STEM - проект "Веселка"

Гурток «Основи робототехніка на платформі Arduino».

 Тема STEM-заняття:

Навчальний проект: «Веселка»

 

Мета: Дослідити роботу RGB світлодіода та адитивне змішування кольорів, які може випромінювати RGB світлодіод. Закріпити навички роботи з цифровими портами, формуванням ШІМ; продовжити набуття навичок програмувати режими роботи Arduino.

    

 Постановка навчальної проблеми.

 

Слово керівника гуртка:

«Сьогодні ми спробуємо створити за допомогою RGB світлодіода, використовуючи  адитивне змішування кольорів, проект «Веселка».

 

Обладнання: плата Arduino (nano),  RGB Led – модуль (із спільним катодом) або EGB світлодіод із спільним катодом (анодом), breadboard (макетна плата), 3 дроти "male-male" («папа - папа»), ноутбук з програмним забезпеченням (програма Arduino IDE), Палітра кольорів в адитивній системі кольору RGB

 

Теоретичні відомості

Триколірний світлодіод (RGB Led) — це три світлодіоди різних кольорів (червоний, зелений, синій) в одному корпусі. Він може бути вмонтованим в друковану плату з резисторами (RGB Led  модуль), так і без резисторів.

Світлодіод має чотири виводи. 3 виводи – аноди (катоди)  і один спільний катод (анод). Тобто є RGB світлодіоди із спільним катом і спільним анодом..

	Червоний	Зелений	Синій
Максимальна пряма напруга (В)	1,9	3,8	3,8
Сила струму (мА)	20	20	20

 

В дому проекті, подачею сигналу (напруги) на один із анодів, можна отримати свічення одного з кольорів.

Використовуючи широтно-імпульсну модуляцію (ШІМ) для всіх анодів одночасно, можна отримати свічення одним з кольорів веселки.

Світлодіоди необхідно підключати з  послідовно з’єднаним резистором. Резистор на 220-300 Ом підійде для вмикання будь-якого анода світлодіода RGB до джерела живлення 5В.

 

Дана розробка заняття складається з двох проектів: – «RGB – світлодіод» та «Веселка».

 

Частина І: Проект «RGB - світлодіод»

 Для складання моделі проекту з  RGB світлодіодом (Led модулем) нам буде потрібно:

• плата Arduino
• RGB Led – модуль (із спільним катодом)
• Breadboard (макетна плата)
• 3 дроти "male-male" («папа - папа»)
• Ноутбук з програмним забезпеченням (програма Arduino IDE)

 

Хід виконання проекту

1. Підключити схему до комп’ютера через USB порт плати Arduino, попередньо виконати з’єднання RGB світлодіода у відповідність до схеми.

2. Завантажити програму RGB1 до лабораторного макет, Дослідити роботу програми.

 

Для керування вмиканням одиночних кольорів RGB  світлодіода можна використати наступну програму (скетч) яку можна просто скопіювати в Arduino IDE:

 

 // оголошуємо змінні з номерами піна

int r = 9;

int g = 10;

int b = 11;

 

//процедура setup

void setup()

{

// оголошуємо використовувані порти

pinMode(r, OUTPUT);

pinMode(g, OUTPUT);

pinMode(b, OUTPUT);

}

 

 //процедура loop

void loop()

{

digitalWrite(r, HIGH); // включаємо червоний

delay(1000); //чекаємо 1000 мс

digitalWrite(r, LOW); // виключаємо червоний

digitalWrite(g, HIGH); // включаємо зелений

delay(1000); //Чекаємо 1000 мс

digitalWrite(g, LOW); // виключаємо зелений

digitalWrite(b, HIGH); // включаємо синій

delay(1000); //Чекаємо 1000 мс

digitalWrite(b, LOW); // виключаємо синій

delay(1000); //чекаємо 1000 мс

}

 

Частина ІІ: Проект «Веселка»

1. Створити проект зміни кольору RGB світлодіода кольорами веселки, внесенням зміни  до програми RGB1.

2. Реалізувати програму, у якій колір RGB світлодіода змінюється кольорами веселки.

 

Теоретичні відомості.

Отримати кольори веселки можна шляхом доповнення основних кольорів - червоного, зеленого і голубого кольорами від адитивного змішування цих кольорів.

Що таке адитивне змішування кольорів?

 

Адитивне змішування кольорів

Адитивний колір - це колір, отриманий змішуванням різних світлих тонів, з відтінками червоного, зеленого і синього кольорів — найбільш поширеними основними кольорами, що використовуються в адитивній колірній системі.

Поєднанням двох із трьох адитивних основних кольорів у рівних пропорціях утворює адитивний вторинний колір: блакитний, пурпуровий, жовтий.

 

Палітра кольорів в адитивній системі кольору RGB

 

 

У системі передачі кольору RGB палітра формується шляхом складання червоного, зеленого і синього кольорів.

 

 

Адитивну модель кольорів доповнює другорядна адитивна система яка називається  субтрактивна модель (CMYK).

 

CMYK — субтрактивна колірна модель

Cубтрактивна колірна модель CMYK (від англ. subtract — «віднімати»), яка заснована на відніманні із білого первинних кольорів: синьо-зелений колір віднімає з білого кольору червоний, жовтий віднімає синій, а пурпуровий - зелений. Літера К у назві моделі CMYK взята у слова Black, вона позначає ключовий колір - Key Color.

Субтрактивна система, яка використовує основні кольори, що є другорядною  адитивною системою, можна розглядати як альтернативний підхід відтворення широкого діапазону кольорів шляхом регулювання пропорційних кількостей червоного, зеленого і синього світла, які досягають очей.

 

 

 

Проект : Змішування кольорів RGB.

 

Процедуру змішування 3-х кольорів RGB-світлодіодів можна здійснити використавши широтно - імпульсну модуляцію (ШІМ) для трьох виводів світлодіодів (анодів або катодів).

Перед тим як виконати цей проект, розглянемо поняття про широтно-імпульсну модуляцію, яка дозволяє Arduino виводити аналогові дані на цифрові виводи, і застосуємо ці знання для створення довільного кольору світла з допомогою RGB-світлодіода.

Підключимо RGB-світлодіод до плати Arduino і змусимо переливатися його різнобарвними кольорами – кольорами веселки.

 

Широтно-імпульсна модуляція

 

Arduino не може на цифровий вивід видавати довільну напругу живлення. Видається або +5 В (HIGH), або 0 В (LOW). Але рівнем напруги керується багато споживачів: наприклад, яскравість світлодіода або швидкість обертання мотора. Для симуляції неповної напруги використовується ШІМ (широтно-імпульсна модуляція, або PWM) .ШІМ - це операція отримання змінного аналогового значення за допомогою цифрових сигналів. Цифровий сигнал на виході постійно перемикається між максимальним і мінімальним значеннями. Перемикання має частоту в тисячі герц. Око не помічає мерехтіння більше 50 Гц, тому нам здається, що світлодіод не мерехтить, а горить в неповну силу.

Arduino-функція analogWrite () видає ШІМ-сигнал на цифровий вивід Arduino. Після виклику () на виході буде генеруватися постійна прямокутна хвиля із заданою шириною імпульсу до наступного виклику analogWrite (), частота видається ШІМ-сигналу дорівнює 490 Гц.

На платах Arduino Nano і UNO ШІМ підтримують виводи 3, 5, 6, 9, 10 і 11, на платі Mega - виводи 2-13.

Дані виводи відмічені знаком тильди ~.

 

   Для отримання різних аналогових величин змінюється ширина імпульсу (див. Рис.1) .Arduino-функція analogWrite () видає ШІМ-сигнал на цифровий вивід Arduino. Після виклику () на виході буде генеруватися постійна прямокутна хвиля із заданою шириною імпульсу до наступного виклику analogWrite (), частота видається ШІМ-сигналу дорівнює 490 Гц. На платах Arduino Nano і UNO ШІМ підтримують виводи 3, 5, 6, 9, 10 і 11, на платі Mega - виводи 2-13.

 

Рис.1. Залежність значень ШІМ від ширини імпульсу

 

Проект  «Веселка».

В даному проекті ми використаємо RGB-світлодіод.

RGB розшифровується як абревіатура Red, Green, Blue. За допомогою цих кольорів можна отримати будь-який колір шляхом змішування. Світлодіод RGB відрізняється від звичайного тим, що містить 3 невеликих кристали R, G, B, які можуть синтезувати будь-який колір або відтінок. RGB-світлодіод має 4 виводи (див. МаМал.3).

 

Для виконання проекту використаємо наступні компоненти:

•      контролер Arduino UNO R3;
•      USB-кабель – 1
•      плата для прототипування;
•      RGB-світлодіод;
•      резистор 220 Ом;
•      провідники тато-тато.
•      ноутбук з програмним забезпеченням

                                                                                                      Мал.3

Підключимо RGB-світлодіоди до плати Arduino як показано на Мал.3

Тепер перейдемо до написання скетчу. Насправді веселка має безліч кольорів, а 7 кольорів були придумані тільки тому, що ці кольори найкраще сприймаються і визначаються оком і ми їх можемо назвати і згадати приказкою «Чапля осінь жде завзято, буде сани фарбувати».

 

Наш світлодіод повинен переливатися від червоного до фіолетового, проходячи через всі 7 основних кольорів. Послідовність кольорів веселки наступна:

червоний, оранжевий, жовтий, зелений, голубий, синій, фіолетовий.

Для написання програми веселки для Arduino IDE необхідно створити алгоритм.

Для створення алгоритму використаємо палітру кольорів в адитивній системі кольору RGB.

Алгоритм для обчислення будь-якого проміжного кольору веселки.

 

1. За початкову точку відліку приймаємо червоний колір (255, 0, 0) .
2.  Збільшуючи значення зеленої складової G, досягнемо значення оранжевого кольору (255, 125, 0), а потім і жовтого  (255, 255, 0) .
3.   Зменшивши значення червоної складової R до 0 отримаємо значення зеленого кольору (0, 255, 0) .
4.  Збільшуємо значення синьої складової B до значення 255 отримаємо блакитний колір (0, 255, 255) .
5.  Поступово зменшимо кількість зеленої складової G до 0  отримаємо синій колір (0, 0, 255) .
6.  Поступово збільшимо кількість червоної складової R до значення 255 отримаємо фіолетовий колір (125, 0, 255) .
7.  Після невеликої паузу переходимо до 1 кроку.

 

Взявши за основу програму RGB1 та користуючись вищевказаним Алгоритмом, напишемо програму нашого проекту «Веселка».

 

Програма проекту «Веселка».

 

const int redPin = 13;  // R підключаємо до піну 13

const int greenPin = 12;// G підключаємо до піну 12

const int bluePin = 11; // B підключаємо до піну 11

 

void setup() //процедура setup

{

  // піни на вивід

  pinMode(redPin, OUTPUT);

  pinMode(greenPin, OUTPUT);

  pinMode(bluePin, OUTPUT);

}   

 void loop() //процедура loop

{   

  // Кольори веселки (змішані кольори):

    

 color(255,0,0); // червоний

 delay(2000); // пауза на 2с

 color(255,125,0); // оранжевий

 delay(2000); // пауза на 2с

 color(255,255,0); // жовтий

 delay(2000);// пауза на 2с

 color(0,255,0); //зелений  

 color(0,255,255); //голубий

 delay(2000); //пауза на 2с

 color(0, 0, 255); //синій

 delay(2000); //пауза на 2с

 color(125,0,255); //фіолетовий

 delay(2000);// пауза на 2с

 color(255,255,255); //білий 

 delay(2000);// пауза на 2с

}

// функція виводу кольору

void color (unsigned char red,unsigned char green, unsigned char blue)

{   

 analogWrite(redPin, red);

 analogWrite(greenPin, green);  

 analogWrite(bluePin, blue);      

}

 

 

 

Контрольні питання для закріплення вивченого матеріалу.

 

1.                                                                                                                  Що являє собою RGB світлодіод?
2.                                                                                                                  Адитивний колір -  це?
3.                                                                                                                  При скважності імпульсів 125 на цифровому піні Arduino UNO з функцією широтно-імпульсної модуляції, яка середня напруга буде на цьому піні?
4.                                                                                                                  Скільки пінів з функцією широтно-імпульсної модуляції має Arduino UNO&
5. Яка відмінність субтрактивна колірної моделі CMYK від адитивної?