Кузнецов

1. Донецкий политехнический колледж

Дипломный проект на тему:
Проектирование конструкции и
технологии изготовления печатной
платы свето-музыкального устройства на
микроконтроллере
Выполнил ст. гр. КСК22-1
Кузнецов Богдан
Руководитель: Кобцева Ю.В.

2. Требования к проектируемому устройству

Объект
исследования:
конструкция
и
технология изготовления печатной платы светомузыкального устройства на микроконтроллере.
Цель работы — спроектировать конструкцию и
разработать технологию изготовления печатной
платы свето-музыкального устройства на базе
микроконтроллера,
обеспечив
требуемые
функциональные характеристики, надёжность и
технологичность производства.
Предмет
исследования
—
конструкция
печатной платы и технология её изготовления,
обеспечивающие корректную работу устройства в
заданных условиях эксплуатации.

3. Обзор существующих решений

Приведем несколько примеров свето-музыкальных устройств на микроконтроллерах, которые
различаются по сложности, функциональности и применению. Вот некоторые из них:
Светомузыка на адресной светодиодной ленте WS2812
Устройство построено на микроконтроллере ATtiny13 и адресной светодиодной ленте WS2812. Оно
реагирует на аудиосигнал, преобразуя его в световые эффекты. В схеме используются транзисторы,
конденсаторы и диоды для обработки аудиосигнала: предусилитель на транзисторе VT1, полосовой фильтр на
транзисторе VT2 и конденсаторах C1, C2, умножитель напряжения на диодах VD1, VD2. Напряжение на третьей
ноге микроконтроллера зависит от громкости звука: чем громче звук, тем выше напряжение. С пятой ноги
микросхемы снимается управляющий сигнал для светодиодной ленты.
Устройство имеет 8 различных эффектов и демо-режим. Режимы переключаются кнопкой S1, кнопка S2
включает демо-режим. Микроконтроллер программируется через USB ISP-программатор.
Рисунок 1 - Светомузыка на адресной
светодиодной ленте WS2812

4. Цветомузыка на микроконтроллере для RGB-ленты

Коммерческие устройства, например, модели
CM-72W-12V-RGB-RF18, CM-108W-12V-RGB-RC24 и
CM-216W-12V-WIFI-RGB-RF11,
основаны
на
микроконтроллерах (ATMEL 528, STM8S003F3P6 и
др.). Они предназначены для управления RGBлентами и имеют несколько каналов для
регулировки цвета. Такие устройства часто
оснащаются встроенным микрофоном, линейным
входом, пультом управления (радио или ИК), а в
некоторых
моделях
есть
возможность
управления через Wi-Fi.

5. Разработка системы LED RGB куба 4x4x4 для визуализации музыки

В качестве реализации поставленной задачи было решено
спроектировать 3D-световую визуализацию музыкального
сигнала на RGB-кубе 4×4×4 (64 RGB-светодиода) с
управлением на микроконтроллере и реакцией на спектр и
громкость звука. Для решения этой задачи нужно:
1.
выбрать и обосновать элементную базу;
2.
спроектировать
схему
управления
с
учётом
мультиплексирования и токовых нагрузок;
3.
разработать конструкцию куба и технологию сборки
(шаблон, пайка, жёсткость);
4.
реализовать
обработку
аудиосигнала
(микрофон/линейный вход, FFT, полосы частот);
5.
запрограммировать эффекты и привязку к музыке;
6.
обеспечить питание, теплоотвод и защиту от перегрузок.

6. Разработка алгоритма работы системы

LED RGB куб 4×4×4 на базе Arduino для визуализации музыки работает на основе
метода мультиплексирования и управления светодиодами через подавление сигналов. В
каждый момент времени активен только один горизонтальный слой, а быстрое
переключение между слоями создаёт иллюзию одновременного свечения всех светодиодов.
Куб состоит из 4 горизонтальных слоёв, каждый из которых содержит 16 светодиодов,
расположенных в виде сетки 4×4. Аноды всех светодиодов в одном горизонтальном слое
соединены вместе, а катоды — в вертикальных столбцах. Для активации конкретного
светодиода нужно подать высокий уровень на соответствующий анод (слой) и низкий
уровень на соответствующий катод (столбец).
Метод мультиплексирования позволяет в каждый момент времени активировать
только один слой, быстро переключаясь между ними. За счёт инерционности
человеческого зрения создаётся впечатление, что все светодиоды горят одновременно.
Алгоритм визуализации музыки
Анализ звука. ПК или другое устройство анализирует канал записи звука,
преобразует его в информацию о частотах и передаёт данные о ритме музыки в Arduino.
Подсвечивание слоёв. На основе полученных данных Arduino определяет, сколько
слоёв нужно подсветить в конкретный момент. Например, при обнаружении такта
анализатор может полностью зажечь куб, а после него — медленно гасить слои слой за
слоем. При следующем такте процесс повторяется.
Таким образом, достаточно передать кубу одну цифру — количество слоёв, которые
нужно подсветить в данный момент.

7.

Выбор необходимых компонентов
Разработка системы на базе Arduino — это процесс
создания электронных устройств с использованием
аппаратной и программной частей платформы. Arduino
позволяет быстро собирать прототипы, тестировать идеи,
создавать
простые
умные
устройства,
системы
автоматизации и IoT-решения.
Рисунок 1 – Arduino

8.

Необходимые компоненты

9.

Для реализации куба используем RGB-светодиоды. Они
представляют собой светоизлучающие диоды, которые объединяют
три кристалла разных цветов: красный (Red), зелёный (Green) и
синий (Blue) в одном корпусе. Смешивая их свечение в разных
пропорциях, можно получить практически любой оттенок из
спектра. ledyilighting.com +2
Рисунок 3- RGB-светодиод

10. Основные этапы разработки

Подключение платы к компьютеру через USBкабель.
2. Сборка электрической схемы
соединений компонентов системы.
3. Разработка программного кода (скетча) в
Arduino IDE.
4. Проверка кода на ошибки и компиляция.
5. Загрузка скетча в микроконтроллер через COMпорт.
После загрузки микроконтроллер в цикле
считывает сигналы с подключённых датчиков,
выполняет заданную в коде логику и подаёт команды
на исполнительные устройства.
1.

11. Внешний вид 15 столбиков

12. Конструкция на плате

13. Куб в сборке

14.

После этапа сборки подключаем куб к
Arduino — и можно приступать к
программированию. Библиотека cubeplex
предусматривает удобное
программирование куба с Arduino.

15. Подключение ардуино

16. RGB‑куб

17. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В проекте осуществлена разработка, создание рабочей
программы, изготовление, отладка и действующего макета
конструкции и технологии изготовления печатной платы свето музыкального устройства на микроконтроллере.
Результаты проекта могут быть использованы для серийного
или мелкосерийного производства свето-музыкальных устройств, а
также в образовательных целях при изучении проектирования
печатных
плат и разработки
электронных
систем
на
микроконтроллерах. Разработанная конструкция платы позволит
упростить сборку устройства, снизить вероятность ошибок при
монтаже и обеспечить стабильное воспроизведение световых
эффектов в соответствии с музыкальным сопровождением. Кроме
того, предложенные технологические решения могут быть
адаптированы для других электронных устройств, где требуется
сочетание цифровой обработки сигналов и управления световыми
элементами