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基于Arduino的机械彩色Nipkow显示器

消耗积分:0 | 格式:zip | 大小:2.09 MB | 2022-10-18

djelje

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描述

我想创建一个基于 Arduino 的机械彩色 Nipkow 显示器,无需复杂的机械加工即可制作。所以我决定设计和 3D 打印所有必要的组件——包括 Nipkow 磁盘本身。

对于拥有 3d 打印机并且对更具挑战性的 Arduino 项目感兴趣的每个人来说,它都可以轻松重现。下面的项目描述提供了如何构建的分步说明。

此项目中包含的磁盘可生成 32x32 像素图像,颜色深度为 18 位/像素 (RGB666)。它可以达到 25-30fps 的最大帧速率,足以获得稳定且无闪烁的图像。相对较高的色深和帧率提高了图像质量。

框图

大多数组件都很容易制造或从 Arduino 或 Amazon 获得,唯一的特殊部分是一个快速的三重 DAC LED 驱动器,用于控制每个 R、G、B 通道。它比标准的 Arduino Uno 需要更多的端口和内存。这就是我选择 Arduino Mega 的原因——它很方便,因为它有很多 IO 端口,而且它的内存更大(视频双缓冲区)。tripe DAC LED 驱动器的电子设备可能需要在面包板上花费更多精力,因此我决定设计自己的 PCB,该 PCB 非常适合这个项目。磁盘电机不受 Arduino 控制,而是 Arduino 将通过 IR 传感器单元每次旋转测量速度并重新调整像素读数的计时器。其他组件包括 MicroSD 读卡器和几个按钮。

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方框图

说明 - 如何构建:

1. 打印所有部分(通过链接下载STL 文件...)

a) Nipkow 圆盘 32 孔(需要 >20x20 厘米的床)

b) 电机支架(前后部分)

c) LED 单元(支架、LED 插座、反射器和盖子)

d) IR 传感器(支架和盖板)

e) 框架部件(左右侧部件和顶部安装底座)

f) 可选:前面板(面板、2x 支架、SD 卡座)

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1 / 2 • Nipkow 磁盘需要具有 >20x20cm 打印床的打印机

2. 组装所有印刷零件(见图片和视频说明)

a) 使用 4x M4x30 将框架部件拧在一起并安装在合适的(木制)接地板上

b) 将直流电机插入支架(前部使用 2 个 M4 螺钉固定)并使用 4 个 M4x16 安装在底板上添加法兰以将 Nipkow 盘安装在电机轴上(轴上的 2 个 M3 和 M6 螺母)

c) 使用 M3x12 将 LED 插座组装到 LED 支架上,使用 2x M3x20 安装在底座上。然后在反射器内添加反射箔,将 RGB LED 插入插座并滑动反射器以将 LED 固定到位。插入一小块(非常)薄的纸作为扩散器,最后用 M2 螺丝安装盖板

d) 将红外传感器支架安装在电机轴下方

e)可选:用 2 个支架和 SD 卡成型机组装前面板并固定在接地板上(看起来更干净一些)

f) 在将圆盘安装到轴上之前,在 Nipkow 圆盘上为 IR 传感器添加反射垫(距起始位置 90°)

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1 / 18 •框架部件

3. 构建tripe DAC电子:

要么使用宽板(参见上面的框图),要么在原型条板上构建,或者构建 3x 6 位 DAC 的 PCB(这就是我所做的),请参见下面的一个 DAC(需要 3 个)的示意图

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DAC + 输出驱动器电路之一的原理图

4. Arduino Mega 端口连接

a) 连接 SD 卡 (PG0->CS, PB3->MISO, PB2-> MOSI, PB1->CLK)

b) 连接红外传感器 (Dout->PE4)

c) 将 R、G、B 端口连接到 DAC(端口 A、C 和 L)

d) 将 3 个 DAC 输出连接到 RGB LED

5. 软件

a) 准备 Aduino IDE:将目标设置为 Arduino Mega

b) 通过 Arduino 库管理器安装“SDfat.h”(快速 SD 卡读取访问所需)

c) 获取我的 Arduino 源代码(见下文),它包含 2 个文件(主代码和测试图片)

d) 编译并上传到 Arduino 板

e) 转换您自己的图片或动画

详细说明 :

Nipkow 磁盘Nipkow 磁盘用于早期的电视系统,可以机械扫描或创建图像。该磁盘包含螺旋上的几个孔,在我的情况下将形成 32 行。在任何给定的时刻,只有一个孔通过 LED,这会改变它的亮度和颜色,从而在线条上创建单独的像素。

对于打印版本,磁盘直径取决于您可用的打印机。我使用了 Prusa iMk3S+,它给了我大约 21x25cm 的水平打印空间,所以我决定使用直径为 20cm 的磁盘。使用这种磁盘尺寸,孔(=线)的数量在某种程度上受到限制,因为更多的孔会导致更小的像素尺寸和更不准确的孔形状。我尝试了最多 48 孔的版本,但结果不是很好,而且 Aruduino 的内存(帧缓冲区)太有限,所以我决定坚持使用 32 孔的版本作为一个很好的折衷方案。

为了轻松构建多个磁盘,我在 PC 上创建了一个程序,该程序允许在阿基米德螺线(由极坐标方程 r = θa 定义的曲线)上创建多个孔并将此几何图形输出为 SVG 文件,可以通过以墨水空间为例。然后我更改了参数,直到磁盘设计符合预期,最后将 SVG 文件导入任何 CAD 程序(例如 Tinkercad)并挤压成 3D 对象。注意:这个工具仅供我自己使用,它更像是一个“hack”,并且没有正确开发。所以我不会让它可用。

电机我使用常见的 12V DC 电机类型“XD3420”,您可以轻松找到(例如在亚马逊上)。在低于其最大规格使用时,它最大仅消耗 0.5A-1A 并且非常安静。磁盘旋转将由红外脉冲传感器在每次旋转时测量,因此我们不需要主动控制它。使用任何现成的 12V PWM 调节器模块来控制电机。使用合适的外径 32mm、内径 8mm 的法兰连接电机轴上的圆盘。

RGB LED您可以找到各种高功率 LED“芯片”型产品,其中大多数是在金属外壳上粘合 9 个单独的 LED。它们中的大多数将充当一个白色 LED(涂层),但也有提供 3x 红色、3x 绿色、3x 蓝色灯串的变体。我正在使用的 LED(在亚马逊上找到)使用大约。每个 LED 灯串 6-10V,消耗约 6-10V。最大 350 毫安

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RGB 电源 LED

3 通道 DAC LED驱动器更多的努力是为 3x(R、G 和 B)通道 DAC 创建电子设备。为了实现足够快的 DAC 转换,我选择了一个“6-bit R2R-ladder DAC”,它与 IO 切换的速度一样快,但需要许多并行输出端口(因此我为这个项目选择了 Arduino Mega,它有许多数字IO!)。在 R2R 梯形图之后,使用同相运算放大器级来维持敏感的输入信号电压,并确保运算放大器的输出不受负载变化的影响。最后,一个 n 沟道 FET (IRLZ34N) 将驱动相关的 LED 输出通道。这个 FET 的导通电阻低,散发的热量也少,所以我们不需要散热器。使用电位器,可以调整每个通道的不同偏移和增益(亮度)。使用提供的测试图片。

电路本身并不难,但因为你需要它 3 次,在面包板或原型 PCB 上组装它可能有点不愉快。因此,对于我的最终版本,我决定在一个简单的 PCB 上放置 2 个 DAC,并使用当地的 PCB 制造商来制造 PCB。通常您需要订购 3-5 个 PCB,因此在我的情况下,我将其中两个堆叠在一起。

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我为 DAC 制作了自己的 PCB

为了避免在每个像素读出时进行任何位移操作,我只是使用了 3 个完整的 8 位端口(A、C 和 L)作为 DAC 的输出。即使这可能有点“浪费”引脚,Arduino Mega 有足够多的可用 IO,它使软件非常干净。

这是从 Arduino Mega 到 3 个 DAC 通道的连接:

端口(引脚)-> DAC 通道

A2(24) -> R0 C2(35) -> G0 L2(47) -> B0

A3(25) -> R1 C3(34) -> G1 L3(46) -> B1

A4(26) -> R2 C4(33) -> G2 L4(45) -> B2

A5(27) -> R3 C5(32) -> G3 L5(44) -> B3

A6(28) -> R4 C6(31) -> G4 L6(43) -> B4

A7(29) -> R5 C7(30) -> G5 L7(42) -> B5

其他电子零件

- IR 传感器:我使用 IR 传感器“TCRT5000”来测量磁盘转速。传感器发射 IR 并检测它是否接收到来自磁盘反射同步条的回波(您需要将其放在磁盘上!)。为了防止环境噪音,我在传感器周围创建了一个简单的屏蔽。这样,我们可以将灵敏度调到最小值,因为在反光条出现之前,它通常看起来很暗。该模块将使用 VCC 和 GND 和数字输出连接到:

Dout -> PE4(2) / INT4

- SD 卡:要将连续图片显示为大文件中的“电影”,SD 卡可以方便地存储二进制文件。Arduinos 的典型 SD 卡模块提供了一个 SPI 接口来连接到 Arduino。该项目中 Arduino Mega 的引脚是:

PG0(41) -> CS

PB3(50) -> 味噌

PB2(51) -> 莫西

PB1(52) -> 时钟

注意:启用视频模式后,软件将循环使用它可以在根目录中找到的所有文件。没有检查有效的格式或扩展名等!因此,请确保您只将包含以下转换器工具制作的有效“二进制视频数据”的文件放在 SD 卡上。

- 按钮:为了轻松控制输入选择和播放/停止/曲目跳过,我使用安装在(可选)前面板上的 2 个按钮和 1 个开关:

模式选择(图片或视频)-> PB7 (13)

播放/停止 -> PB6 (12)

下一首 -> PB5 (11)

注意:我没有为开关实现任何软件去抖动,因此您需要并行使用 100nF 电容(参见框图)。在我的情况下,这绝对没问题。

软件

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用于调试的串行接口

Nipkow Media Converter PC Tool我创建了一个简单的转换器工具来转换我在这个项目中包含的位图,以方便使用。此工具仅适用于 Windows。它可以:- 将一个或多个位图(24 位)转换为头文件(用于编译)以直接显示来自闪存的静态图片- 将多个位图(24 位)作为动画序列转换为 SD 卡的更大二进制文件为“视频"该工具只是一个 EXE 文件,您应该将其放置在包含要转换的位图的目录中。确保位图为 32x32 像素大小、未压缩并以 BMP 24 位/像素格式存储。还要确保位图顺时针旋转 90°。

!注意:这个软件工具只是为这个项目制作的,没有经过全面测试,可能并不完美。它是“按原样”提供的,使用它来承担我们的风险。对于我的项目,它确实运行良好。

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媒体转换器工具

静态位图转换说明:

a) 启动后,该工具搜索它所在的目录并列出它可以找到的所有位图。在列表框中选择一个或多个进行转换。

b) 选择输出类型:静态位图的“头文件” 将此项目的“输出颜色”选项设置为“颜色”。我还将它用于早期的单色原型。

c) 单击转换,转换过程将开始并在框中报告状态消息

d) 它始终使用第一个文件名作为输出名称,例如:输入文件 1:0Testpic3232.bmp -> 输出文件:0Testpic3232.h您需要将其重命名为例如“bitmaps.h”,然后再将其包含在您的项目中

f) 将头文件复制到您的 Arduino 项目文件夹并重新编译(注意:如果您包含的文件过多,超出了可用闪存大小,则会出现编译器错误)

g) 确保您在 Arduino 源代码中正确设置了包含文件的数量:“const byte numberpics = 4;”

动画说明(视频转换) :

注意:需要附加工具“virtualdub”来从视频文件中生成一系列位图。

a) 下载并打开“virtualdub”

b) 打开一个视频文件

c) 在“video->filters”中添加 2 个条目:“resize 32x32”和“rotate 90° right” (根据需要随意调整其他设置,例如合同、帧速率等...)

d) 转到“文件导出图像序列”并将输出设置为“Windows BMP”(注意:根据您的视频大小,这将创建很多图像!)

e) 将 NipkowMediaConverter 放在输出目录中,启动它并选择所有图像(它们将具有前导数字,例如:000video.bmp、001video.bmp 等)

f)确保您将输出格式设置为“二进制”,然后开始转换(需要一些时间......)

g) 将 created.bin 文件复制到 micro-SD 卡的根目录

 

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