赛博宫灯 - 基于ESP32-C3的装饰灯 - 嘉立创EDA开源硬件平台

## 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  <center>Figure1 实物图1(找不到硫酸纸用活页纸随便凑合了)</center>  <center>Figure2 实物图2</center>  <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。  <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：  <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：  <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：  <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。  <center>Figure8 三维模型</center>  <center>Figure9 三维模型爆炸图</center>  <center>Figure10 灯座-控制器图1</center>  <center>Figure11 灯座-控制器图2</center>  <center>Figure12 灯檐3-EC11编码器</center> ## 五、更多图片  <center>Figure13 灯座正面(Type-C输入接口与充电指示灯)</center>  <center>Figure14 灯座背面(EN复位按键-需要使用顶针)</center>  <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(); } ```