RGB Дерево-ночник

Представьте, сумерки, зимнее время, зажигается праздничная иллюминация, всё красиво, будто в сказке. Гирлянды всюду: на столбах, зданиях, деревьях. Есть желание забрать этот кусочек сказки с собой? Нет, вандализмом заниматься не будем. Но можем создать осколок такой сказки у себя дома.

Здесь видео работы режимов подсветки.

Минимально для сборки вам необходимо:

• иметь Андроид-устройство для управления подсветкой;

• обладать навыками пайки, в том числе и мелких smd компонентов, соответственно и необходимое для этого оборудование;

• уметь и иметь возможность прошить микроконтроллеры семейства STM32;

• иметь регулируемый источник питания на 4А и регулировкой 0-5В минимум;

• иметь навыки изготовления отливок из смол;

• обладать хорошим терпением, инструментами и прямыми руками;)

Полный список необходимых компонентов для сборки будет находиться в конце статьи.

Если решились, то тогда сразу закажите плату управления, ехать она будет долго, возможно, как раз подоспеет к нужному моменту. Там же лежат установочный файл приложения для Андроид и прошивка под микроконтроллер.

Переходим к самому дереву, контроллером для него служит STM32F103C8T6 на плате Blue Pill, под неё на основной плате выведены разъёмы подключения. Также предусмотрены порты расширения в случае, если возникнет желание дополнить функционал проекта. В качестве пульта управления выступит любое устройство с Андроид и Bluetooth на борту, соответственно, приёмником со стороны платы будет модуль HC-06. Источником света служат RGB светодиоды с общим анодом диаметром 5 мм, их проще всего найти на рынке. Хотелось бы для упрощения проекта использовать адресные светодиоды, но проблема в том, что их квадратный корпус со стороной 5 мм по диагонали уже достигает примерно 7 мм, это очень много. Управлять светодиодами будем специальными драйверами. На старте проекта самыми дешёвыми были MBI5050GP в корпусе ssop24. К моменту написания статьи эти драйверы чудесным образом исчезли из местных магазинов, тем не менее они ещё доступны на заказ из Поднебесной, остальное найти не составит труда. Драйверы управляют «минусами» нагрузки, поэтому светодиоды обязательно покупайте с общим анодом. Не перепутайте!

Плата спроектирована так, что позволяет управлять 64мя светодиодами, сделать можно меньше, но лучше кратно 16ти. Учтите число светодиодов в define-ах прошивки контроллера. В моём случае дерево собрано из 48ми светодиодов. Дополнительно 16 диодов было установлено в подложке основания дерева для декоративной подсветки, что в дальнейшем было принято как неудачное решение. Поэтому вы можете либо перенести 16 светодиодов в крону дерева, сделав его «пышнее», либо повторить проект и не задействовать подложку. Тогда надо будет вместо драйверов диодов под номерами R49-R64 и G49-G64 припаять перемычку линии данных, позже в статье я покажу каким образом. Итак, начнём сборку, всё будем делать в несколько этапов:

1. Создаём «листья»

Поскольку неясно, от чего отталкиваться в плане размеров, решено было начать с самого основного элемента дерева – прозрачного листа из эпоксидки. Стилизовать будем под клён, так как в природе он, возможно, один из самых «разноцветных», да и форма листа способствует более сложному рассеянию света.

Мастер-модель слепим из пластилина, лучше всего раскатать его на ровной поверхности гладким предметом. Для очерчивания контура берём фото листа и стараемся повторить. Вычерчиваем канавки для прожилок. Всё как в детском садике. Единственный момент, в процессе сборки я улучшал технологию и не всегда фотографировал результат, поэтому придётся иногда просто описывать, что лучше сделать, а чего делать не надо. Так вот, на четвёртой фотографии видно, как прожилки сглажены с плоскостью листа, так делать НЕ надо – занимает больше труда, а по итогу лист становится сильно зализанным в отливке. Сглаживайте только концы прожилок с плоскостью листа и стыки прожилок между собой, этого достаточно. С обратной стороны повторяем всю процедуру. Ориентируемся на базовые изломы контуров листа. Полного совпадения рисунков прожилок с обеих сторон не обязательно, различия будет видно, но только если вглядываться в каждый лист.

Когда сделали основную структуру листа, займёмся утолщением его коренной части. В неё будем встраивать светодиод, поэтому толщину надо сделать около 9 мм, так проще высверлить отверстие под посадку и не разрушить стенку получившейся трубки. Обязательно сделайте «ножку» для листа, чтобы можно было поставить его вертикально. В процессе я пытался сделать подобие патрона, поэтому на фото ниже видно кусок прилепленной ручки с резьбой, но ради упрощения проекта отказался от этой идеи.

Получившуюся мастер-модель будем заливать в силиконом. Ставим лист на ровную гладкую поверхность, закрепляем, собираем опалубку, проклеиваем все стыки, чтобы силикон не вытек. Обрабатываем разделительным составом модель и внутреннюю часть опалубки, льём силикон.

Дополнительный и важный момент состоит в том, что к нижней части листа, где обозначено красным, нужно прикрепить также литники, иначе в процессе заливки смолой в силиконовую форму в этих местах будет скапливаться воздух.

После отверждения силикона требуется вынуть форму и разрезать вдоль плоскости листа. Лучше не дорезать до конца, тогда не нужно будет постоянно следить за взаимным расположением половинок формы.

Как вытащили весь пластилин, необходимо обработать разделительным составом внутреннюю часть формы, стянуть канцелярскими резинками и залить эпоксидную смолу, предварительно прогретую на водяной бане. Прогрев очень важен, так увеличится текучесть и исчезнет осадок, если таковой присутствовал.

Настоятельно рекомендую сделать несколько (4-5) форм, время полной полимеризации смолы примерно 24 часа, ждать долго, а листов нужно много, плюс учитывайте некоторый процент брака.

Примерно через 12 часов после заливки формы лист уже частично полимеризовался, можно очень аккуратно вытащить его из формы. В этот момент лист ещё эластичный, есть возможность согнуть его, как вы пожелаете. Так вы несколько разнообразите вид дерева. Когда листы окончательно затвердеют, приступаем к следующему этапу – необходимо срезать ножку, зачистить дефекты отливки, в корневой части высверлить посадочное место под светодиод.

Затем следует подготовить ещё немного смолы и с её помощью вклеить светодиод внутрь отверстия. Важный момент! Светодиоды перед вклейкой обязательно проверьте, и не только на светимость, но и на ток потребления. У меня несколько раз они попадались с дефектами, по итогу светили, но потребляли гораздо больше тока (60 мА против 25-30 мА в норме). Так как драйвер управляет именно по току, такой диод светиться не будет и заметите вы это уже когда соберёте всё дерево и подключите к плате управления.

Получится что-то подобное:

Когда мы вытаскиваем лист из формы, то замечаем, что он довольно мутный. Причина, если это не нарушение тех процесса, кроется в том, что внутренние стенки формы довольно шероховатые, поэтому и отливка получилась с соответствующей поверхностью. Чтобы сделать поверхность листа прозрачной, приготовим ещё немного смолы и кистью нанесём слой смолы прямо на лист. Наносите аккуратно, кисть должна быть едва смоченной, иначе излишки эпоксидки будут стекать вниз и каплями, свесившись по выступающим частям листа.

То, что получится, должно быть похоже на льдинку в виде листа. На мой взгляд, выходит довольно красиво. Сборку лучше проводить по конвейерному принципу, а именно: когда вытащили листы из формы и дали затвердеть, сверлите сразу отверстия под диоды. К этому моменту у вас будут свободные формы под заливку, готовые к склейке с диодами листья, и возможно, уже склеенные с диодами. Приготовьте смолы с запасом и сразу же делайте три этапа: залили новые формы, остатками эпоксидки приклеили светодиоды и покрыли поверхности уже готовых. Так получается максимально эффективно и при этом, повторяя примерно раз в день весь этот список на 5ти листах, вы, по крайней мере, не устанете, и весь процесс не займёт полгода времени, хотя гарантирую, несколько раз проклянёте всё.

2. Прикидываем размеры и необходимый объём материалов для сборки

Прикинем габариты, в моём случае расчёт на 48 листьев, высота листа около 8 см. Я не придумал ничего проще, чем нарисовать что-то типа эскиза, сразу говорю, как мог, так и рисовал.

Примерно получился такой вариант, разбиваем по зонам, учитывая, что рисовали будто бы проекцию дерева, умножим на 4, вот, собственно и 48 листов. Дальше как в известном мультике, мерим удава попугаями, то есть, используя высоту отливки листа в 8 см, получаем дерево высотой в 6 высот листа равное 48 см. Толщину прикинем исходя из пропорций дерева, на рисунке соотношение высоты к ширине дерева примерно 18 к 1, то есть получаем 2,67см.

Ствол дерева сформируется связкой проводов, уходящих к листам. Так как на один лист нам нужно 4 провода, то соответственно, всего в стволе их будет 192. Я взял за основу расчёта минимальный диаметр ствола в 2 см. Отсюда площадь сечения 314,16 мм², делим на число проводов, получим 1,636 мм². Довольно толстый провод получится, токи в них небольшие, переплачивать за медь нет смысла. Самым оптимальным вариантом мне показался провод марки МГТФ, изоляция у него довольно жёсткая, что нам только на руку. Полазив по спецификациям, я подобрал подходящие мне параметры в виде 0.5 мм² жилы, при этом максимальный диаметр в изоляции 1,5 мм, отсюда площадь сечения 1,767 мм². Посчитаем итоговый диаметр ствола, учтём коэффициентом заполнения 0.9 (неидеальность укладки провода), выходит 21,9 мм.

Учитывая высоту дерева в 48 см, добавим ещё дополнительно длину на роспуск корней. На подвод к плате я взял длину отрезка провода в 70 см, это с запасом, но лучше лишнее отрежу, чем потом с наращиванием буду мучиться, на всё дерево нужно соответственно 134,4 м.

3. Сборка дерева

Покупаем провода, припой, флюс, термоусадки различного диаметра, запасаемся терпением и начинаем паять. Необходимо подрезать выводы диодов на листах. Вывод общего анода я старался оставлять длиннее, чтобы не запутаться. При этом, провод, который припаиваю к нему, также зачищаю на обратном конце. Это очень важно, так вы надёжно отметите общий вывод (остальные три провода будут просто обрезаны и не зачищены) и сможете в дальнейшем определиться с номером и цветом остальных линий. Маркировать иначе я не видел смысла, краска быстро слезает с фторопластовой оболочки, а внешние шильдики будут мешать в дальнейшем при протаскивании проводов через отверстия в основании.

После того, как всё спаяли, сначала одеваем термоусадку на каждый провод, затем на все 4 провода, далее берём и закрываем трубкой самого большого диаметра место расположения светодиода, это нужно чтобы не было прямого света, который бил бы нам в глаза. По итогу, таких листов нам надо собрать 48 плюс запас на случай брака при сборке.

Если вы прошли первый круг этого ада, поздравляю, у вас уже неплохая стойкость, теперь начнётся творческий процесс, надо сформировать само дерево.

Получившиеся листья собираем следующим образом: два-три листа скрепляются кабельной стяжкой вместе на расстоянии около 2-3 см от черенков, затем действия повторяются с другими листами. Собранные мелкие ветки скрепляются подобным же способом в одну большую. Несколько крупных веток формируют ствол дерева. В целом, у вас должно получиться что-то похожее:

Внутрь ствола я вставил велосипедную спицу (можно взять электрод для сварки со снятой оболочкой), так увеличивается прочность самого ствола, плюс ещё и появляется точка крепления, которую можно закрепить в тисках.

Собрали? Отдохнули от монотонной работы по сборке листьев? Тогда поздравляю, начинается второй этап «веселья». Сразу оговорюсь, этот способ весьма сомнительный, хоть по итогу и вышла красивая текстура, но взамен вы отдадите огромный объём времени на выполнение этого пункта. Поэтому подумайте, есть ли возможность сделать иначе, я думал над простой склейкой проводов между собой, но не уверен, что этот вариант реализуем, а главное, долговечен.

Для того чтобы стянуть провода, я использовал нитку. Возьмите потолще, только не больше миллиметра толщиной, иначе получите что-то похожее на кошачью когтеточку. В теории это просто, пока стяжки держат, на свободное место у основания ствола необходимо нанести слой клея, поверх начинаем наматывать нить, кто мотал катушки и трансформаторы, меня быстро поймут. Как только дошли до очередной стяжки, срезаем её и продолжаем мотать нитку. Намотку надо стараться делать виток к витку, дефекты намотки допускаются, это даже придаст в итоге естественность покрытия, но это не отменяет необходимость аккуратной намотки. Клей я использовал “Момент Кристалл”, он цепкий и эластичный, что нам как раз и надо. На такое деревцо у меня ушло около двух больших тюбика. Ветки, которые ещё не замотаны, лучше направить вверх и стянуть резинками. Замотанные ветки лучше согнуть наоборот вниз, так будет удобнее.

По итогу, спустя каких-то одну-две недели вы получите мозоли на пальцах, но и в довесок сформированную крону, что уже неплохо.

4. Корневая система, формирование подставки

Теперь займёмся нижней частью проекта. Чтобы начать собирать корневую систему дерева, нужно определиться с габаритами подложки. Диаметр подложки, исходя из общих пропорций, я взял 22 см. Несильно широко, уже максимальных габаритов кроны. При этом площадь достаточна для размещения под плитой платы управления. В качестве основы я взял плиту МДФ толщиной 16 мм, вычертил окружность нужного диаметра, высверлил центр и установил дерево. Переходим к созданию корневой системы. Делаем так, как на рисунке, зайти за габаритную линию (окружности диаметром 22 см) можно, даже нужно, оплетенные части протолкнём через предварительно просверленные отверстия в плите. Так будет меньше риска повредить изоляцию, главное чтобы близко к габаритам не создавались разветвления – будет выглядеть некрасиво, да и замучитесь заталкивать провода.

Теперь касаемо декоративной части. В качестве цвета ствола был выбран чёрный как контраст белым листьям, при этом нейтральный для интерьера. Горшок тоже желательно выбрать в нейтральных тонах. Я искал серый с белой внутренней вставкой, такие нередко попадаются в садовых магазинах. Берите пластиковые с внутренней системой полива, они лучше всего подходят. Чтобы закрыть МДФ, взяты камушки для аквариума, чёрные и гладкие, от корней они будут отличаться текстурой, визуально дополняя их. Диаметр горшка, соответственно, больше 22 см, учитывая толщину стенок и необходимость немного «утопить» подложку вглубь горшка, берите около 23-25 см в диаметре. После того, как корни готовы, выпиливаем круг, размечаем точки прохода корней, высверливаем отверстия, и сажаем дерево на клей.

5. Нумерация проводов и листьев, окраска

Сделали? Замечательно, пора нумеровать листы, самый верхний будет первым и так постепенно друг за другом, спускаясь к низу. Номера я писал на кусках малярного скотча, это самый дешёвый вариант, потом эти ярлыки всё равно снимать.

Нумерация листьев затем нужна будет для определения адреса провода. Помните, что я писал о необходимости зачистить общие плюсы всех светодиодов? Сейчас как раз это и понадобится, всех их надо припаять к общему проводнику. Я взял отрезок фольгированой текстолитовой пластины и припаивал сплавом Розе, так быстрее. Подаёте на общую шину +2,5 вольта (нижний порог для синего и зелёного каналов и верхний для красного). На минусовую клемму крепим тонкий проводник. Подойдёт обрезок вывода светодиода, коих осталось много после создания листьев. Касаетесь конца минусовых проводов и смотрите, какой цвет, на листе с каким номером, зажёгся. Лепите шильдик и подписываете, например 3R или 21B. Так находите адреса всех подряд проводов. Как завершите, сдираете номера с листов, они более не нужны

Переходим к процессу покраски, залепляем малярной лентой листву и всё, что не должно быть покрашено, проходим баллоном с грунтом, черной краской. Там, где не смогли прокрасить, потом исправим с помощью кисти и чёрной акриловой краски. В этот момент как раз и проявляется классная текстура, созданная навитой ниткой.

6. Сборка платы

Отложим пока всю эту конструкцию, думаю, плата, которую вы заказали, уже приехала, пора собирать.

Плата рассчитана на массив из 64х светодиодов, можно меньше, но лучше всего кратно 16ти. Если вы решили использовать 48 светодиодов, как и у меня, нужно вместо драйвера припаять провод для сквозного прохода данных. Замыкаем между собой посадочные места под выводы 2 и 22 для чипов D10 и D11, вместо D12 ничего припаивать не нужно, оставьте посадочное место пустым. Естественно, обвязку вокруг этих драйверов также собирать нет смысла.

Дальше немного отступления от темы. Изначально планировалось использовать разъёмы PBS для подключения светодиодов, но в процессе стало понятно, что такая идея отнимает много места, сами коннекторы испытывают серьёзные механические нагрузки. Переделывать плату нет смысла, поэтому оставляем только разъёмы X1-X8. В остальных случаях провода впаиваем напрямую в посадочные места. Всё равно там лазить более, скорее всего, вам не придётся.

Теперь проще всего составить таблицу соответствия элементов и их позиционных номеров.

Разъёмы X8 и X2 предназначены для запитки слаботочной нагрузки, типа датчиков или того же модуля HC-06. Сигнальная часть модуля Bluetooth подключается на линии UART1 (пины A9-A10). X1 выведен для подключения внешней кнопки сброса. X3 и X4 – разъёмы под BluePill.

В посадочные места под разъёмы X11,X19,X25,X33 впаиваются общие плюсы дерева, остальные точки подключения промаркированы теми же адресами, какие и у припаиваемых к ним проводов.

7. Подключение платы к дереву

Этот этап также довольно муторный, вам предстоит впаять множество проводов в нужной последовательности. Предварительно рекомендую высверлить отверстия в МДФ плите под закладные гайки стоек платы, собственно плату можно использовать как шаблон, в ней отверстия диаметром 3 мм.

И да начнётся пайка! Начните с центральных выводов G17-G41, провода подрезайте по размеру, не оставляйте сильно много, особенно, вначале. Я прикинул, что плата будет «висеть» на расстоянии в 5 см от подложки (в итоге получилось около 7,5 см). Чтобы было удобнее, я взял две планки и прикрепил к столу, на получившуюся «вилку» положил дерево вверх дном, распустил провода. Далее берётся провод с нужным адресом и впаивается на положенное место. Главное, когда впаиваете очередную группу проводов, думайте о доступе для впайки следующей, чтобы было удобно.

После впайки адресных проводов, приступайте к подключению всех плюсовых. Прошейте микроконтроллер, установите BluePill на посадочные места. По итогу дерево можно «запустить» от лабораторника, при подаче питания (3.3-3.5 В) на плату оно замигает красным. Скачайте приложение на телефон или планшет, проведите сопряжение устройств (код 1234), затем открываете приложение, нажимаете «Поиск Bluetooth устройств», находите нужное, скорее всего это HC-06. Если подключение произошло успешно, то дерево начнёт мигать жёлтым. Погоняйте разные цвета в режиме пользовательских настроек.

Теперь пора закрепить плату. Понадобятся гайки и винты М3 под стойки, шайбы, саморезы 3x12 и стойки для печатных плат. Возьмите 4 по 60 мм длиной, 8 по 10 мм и 4 по 5 мм, так, чтобы можно было подогнать по месту. В моём случае, я вытачивал стойки на токарном станке, длиной вышло 75 мм. Также нужна полоса из металла, я брал полосу алюминия толщиной 2 мм.

Собираем накладки 10х24, нужно просверлить три отверстия 3 мм: 2 по краям для саморезов, одно для сквозного прохода стойки. Нужно 4 накладки.

Далее идёт процесс сборки. Вкладываете гайку в предварительно засверленное посадочное место в плите (трафаретом для отверстий можно использовать саму плату), предварительно промазанное клеем, сверху ставите накладку, через центральное отверстие в накладке вкручиваете стойку в гайку, затем накладку крепите саморезами к плите.

По итогу соберёте так четыре узла крепления платы. Подгоните высоту так, чтобы плата прижимала провода, но не было риска сломать саму плату, фиксируйте её болтами к стойкам, притягивайте по диагонали крест-накрест.

Здесь пока всё, отставляем дерево в сторону, займёмся горшком.

8. Сборка питания и подставки

Горшок выбрал просто из-за внешнего вида. Тот, что на фото – марки Live in Green объёмом 6 литров, но его надо подпилить. По диаметру и по внешнему виду он мне подошёл, но оказался очень высокий. Поэтому разбираем горшок. Дно внутренней части неровное, опирается на три усечённых конуса, они нам не нужны, спиливаем. На эту же величину минус 5 мм обрезаем нижнюю часть внешнего корпуса. Так выглядит лучше. Собрал горшок обратно, вырезал посадочные места для кнопки включения KCD11 и разъёма для подключения блока питания 5.5x2.1 мм, внутрь поставил конвертер DC-DC XL4016E1 на восемь китайских ампер (грелся хорошо уже при 4х). Чтобы поставить конвертер, нужно высверлить в донной части внутреннего корпуса отверстия, сильно не нажимайте на сверло, пластик очень хрупкий. Провод использовался НВ-4 сечением 0,5мм².

Подключение элементарное: минус от разъёма питания напрямую на вход конвертера, плюс – через кнопку включения. В качестве источника питания подойдёт любой блок постоянного тока с выходной мощностью не менее 22 Вт (примерно 4 вольта на плату при потреблении в 5 ампер при кпд конвертера в 95%). Конвертер работает в диапазоне 7-30 вольт. После сборки и подачи питания, цепляемся щупами к выходным клеммам преобразователя и кручением подстроечного резистора добиваемся напряжения 3,3 вольта, я взял 3,43 с небольшим запасом. Затем от выходных клемм выводим провода, напаиваем разъём 172165-1 марки TE Connectivity, не забываем соблюсти полярность.

Так как плита МДФ очень сильно уходила внутрь горшка, я из рейки 20х30 мм выпилил упоры и прикрутил на саморезы 4х16 с внешней стороны внутреннего корпуса горшка на высоту установки плиты в 40 мм (итоговая высота борта над плитой 24 мм).

Всё, дальше дело за малым, ставим дерево в горшок так, чтобы упорами не закусывало провода. На верхнюю часть приклеиваем декоративные камни, сбоку проклеиваем кайму поролоном. Я не предусматривал вариант крепления, потому что дерево будет статично стоять на одном месте, но если что, то достаточно просто ввернуть несколько саморезов в опоры через МДФ плиту. На этом, в общем-то, сборка завершена. В целом, получилось довольно дорого, по грубой прикидке без учёта блока питания, плиты МДФ и прочей мелочи вышло около девяти тысяч рублей. Но если честно, выглядит действительно красиво, на мой взгляд, это того стоит. В дальнейшем планируется выпустить вторую статью по описанию работы кода.

Ниже представлен перечень компонентов для сборки.