描述

我想創(chuàng)建一個(gè)基于 Arduino 的機(jī)械彩色 Nipkow 顯示器，無(wú)需復(fù)雜的機(jī)械加工即可制作。所以我決定設(shè)計(jì)和 3D 打印所有必要的組件——包括 Nipkow 磁盤(pán)本身。

對(duì)于擁有 3d 打印機(jī)并且對(duì)更具挑戰(zhàn)性的 Arduino 項(xiàng)目感興趣的每個(gè)人來(lái)說(shuō)，它都可以輕松重現(xiàn)。下面的項(xiàng)目描述提供了如何構(gòu)建的分步說(shuō)明。

此項(xiàng)目中包含的磁盤(pán)可生成 32x32 像素圖像，顏色深度為 18 位/像素 (RGB666)。它可以達(dá)到 25-30fps 的最大幀速率，足以獲得穩(wěn)定且無(wú)閃爍的圖像。相對(duì)較高的色深和幀率提高了圖像質(zhì)量。

框圖

大多數(shù)組件都很容易制造或從 Arduino 或 Amazon 獲得，唯一的特殊部分是一個(gè)快速的三重 DAC LED 驅(qū)動(dòng)器，用于控制每個(gè) R、G、B 通道。它比標(biāo)準(zhǔn)的 Arduino Uno 需要更多的端口和內(nèi)存。這就是我選擇 Arduino Mega 的原因——它很方便，因?yàn)樗泻芏?IO 端口，而且它的內(nèi)存更大（視頻雙緩沖區(qū)）。tripe DAC LED 驅(qū)動(dòng)器的電子設(shè)備可能需要在面包板上花費(fèi)更多精力，因此我決定設(shè)計(jì)自己的 PCB，該 PCB 非常適合這個(gè)項(xiàng)目。磁盤(pán)電機(jī)不受 Arduino 控制，而是 Arduino 將通過(guò) IR 傳感器單元每次旋轉(zhuǎn)測(cè)量速度并重新調(diào)整像素讀數(shù)的計(jì)時(shí)器。其他組件包括 MicroSD 讀卡器和幾個(gè)按鈕。

方框圖

說(shuō)明 - 如何構(gòu)建：

1. 打印所有部分（通過(guò)鏈接下載STL 文件...）

a) Nipkow 圓盤(pán) 32 孔（需要 >20x20 厘米的床）

b) 電機(jī)支架（前后部分）

c) LED 單元（支架、LED 插座、反射器和蓋子）

d) IR 傳感器（支架和蓋板）

e) 框架部件（左右側(cè)部件和頂部安裝底座）

f) 可選：前面板（面板、2x 支架、SD 卡座）

1 / 2 ? Nipkow 磁盤(pán)需要具有 >20x20cm 打印床的打印機(jī)

2. 組裝所有印刷零件（見(jiàn)圖片和視頻說(shuō)明）

a) 使用 4x M4x30 將框架部件擰在一起并安裝在合適的（木制）接地板上

b) 將直流電機(jī)插入支架（前部使用 2 個(gè) M4 螺釘固定）并使用 4 個(gè) M4x16 安裝在底板上添加法蘭以將 Nipkow 盤(pán)安裝在電機(jī)軸上（軸上的 2 個(gè) M3 和 M6 螺母）

c) 使用 M3x12 將 LED 插座組裝到 LED 支架上，使用 2x M3x20 安裝在底座上。然后在反射器內(nèi)添加反射箔，將 RGB LED 插入插座并滑動(dòng)反射器以將 LED 固定到位。插入一小塊（非常）薄的紙作為擴(kuò)散器，最后用 M2 螺絲安裝蓋板

d) 將紅外傳感器支架安裝在電機(jī)軸下方

e)可選：用 2 個(gè)支架和 SD 卡成型機(jī)組裝前面板并固定在接地板上（看起來(lái)更干凈一些）

f) 在將圓盤(pán)安裝到軸上之前，在 Nipkow 圓盤(pán)上為 IR 傳感器添加反射墊（距起始位置 90°）

1 / 18 ?框架部件

3. 構(gòu)建tripe DAC電子：

要么使用寬板（參見(jiàn)上面的框圖），要么在原型條板上構(gòu)建，或者構(gòu)建 3x 6 位 DAC 的 PCB（這就是我所做的），請(qǐng)參見(jiàn)下面的一個(gè) DAC（需要 3 個(gè)）的示意圖

DAC + 輸出驅(qū)動(dòng)器電路之一的原理圖

4. Arduino Mega 端口連接

a) 連接 SD 卡 (PG0->CS, PB3->MISO, PB2-> MOSI, PB1->CLK)

b) 連接紅外傳感器 (Dout->PE4)

c) 將 R、G、B 端口連接到 DAC（端口 A、C 和 L）

d) 將 3 個(gè) DAC 輸出連接到 RGB LED

5. 軟件

a) 準(zhǔn)備 Aduino IDE：將目標(biāo)設(shè)置為 Arduino Mega

b) 通過(guò) Arduino 庫(kù)管理器安裝“SDfat.h”（快速 SD 卡讀取訪問(wèn)所需）

c) 獲取我的 Arduino 源代碼（見(jiàn)下文），它包含 2 個(gè)文件（主代碼和測(cè)試圖片）

d) 編譯并上傳到 Arduino 板

e) 轉(zhuǎn)換您自己的圖片或動(dòng)畫(huà)

詳細(xì)說(shuō)明 ：

Nipkow 磁盤(pán)Nipkow 磁盤(pán)用于早期的電視系統(tǒng)，可以機(jī)械掃描或創(chuàng)建圖像。該磁盤(pán)包含螺旋上的幾個(gè)孔，在我的情況下將形成 32 行。在任何給定的時(shí)刻，只有一個(gè)孔通過(guò) LED，這會(huì)改變它的亮度和顏色，從而在線條上創(chuàng)建單獨(dú)的像素。

對(duì)于打印版本，磁盤(pán)直徑取決于您可用的打印機(jī)。我使用了 Prusa iMk3S+，它給了我大約 21x25cm 的水平打印空間，所以我決定使用直徑為 20cm 的磁盤(pán)。使用這種磁盤(pán)尺寸，孔（=線）的數(shù)量在某種程度上受到限制，因?yàn)楦嗟目讜?huì)導(dǎo)致更小的像素尺寸和更不準(zhǔn)確的孔形狀。我嘗試了最多 48 孔的版本，但結(jié)果不是很好，而且 Aruduino 的內(nèi)存（幀緩沖區(qū)）太有限，所以我決定堅(jiān)持使用 32 孔的版本作為一個(gè)很好的折衷方案。

為了輕松構(gòu)建多個(gè)磁盤(pán)，我在 PC 上創(chuàng)建了一個(gè)程序，該程序允許在阿基米德螺線（由極坐標(biāo)方程 r = θa 定義的曲線）上創(chuàng)建多個(gè)孔并將此幾何圖形輸出為 SVG 文件，可以通過(guò)以墨水空間為例。然后我更改了參數(shù)，直到磁盤(pán)設(shè)計(jì)符合預(yù)期，最后將 SVG 文件導(dǎo)入任何 CAD 程序（例如 Tinkercad）并擠壓成 3D 對(duì)象。注意：這個(gè)工具僅供我自己使用，它更像是一個(gè)“hack”，并且沒(méi)有正確開(kāi)發(fā)。所以我不會(huì)讓它可用。

電機(jī)我使用常見(jiàn)的 12V DC 電機(jī)類型“XD3420”，您可以輕松找到（例如在亞馬遜上）。在低于其最大規(guī)格使用時(shí)，它最大僅消耗 0.5A-1A 并且非常安靜。磁盤(pán)旋轉(zhuǎn)將由紅外脈沖傳感器在每次旋轉(zhuǎn)時(shí)測(cè)量，因此我們不需要主動(dòng)控制它。使用任何現(xiàn)成的 12V PWM 調(diào)節(jié)器模塊來(lái)控制電機(jī)。使用合適的外徑 32mm、內(nèi)徑 8mm 的法蘭連接電機(jī)軸上的圓盤(pán)。

RGB LED您可以找到各種高功率 LED“芯片”型產(chǎn)品，其中大多數(shù)是在金屬外殼上粘合 9 個(gè)單獨(dú)的 LED。它們中的大多數(shù)將充當(dāng)一個(gè)白色 LED（涂層），但也有提供 3x 紅色、3x 綠色、3x 藍(lán)色燈串的變體。我正在使用的 LED（在亞馬遜上找到）使用大約。每個(gè) LED 燈串 6-10V，消耗約 6-10V。最大 350 毫安

RGB 電源 LED

3 通道 DAC LED驅(qū)動(dòng)器更多的努力是為 3x（R、G 和 B）通道 DAC 創(chuàng)建電子設(shè)備。為了實(shí)現(xiàn)足夠快的 DAC 轉(zhuǎn)換，我選擇了一個(gè)“6-bit R2R-ladder DAC”，它與 IO 切換的速度一樣快，但需要許多并行輸出端口（因此我為這個(gè)項(xiàng)目選擇了 Arduino Mega，它有許多數(shù)字IO?。?。在 R2R 梯形圖之后，使用同相運(yùn)算放大器級(jí)來(lái)維持敏感的輸入信號(hào)電壓，并確保運(yùn)算放大器的輸出不受負(fù)載變化的影響。最后，一個(gè) n 溝道 FET (IRLZ34N) 將驅(qū)動(dòng)相關(guān)的 LED 輸出通道。這個(gè) FET 的導(dǎo)通電阻低，散發(fā)的熱量也少，所以我們不需要散熱器。使用電位器，可以調(diào)整每個(gè)通道的不同偏移和增益（亮度）。使用提供的測(cè)試圖片。

電路本身并不難，但因?yàn)槟阈枰?3 次，在面包板或原型 PCB 上組裝它可能有點(diǎn)不愉快。因此，對(duì)于我的最終版本，我決定在一個(gè)簡(jiǎn)單的 PCB 上放置 2 個(gè) DAC，并使用當(dāng)?shù)氐?PCB 制造商來(lái)制造 PCB。通常您需要訂購(gòu) 3-5 個(gè) PCB，因此在我的情況下，我將其中兩個(gè)堆疊在一起。

我為 DAC 制作了自己的 PCB

為了避免在每個(gè)像素讀出時(shí)進(jìn)行任何位移操作，我只是使用了 3 個(gè)完整的 8 位端口（A、C 和 L）作為 DAC 的輸出。即使這可能有點(diǎn)“浪費(fèi)”引腳，Arduino Mega 有足夠多的可用 IO，它使軟件非常干凈。

這是從 Arduino Mega 到 3 個(gè) DAC 通道的連接：

端口（引腳）-> DAC 通道

A2(24) -> R0 C2(35) -> G0 L2(47) -> B0

A3(25) -> R1 C3(34) -> G1 L3(46) -> B1

A4(26) -> R2 C4(33) -> G2 L4(45) -> B2

A5(27) -> R3 C5(32) -> G3 L5(44) -> B3

A6(28) -> R4 C6(31) -> G4 L6(43) -> B4

A7(29) -> R5 C7(30) -> G5 L7(42) -> B5

其他電子零件

- IR 傳感器：我使用 IR 傳感器“TCRT5000”來(lái)測(cè)量磁盤(pán)轉(zhuǎn)速。傳感器發(fā)射 IR 并檢測(cè)它是否接收到來(lái)自磁盤(pán)反射同步條的回波（您需要將其放在磁盤(pán)上?。?。為了防止環(huán)境噪音，我在傳感器周圍創(chuàng)建了一個(gè)簡(jiǎn)單的屏蔽。這樣，我們可以將靈敏度調(diào)到最小值，因?yàn)樵诜垂鈼l出現(xiàn)之前，它通常看起來(lái)很暗。該模塊將使用 VCC 和 GND 和數(shù)字輸出連接到：

Dout -> PE4(2) / INT4

- SD 卡：要將連續(xù)圖片顯示為大文件中的“電影”，SD 卡可以方便地存儲(chǔ)二進(jìn)制文件。Arduinos 的典型 SD 卡模塊提供了一個(gè) SPI 接口來(lái)連接到 Arduino。該項(xiàng)目中 Arduino Mega 的引腳是：

PG0(41) -> CS

PB3(50) -> 味噌

PB2(51) -> 莫西

PB1(52) -> 時(shí)鐘

注意：?jiǎn)⒂靡曨l模式后，軟件將循環(huán)使用它可以在根目錄中找到的所有文件。沒(méi)有檢查有效的格式或擴(kuò)展名等！因此，請(qǐng)確保您只將包含以下轉(zhuǎn)換器工具制作的有效“二進(jìn)制視頻數(shù)據(jù)”的文件放在 SD 卡上。

- 按鈕：為了輕松控制輸入選擇和播放/停止/曲目跳過(guò)，我使用安裝在（可選）前面板上的 2 個(gè)按鈕和 1 個(gè)開(kāi)關(guān)：

模式選擇（圖片或視頻）-> PB7 (13)

播放/停止 -> PB6 (12)

下一首 -> PB5 (11)

注意：我沒(méi)有為開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)任何軟件去抖動(dòng)，因此您需要并行使用 100nF 電容（參見(jiàn)框圖）。在我的情況下，這絕對(duì)沒(méi)問(wèn)題。

軟件

用于調(diào)試的串行接口

Nipkow Media Converter PC Tool我創(chuàng)建了一個(gè)簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)換器工具來(lái)轉(zhuǎn)換我在這個(gè)項(xiàng)目中包含的位圖，以方便使用。此工具僅適用于 Windows。它可以：- 將一個(gè)或多個(gè)位圖（24 位）轉(zhuǎn)換為頭文件（用于編譯）以直接顯示來(lái)自閃存的靜態(tài)圖片- 將多個(gè)位圖（24 位）作為動(dòng)畫(huà)序列轉(zhuǎn)換為 SD 卡的更大二進(jìn)制文件為“視頻"該工具只是一個(gè) EXE 文件，您應(yīng)該將其放置在包含要轉(zhuǎn)換的位圖的目錄中。確保位圖為 32x32 像素大小、未壓縮并以 BMP 24 位/像素格式存儲(chǔ)。還要確保位圖順時(shí)針旋轉(zhuǎn) 90°。

！注意：這個(gè)軟件工具只是為這個(gè)項(xiàng)目制作的，沒(méi)有經(jīng)過(guò)全面測(cè)試，可能并不完美。它是“按原樣”提供的，使用它來(lái)承擔(dān)我們的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于我的項(xiàng)目，它確實(shí)運(yùn)行良好。

媒體轉(zhuǎn)換器工具

靜態(tài)位圖轉(zhuǎn)換說(shuō)明：

a) 啟動(dòng)后，該工具搜索它所在的目錄并列出它可以找到的所有位圖。在列表框中選擇一個(gè)或多個(gè)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

b) 選擇輸出類型：靜態(tài)位圖的“頭文件” 將此項(xiàng)目的“輸出顏色”選項(xiàng)設(shè)置為“顏色”。我還將它用于早期的單色原型。

c) 單擊轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換過(guò)程將開(kāi)始并在框中報(bào)告狀態(tài)消息

d) 它始終使用第一個(gè)文件名作為輸出名稱，例如：輸入文件 1：0Testpic3232.bmp -> 輸出文件：0Testpic3232.h您需要將其重命名為例如“bitmaps.h”，然后再將其包含在您的項(xiàng)目中

f) 將頭文件復(fù)制到您的 Arduino 項(xiàng)目文件夾并重新編譯（注意：如果您包含的文件過(guò)多，超出了可用閃存大小，則會(huì)出現(xiàn)編譯器錯(cuò)誤）

g) 確保您在 Arduino 源代碼中正確設(shè)置了包含文件的數(shù)量：“const byte numberpics = 4;”

動(dòng)畫(huà)說(shuō)明（視頻轉(zhuǎn)換） ：

注意：需要附加工具“virtualdub”來(lái)從視頻文件中生成一系列位圖。

a) 下載并打開(kāi)“virtualdub”

b) 打開(kāi)一個(gè)視頻文件

c) 在“video->filters”中添加 2 個(gè)條目：“resize 32x32”和“rotate 90° right” （根據(jù)需要隨意調(diào)整其他設(shè)置，例如合同、幀速率等...）

d) 轉(zhuǎn)到“文件導(dǎo)出圖像序列”并將輸出設(shè)置為“Windows BMP”（注意：根據(jù)您的視頻大小，這將創(chuàng)建很多圖像?。?/p>

e) 將 NipkowMediaConverter 放在輸出目錄中，啟動(dòng)它并選擇所有圖像（它們將具有前導(dǎo)數(shù)字，例如：000video.bmp、001video.bmp 等）

f）確保您將輸出格式設(shè)置為“二進(jìn)制”，然后開(kāi)始轉(zhuǎn)換（需要一些時(shí)間......）

g) 將 created.bin 文件復(fù)制到 micro-SD 卡的根目錄

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