CUIの電源が給電するArduinoで構築されたLEDマトリックス

背景

COVID-19により自宅で多くの時間を過ごすことになった私は、家でのあり余る時間を使って山積みとなっていた電源と電子コンポーネントを確認し、それを使って何ができるかを考えてみました。私の最初のプロジェクトは、休暇で使った古いプログラム可能なLEDストリップを活用することでした。その結果が、RGB LEDライトの24 x 18マトリックス（合計432個のRGB LED）でした。このマトリックスは、さまざまな選択可能なルーチンでプログラムされた、合計144の制御可能なセクション（24 x 6）を持っています。

ボードの概要

このボードは、3 5m長のLEDストリップを持つベニヤ板一片から作られ、合計24個の小さめのストリップに切り出し、それぞれ18個のLEDを持っています。このLEDの色は、Arduino Unoによって、ポテンショメータと3つのボタンからのユーザー入力に基づいた3つのグループで（18個のLEDストリップあたり6グループ）制御されます。このボードはCUIのSDI65-12-U-P6、60W、12 V、5 AのAC-DC電源から電源供給を受け、2つの内部+/-5VレールはCUIのV7805～1000sによって電源供給を受けます。デマルチプレクサ回路は、データをLEDストリップにルーティングするために使用されます。ArduinoはLED電流を監視し、リレーを介してLEDへの電力供給を管理します。

外部電源

SDI65-12-U-P6外部電源は、ボードへの主電源として使用します。連続した12V、最大5Aを供給します。5A～7.5Aの間付近では、本電源は過電流保護がかかり、負荷電流が下がるまで一時的に中断されます。これが発生すると、Arduinoは、障害が検知および修正されるのに十分な長さに母線が保持されるまで電源が落とされ、リセットされます。電流を検知し、またOCPがコントローラーをリセットするのを防ぐために、LEDストリップは電流検知回路とArduinoによって制御されるリレーを通じて12Vの電源に接続されています。

各LEDの最大電流は18.5mAです。最大で8Aの電流を消費する432個のLEDを携えていることから、特定の条件下ではOCPが発動する可能性があります。ただし、この条件は赤色、緑、青のLEDがすべて同時に点灯した場合のみに当てはまります。赤と緑が最高輝度で点灯するのに必要なのはわずか2.7Aに過ぎません。テストの結果、私が計画した全てのプランを実行するのに必要なのは4.5Aだとわかりました。Arduinoは検出されたLED電流を監視し、電流が～4.6Aを超えるとリレーがオフになります。このことにより、その他の回路に5Wを残します。

Arduino Uno

Atmel ATmega328をベースとしたArduino Unoボードは、システムの制御に使用されます。LEDストリップ（あるいは、それを内部制御するWS2811）は、単線パルス幅ベースの通信であり、Arduino IDEに含まれているAdafruit NeoPixelライブラリによって処理されます。コミュニケーション、ディスプレイルーチン、ユーザーインターフェイス、リレー制御のすべてが、Arduinoボードによってプログラムされ、制御されます。

MUXボード

各小型ストリップには、Arduino Unoが制御するMUXボードによって単一の通信回線にデマルチプレクサされた単一のワイヤー通信回線が備わっています。マルチプレクサボードは、中央給電ポイントとしても機能します。SDI65-12-Uからの外部電力をMUXボードに直接差し込みます。電源から出力された12Vは、MUXボードからリレーボードと、デマルチプレクサ用に5Vに変換するV7805-1000スイッチングレギュレータの入力に分配されます。5VレールもArduinoに出力され、そのボードを通じてボタンと現在の検知ボードへと出力されます。

電流検知ボード

電流検出ボードは過電流保護（OCP）回路の一部です。LEDへの電流はこのボード上の電力抵抗を通って流れ、この抵抗の電圧（LED電流に比例する）は、オペアンプによって検出および増幅され、Arduinoに出力されます。このアンプのゲインは、最小ゲインが1、最大ゲインが11のポテンショメータによって制御されます。通常は5に設定します。それによって出力は入力信号の2.5A/Vになります（5Aで2V）。二次ポテンショメータによってしきい値が設定されるコンパレータが、OCPしきい値を超えたかどうかを検出します。これによりLEDインジケータを点灯させ、Arduinoにロジック信号を出力します。このボードは、MUXボードのV7805-1000 5Vレールによって電力供給されます。また、内部的にもオペアンプに対して、反転構成でV7805-1000を使用して-5Vのレールを作成します。

リレーボード

このリレーボードはシンプルなリレーとドライバーです。制御入力がハイになったら、リレーはLEDの電源を入れ、ローになるとLEDへの電力供給が停止されます。このボードは、MUXボードを介してSDI65-12-U-P6からの12Vで駆動します。

ボタンボード

ユーザは、電位差計を介してLEDの輝度を制御できます。ユーザーは3つのボタンを使って、さまざまなディスプレイルーチンとカラー設定を繰り返すことができます。このボードは、MUXボード上のV7805-1000から来る5Vによって電力供給されます。

結果

ボードをはんだ付けして組み立てたら、いくつかのディスプレイルーチンをプログラムする番です。このボタンを使用することで、ユーザーはさまざまなルーチンを繰り返したり、すべてのLEDのオンとオフを切り替えたり、単色を循環させたりすることができます。またポテンショメータによってLEDの輝度を調節することもできます。ただし、メモリーは限られていますので、このルーチンの数や複雑性には限界があります。

最初のルーチン（私がすべてのLEDストリップを追加し終える前）では、ポテンショメータを外部アナログ入力に置き換えました。マイクロフォンとレベル検出回路をこの入力に使い、マイクの音量によってLEDが制御されます。

もうひとつのルーチンは、エッジに当たると色が変わる、バウンシングスクエアーでした。

最後に、OCPの機能をテストするために、オールホワイト設定を追加しました。輝度が上がるとOCP回路が起動します。次のクリップでは、プログラムされたディスプレイルーチンを切り替えるボタンボードについても示します。

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