赛博宫灯 - 基于ESP32-C3的装饰灯

更新日志

2024.01.25：最初开源改项目 Ver1.0
2024.05.18：上传模型文件，请注意遵守开源规则，不可商用

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

Figure1 实物图1(找不到硫酸纸用活页纸随便凑合了)

Figure2 实物图2

Figure3 实物爆炸图

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。

Figure4 Lgiht-PCB

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、C2843809)
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
Figure5 LED驱动电路

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
Figure6 系统框架

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Tsms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
Figure7 人机交互逻辑

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
Figure8 三维模型

模型爆炸图.png
Figure9 三维模型爆炸图

Figure10 灯座-控制器图1

Figure11 灯座-控制器图2

Figure12 灯檐3-EC11编码器

五、更多图片

Figure13 灯座正面(Type-C输入接口与充电指示灯)

Figure14 灯座背面(EN复位按键-需要使用顶针)

Figure15 灯顶(灯饰作为EC11键帽，能够旋转与按下)

附录

I.源代码

#include 
#include 
#include 
#include 

// 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(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();
}

序号	文件名称	下载次数
1	LightBox.zip	208
2	模型文件.zip	24