9. 环形RGB彩灯模块(x11颗WS2812B)

Note

  • NeoPiexl，彩色像素，霓虹灯像素。我们想象一下霓虹灯，绚丽多彩、耀眼夺目、流光溢彩等形容词来表达你所想到的霓虹灯都不过分
  • RGB LED，三基色(彩色)LED。随着LED技术的发展，LED是我们生活中最重要的发光器件，而且还能发出彩光。RGB是表达彩色的常用方法，即采用独立的3个基色分量来表述颜色
  • LED节能灯，作为一种数字控制型发光器件，LED照明灯的亮度控制与传统钨丝灯泡的亮度控制可以说是革命性的。钨丝灯泡的亮度调节只是把电能消耗在其他电子元件上，照明亮度降低并不意味着降低电能消耗。然而LED节能灯的亮度降低后真正地降低电能消耗

欢迎你来到现代彩光照明时代！环形RGB彩灯模块(x11颗WS2812B)将是你探索现代照明技术和灯光艺术是最佳的选择，通过对这个模块的简单编程， 你不仅DIY一个自制的真正的可调亮度的照明灯，还能实现各种绚丽的霓虹灯效果。

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她们的小包包这么酷！是怎么做到的呢？ 让我们来认识一种能让包包、眼镜、头饰等发出绚烂彩光的模块：环形RGB彩灯模块。

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这个模块专门为DIY可穿戴设备订制，具有很宽的供电电压范围，允许你使用2节7号电池(3.0V电压)为其供电，也可以使用标准USB数 据线或电源线的5V为其供电。外部接口逻辑电压支持3.3V和5V两种。也就是说，无论是使用micro:bit或普通Arduino开源板作为主机， 都可以控制这个环形RGB彩灯模块产生绚丽多彩的光效。

Caution

  • 市面上绝大多数RGB彩灯串或相似的环形彩灯，工作电压大多仅支持5V，无法与3.3V系统主控制器连接。或者仅支持3.3V供电电压，不能与5V系统连接。

环形RGB彩灯模块(x11颗WS2812B)内部的等效电路如下图。

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可以看出，这个环形彩灯模块内部带有3.3V和5V系统逻辑电平转换电路单元，得益于此才能兼容两种逻辑接口。此外，内部的Boost(升压) DC-DC单元能够将3~5V电源输入转换为稳定的5V电源输出为11颗灯珠供电。由于WS2812B灯珠采用单线自同步串行接口，这让我们很容将数百 甚至上千颗WS2812B灯珠串联起来，而且每一颗灯珠都是可以单独寻址的，也就说我们可以单独控制灯串上的某一颗灯珠的颜色，本模块虽然 只有11颗灯珠，但支持多个环形彩灯模块级联，只需要将第一个模块的SDout信号与第二个模块的SDin连接，第二个模块的SDout与第三个模块 的SDin连接，按这种规律连接电路，形成级联效果。级联使用本模块时，建议为每一个模块单独供电。

9.1. 环形RGB彩灯模块的技术参数

灯珠型号 WS2812B
灯珠规格 5x5mm(白面)
灯珠总数 11颗
刷新时间 小于1ms/次
颜色种类 2^24 (16777216种)
波长(R) 620~630 nm
波长(G) 515~530 nm
波长(B) 460~475 nm
电气接口 Grove
级联模式 支持级联
接口逻辑 3.3V/5V
供电电压 3～5V
供电电流 100%亮度时最大750mA
外型尺寸 外径45mm, 中孔直径29mm
重量 22g

Caution

  • 长时间直视高亮的光源会损伤视网膜，可能会造成短暂失明！使用彩灯模块时，调节为高亮度时需要谨慎，禁止裸眼直视高亮度状态的彩灯模块
  • 环形彩灯模块消耗的电源功率(或电流)大小取决于亮度，当亮度调节为100%时，单个环形彩灯模块的工作电流高达750mA；亮度为30%时，消耗的电流仅有60mA
  • 级联模式串接多个彩灯模块时，务必为每一个模块单独供电，5V或3.3V都是允许的。这是由于本模块内部带有有限功率的DC-DC单元，不支持为级联的模块供电
  • 环形彩灯模块属于大功率外设扩展模块，禁止热插拔操作。任何热插拔操作都有可能损坏与之连接的主控制器及其供电单元！务必做到：断电连线

9.2. 环形RGB彩灯模块的用法

环形RGB彩灯模块的电气接口采用4线(2mm间距)的Grove接口，4个引脚的名称和功能如下：

1 Gnd 电源地线
2 Vdd 电源正极
3 nc 未使用(建议悬空)
4 SDin 自同步的数据输入信号

遵照WS2812B的接口标准，SDin信号是一种特殊的脉宽调制(0逻辑和1逻辑的脉冲周期和占空比都不相同)信号，每一颗灯珠的32位颜色和亮度信息以 低位在前高位在后的顺序传送，多颗灯珠的颜色和亮度信息则按第1颗在前的顺序传送。这么一说，或许你会觉得这种彩灯的接口时序和协议很复杂。 实际上WS2812B及其相似元件的接口时序的确比较复杂，高速时序要求每传送一个二进制位只消耗数十ns(没错！纳秒)，对于大多数非实时计算机系统 来说，单依靠CPU不可能产生如此精准的高速时序。不必担心，用搜索引擎搜索“NeoPixel library”，你会发现很多热心人帮你把这个接口的库做好了。

9.3. Scrathc编程彩灯模块的积木块

Scratch积木块1: 调节彩灯模块整体亮度

9.4. Arduino编程彩灯模块的(C/C++)API

  1. 环形RGB彩灯模块的构造器
使用下面的构造器声明一个名称位“strip”的彩灯模块实体

参数1：指定灯珠个数(像素点数)，默认为11 参数2：指定与SDin连接的CPU的GPIO引脚编号 参数3(默认参数)：NeoGrbFeature，指定三基色的字节顺序，对于我们所用的WS2812B灯珠，默认选择”GRB”顺序：从高字节到最低字节顺序保存G、R、B颜色分量 参数4：Neo800KbpsMethod，指定SDin信号的波特率，这个由所用处理器的可编程I/O引脚特性决定。默认选择高速型

对于其他彩灯模块，我们所用的NeoPiexlBus接口库提供两种可选的构造器，

Note

关于RGB和GRB三基色字节顺序
  • 目前彩色LED生产厂家对于RGB三基色组成的24位数据的字节顺序存在着相互不兼容的现象，常见的顺序有两种：RGB和GRB。也就是说，你可能会遇到“红和绿颠倒”的现象
  • RGB三基色字节顺序，最低字节(D0~D7位)表示蓝色分量，中间字节(D8~D15位)表示绿色分量，最高字节(D16~D23位)表示红色分量
  • GRB三基色字节顺序，最低字节(D0~D7位)表示蓝色分量，中间字节(D8~D15位)表示红色分量，最高字节(D16~D23位)表示绿色分量
  • 如果灯珠带有白色(即灯珠亮度信息)，则使用最高字节(D24~D31位)表示白色分量(亮度)
  1. 启动RGB彩灯模块

当你开始使用彩灯模块时，这个语句必须放在Arduino的setup()函数中执行，为了复位彩灯模块，消除之前的所有数据，重新开始控制彩灯模块。

  1. 将数据刷新到RGB彩灯模块

在每一次更新灯珠的颜色或亮度信息之后，必须执行这个语句。执行该语句的目的是将颜色和亮度信息发送给每一个灯珠，并显示对应的颜色和亮度。 这个API非常重要，如果你的程序只是调用修改、更新灯珠的颜色或亮度信息，不使用这个API将数据传送给灯珠，你会发现自己的程序执行结果似乎不对。

  1. 设置彩灯模块的亮度(整体亮度)

参数1：指定亮度(0~255)

Note

  • 设定亮度之后，彩灯模块的亮度并不会立即改变，只有下次调用”strip.show()”这个方法时新设置的亮度才会生效
  • 如果某些灯珠内部并没有专用的白色灯芯来控制灯珠亮度，也没有第四字节(亮度)信息，如何调节灯珠亮度呢？聪明的计算机科学家们借助于发光器件的物理原理也能调节亮度，亮度调节效果类似于暗红色、亮红色的区别
  • WS22812B灯珠内部没有白色灯芯，即没有专用的亮度控制单元。对于WS2812B的亮度调节，实际上是对三基色分量的值进行适当地缩放达到亮度调节目的，因此，较小的亮度间隔，或许你感觉不到亮度变化
  1. 指定某个灯珠的颜色

参数1：灯珠/像素点的序号，从0开始 参数2：指定该灯珠的颜色，按照RGB或GRB三基色字节顺序的三基色分量值

Note

关于颜色的表示方法
  • RGB三基色表示法，这是人们最为熟悉的几何表示法，通常可以把这个表示法想象成一个3D色彩空间，RGB三基色分别作为三维坐标轴，色彩空间的每一个点都又一个颜色值与之对应。当然，这个色彩空间本质上认识离散的点组成
  • HSV表示法，这是专业设计人员最为喜欢的一种表示法。H表示颜色，或色调；S表示饱和度；V表示亮度。其中有两种特殊情况： 1) 亮度为0时为黑色，与色调和饱和度无关。这就相当于漆黑的夜晚，你无法判断朋友手中的彩纸到底是什么颜色； 2) 亮度为255时为白色，与色调和饱和度无关
  • HSB表示法，与HSV相似
  • CMYK表示法，
  1. 向左旋转

参数1：指定向左旋转的步数/像素点数

  1. 向左移位

参数1：指定向左移位的步数/像素点数

Note

  • 向左旋转，所有灯珠的颜色保持整体左转指定步数，整体上颜色不会改变
  • 向左移位，意味着最左边几颗(步数)灯珠的原始颜色被丢弃，被其右侧灯珠的原始颜色所覆盖，而右侧灯珠将熄灭
  • 下面的“向右旋转”和“向右移位”操作，除了方向不同，其余效果相同
  1. 向右旋转

参数1：指定向右旋转的步数/像素点数

  1. 向右移位

参数1：指定向右移位的步数/像素点数

9.5. 在Arduino环境使用环形RGB彩灯模块

我们希望使用环形RGB彩灯模块实现“旋转的彩虹”效果，如下视频所示

为了达成这一步，我们需要做一些准备工作。 如果你已经安装 `Arduino IDE 1.8x`_，现在首先需要安装 BlueBox4(蓝盒4) 的BSP(板级支持包)。

复制下面的 BlueBox4(蓝盒4) 的BSP链接： https://www.ezaoyun.com:8888/hardware/bluebox4/package_bluebox4_index.json

并根据下图提示的过程维护BSP URL

../_images/Install_BB4_BSP_1.jpeg

然后启动Arduino的“开发板管理器”，步骤如下图所示。

../_images/Install_BB4_BSP_2.jpeg

在弹出的”Arduino开发板管理器”窗口的搜索栏输入“BlueBox”，然后选择安装BlueBox4。

../_images/Install_BB4_BSP_3.jpeg

接下来需要安装Adafruit NeoPixelBus库，请安装下图所示的步骤完成安装。

../_images/Circular11xRGBModule_3.jpg

当你为Arduino IDE环境安装好 BlueBox4(蓝盒4) 的BSP和Adafruit NeoPixelBus库之后，即可实现下面的示例。

示例1:

首先，将环形RGB彩灯模块连接在 BlueBox4(蓝盒4) 的(P4和P5)插座，并用USB数据线与你的电脑连接好。 然后，复制上面的示例代码，点击“编译并下载”按钮，即可看到该示例的效果：旋转的彩虹。