源管理、能够方便开关与调节亮度并预留物联网功能。 本项目沿用自[月球灯](https://oshwhub.com/carele_i/moonlight)项目,对其进行大幅删改与适配。 各部分设计思路见下文: ### 2.1 MCU 为实现灯光控制、物联网等功能,采用ESP32-C3-MINI-N4作为控制器。 ~~我永远喜欢乐鑫的USB JTAG,USB插上就能烧录是真滴爽~~ 无需额外增加芯片,只需使用USB线与PC相连,即可进行烧录。 ### 2.2 灯光 灯光部分位于独立的PCB上(板子Light)。 采用铝基板作为板材,保证长时间照明下灯珠不会严重过热,提升灯珠寿命。 发光分为两部分:白色与彩色。 ![IMG_20240125_171605.jpg](//image.lceda.cn/pullimage/KktWWtq7mXfaJM378yfWr6euxBN2JRe8G00u4k5f.jpeg) <center>Figure4 Lgiht-PCB</center> * 白色灯光 为了适配不同的应用场合,白色分别使用了两种色温的灯珠,能够组合得到不同色温的白色。 (由于我选用的型号没有封装库,故使用同一个3528封装LED代替,实际分别使用[C2843808](https://item.szlcsc.com/3033159.html)、[C2843809](https://item.szlcsc.com/3033160.html)) 采用4x4+4x4、串联驱动。 串联方案下,总线电流较小、每个灯珠间通过的电流相同,能够使灯珠发光亮度相近、寿命差别较小。 * 彩色灯光 ~~要赛博怎么能少了R!G!B!~~ 使用经典的WS2812b(5050封装)作为彩色灯光的照明来源。 采用4x3颗WS2812b作为彩色光源。 ### 2.3 LED驱动 由于采用串联LED方案,对驱动电压的要求较高。 因此,需要输出电压范围较大、最高电压较高的方案。需选用升压型/升降压型LED驱动器。 白色照明分别由冷白、暖白两路LED组成,每路16颗LED串联。 通过查阅手册,可知每颗灯珠最大正向电压为3.2V、额定电流20mA。 因此额定驱动电压为3.2x16=51.2V(灯珠串联),需要能够升压至51.2V以上的驱动器。 额定电流20mA,一般驱动器都能满足该要求。 **综上所述,需要选择升压型/升降压型、最大电压大于51.2V(还需留出一定冗余空间)的LED驱动方案。** 通过比较,采用双路LGS63042 LED驱动器分别驱动暖白、冷白两路白色LED。驱动电路如下图所示: ![LED驱动器.png](//image.lceda.cn/pullimage/bTEdL8E2E0hlZjMmEtwLeKHAVE88OtvtPqTnuyvW.png) <center>Figure5 LED驱动电路</center> 通过查阅3528 LED灯珠的手册,可知LED灯珠的正向电流为20mA。 依照Figure4中表格将Rsence设置为10Ω,设定满载输出电流为20mA。 LGS63042 LED驱动器支持PWM调光,可以通过向EN引脚输入PWM波对LED亮度进行调节。 ### 2.4 电源管理 电源管理方案沿用[月球灯](https://oshwhub.com/carele_i/moonlight)项目的相关设计。 ### 2.5 人机交互 在人机交互方面,本项目采用了EC11编码器。EC11编码器带有一个正交编码器和一个非自锁式轻触开关。 编码器可以实现数值调节、模式调节等功能;轻触开关可以通过按键复用分别执行单击、双击、长按任务。 通过将以上交互任务进行组合,可以实现丰富的人机交互。 ## 三、软件设计 根据以上硬件设计,系统整体框架如下图所示: ![系统框架.png](//image.lceda.cn/pullimage/QBmmepfFTpASDe6MQgtrb2TBNyDRNVtnp5mWRf2j.png) <center>Figure6 系统框架</center> 当前实现的功能较为简单,主要实现了整体的亮度调节、WS2812b灯珠的调色。 后续会进一步实现自动配网、物联网以及更流畅的灯控等功能。 也有大佬在我的另一个项目里提到WLED,等我了解一下考虑要不要移植。 ### 3.1 系统的刷新 设置一个定时器,并设定`Ts`ms为刷新周期,每一个`Ts`周期刷新一次灯珠发光状态(LED1、LED2亮度;LED3色相、亮度)。 ### 3.2 WS2812b灯珠驱动 与[月球灯](https://oshwhub.com/carele_i/moonlight)项目相似,本项目使用`FastLED库`实现了WS2812b灯珠的驱动。 目前主要实现了色彩控制与亮度控制: * 色彩控制 WS2812b的色彩基于HSV色彩模型进行控制。 每一种颜色都是由色相(Hue,简H),饱和度(Saturation,简S)和色明度(Value,简V)所表示的。 默认饱和度、明度都设置为255,通过控制色相改变色彩。 自定义了一种HSV颜色`CHSV myHSVcolor(hVal,sVal,vVal);`,通过`myHSVcolor.h+=x`(x指数值)改变色相。 最后通过`FastLED.show();`函数刷新WS2812b的发光状态。 * 亮度控制 设置了一个`unsigned char`变量`Light3Level`,用于存储亮度数值。 通过`FastLED.setBrightness(Light3Level);`设置存储的亮度数值。 最后通过`FastLED.show();`函数刷新WS2812b的发光状态。 ### 3.3 白色灯珠驱动 白色LED通过LGS63042驱动电路进行驱动,可以通过PWM进行调光。 使用`analogWrite(LED1,Light1Level);`函数设定对驱动芯片EN引脚输入PWM波的占空比,范围0~255。 ### 3.4 EC11编码器 EC11编码器分为正交编码器相关程序设计和轻触开关程序设计。 人机交互逻辑如下: ![交互逻辑.png](//image.lceda.cn/pullimage/Ea2k7NsiTwk6MRfmURDLnIl05zOH0e0HKwlGToYV.png) <center>Figure7 人机交互逻辑</center> * 正交编码器(旋钮): 正交编码器的交互通过`Encoder库`实现。 首先通过编码器两个引脚注册编码器`Encoder Enc(KEYB, KEYA);`。 设置一个初始位置后,通过Encoder库`Enc.read();`读取新的位置`newPosition`, 将新的位置与旧的位置`oldPosition`比较,并做对应数值增减。 * 轻触开关(按键): 轻触开关的交互通过`OneButton库`实现。 如Figure7所示,按键分为单击、双击、长按三个功能,并分别复用任务。 ## 四、模型装配 构成见1.2 组成构件明细。 * 角饰、灯角、灯檐、灯栅、灯座的装配: 模型主要采用过盈装配。角饰、灯角带有V型槽,可以卡入灯栅;灯檐带有榫卯;灯座带有槽恰好可以卡入灯角。 * 角饰-灯檐的装配: 灯檐与角饰见采用磁吸进行连接组合,需要在角饰内埋入M3螺母、顶檐1埋入Φ6x3mm磁铁。 * 灯角-Lgiht PCB、灯座-Controler PCB的装配: 灯座与灯角需要埋入土八螺母/铜嵌螺母,用于M3螺纹配合,以固定Controler、Light两块PCB。(见Figure10、Figure11) * 顶饰-灯檐3-EC11编码器的装配: EC11编码器带有螺纹,通过配套的螺母将EC11编码器固定在顶檐3上; EC11编码器旋钮杆恰好可以塞入顶饰孔中,保留一定距离用于EC11上轻触开关的键程。(见Figure12) * 顶饰EC11编码器的接线焊接: 将正交编码器的公共端、轻触开关其中一段与EC11编码器底部铁片焊接在一起。 焊接四根线,分别为KeyA、KeyB、Key1、GND。 正交编码器另外两端分别焊接KeyA、KeyB; EC11编码器固定脚(任一)焊接GND; 轻触开关另一端焊接Key1。 ![模型.png](//image.lceda.cn/pullimage/hF7XxUrnIycT2ZKLkMhHp1pAMkSEpqXg3wQnNbtf.png) <center>Figure8 三维模型</center> ![模型爆炸图.png](//image.lceda.cn/pullimage/0MGUczG43ujQzMK1x6lbEfmqnTyHABcx2A13ThFx.png) <center>Figure9 三维模型爆炸图</center> ![IMG_20240123_132039.jpg](//image.lceda.cn/pullimage/lyXaPxH3NqlYohn9HMtYn3OMQd8N7YDfcyfwL0hO.jpeg) <center>Figure10 灯座-控制器图1</center> ![IMG_20240123_132242.jpg](//image.lceda.cn/pullimage/ut2ZklN8v0L3owVj5Py6a2ISxvo7yOXzESGTNqHc.jpeg) <center>Figure11 灯座-控制器图2</center> ![IMG_20240123_132357.jpg](//image.lceda.cn/pullimage/mqMgYUaNCTyw1ieuDmO8FiRdlKAzAPK2oZwRQC64.jpeg) <center>Figure12 灯檐3-EC11编码器</center> ## 五、更多图片 ![IMG_20240123_133223.jpg](//image.lceda.cn/pullimage/xwVmyWLCwqzgPAPMOZOdSdKvPzKdIFiqxCxKlvGF.jpeg) <center>Figure13 灯座正面(Type-C输入接口与充电指示灯)</center> ![IMG_20240123_133215.jpg](//image.lceda.cn/pullimage/L0KbDci6dZDLiroYTrpSXmSqo7DHw503swLoswBT.jpeg) <center>Figure14 灯座背面(EN复位按键-需要使用顶针)</center> ![IMG_20240123_133238.jpg](//image.lceda.cn/pullimage/lbySUklcWtsxujDworIEZ9gdBAWVWn4Q7RYnGk4b.jpeg) <center>Figure15 灯顶(灯饰作为EC11键帽,能够旋转与按下)</center> ## 附录 ### I.源代码 ``` #include <Arduino.h> #include <FastLED.h> #include <Encoder.h> #include <OneButton.h> // 引脚设置 #define LED1 0 #define LED2 1 #define KEY1 5 #define KEYA 6 #define KEYB 7 // 参数设置 // #define freq 500 // #define resolution 8 #define Ts 50 #define NUM_LEDS 12 #define DATA_PIN 10 #define LED_TYPE WS2812 #define COLOR_ORDER GRB boolean WorkStatus=0; unsigned char ModeStatus=0; unsigned char Light1Level=0; unsigned char Light2Level=0; unsigned char Light3Level=0; unsigned char hVal=0; unsigned char sVal=255; unsigned char vVal=255; // Fastled CRGB leds[NUM_LEDS]; CHSV myHSVcolor(hVal,sVal,vVal); // Encoder Encoder Enc(KEYB, KEYA); long oldPosition=-999; long newPosition=0; void EncoderRead(){ newPosition = Enc.read(); if(newPosition != oldPosition){ if(newPosition > oldPosition){ //LED1 if(Light1Level>=255){ Light1Level=255; } else{ Light1Level++; } //LED2 if(Light2Level>=255){ Light2Level=255; } else{ Light2Level++; } //LED3 if(Light3Level>=255){ Light3Level=255; } else{ Light3Level++; } } else{ //LED1 if(Light1Level<=0){ Light1Level=0; } else{ Light1Level--; } //LED2 if(Light2Level<=0){ Light2Level=0; } else{ Light2Level--; } //LED3 if(Light3Level<=0){ Light3Level=0; } else{ Light3Level--; } } oldPosition=newPosition; } } // OneButton OneButton button1(KEY1, true); void Button1Click(){ Light1Level=0; Light2Level=0; Light3Level=0; } void Button1DoubleClick(){ myHSVcolor.h+=8; fill_solid(leds, NUM_LEDS, myHSVcolor); } void Button1LongPress(){ Light1Level=255; Light2Level=255; Light3Level=255; } // LED void LED1Flash(){ analogWrite(LED1,Light1Level); } void LED2Flash(){ analogWrite(LED2,Light2Level); } void LED3Flash(){ FastLED.setBrightness(Light3Level); } // 定时器设置 hw_timer_t * timer1 = NULL; // 定时器1 采样、上传、控制刷新 unsigned char level=0; void IRAM_ATTR onTimer1(){ // analogWrite(LED1,level); // analogWrite(LED2,level); // level+=16; LED1Flash(); LED2Flash(); LED3Flash(); } void setup() { // put your setup code here, to run once: // 串口初始化 //Serial.begin(115200); // 引脚初始化 pinMode(LED1,OUTPUT); pinMode(LED2,OUTPUT); // OneButton button1.attachClick(Button1Click); button1.attachDoubleClick(Button1DoubleClick); button1.attachLongPressStart(Button1LongPress); // FastLED FastLED.addLeds<LED_TYPE, DATA_PIN, COLOR_ORDER>(leds, NUM_LEDS); FastLED.setBrightness(128); // 定时器初始化 // 定时器1 timer1 = timerBegin(1,80,true); // 初始化定时器-使用定时器1 timerAttachInterrupt(timer1,onTimer1,true); // 绑定定时器中断服务函数 timerAlarmWrite(timer1,Ts*1000,true); // 设置中断 间隔为采样周期 timerAlarmEnable(timer1); // 启动定时器 } void loop() { // put your main code here, to run repeatedly: button1.tick(); FastLED.show(); EncoderRead(); } ```
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