描述

我想創(chuàng)建一個基于 Arduino 的機械彩色 Nipkow 顯示器，無需復雜的機械加工即可制作。所以我決定設(shè)計和 3D 打印所有必要的組件——包括 Nipkow 磁盤本身。

對于擁有 3d 打印機并且對更具挑戰(zhàn)性的 Arduino 項目感興趣的每個人來說，它都可以輕松重現(xiàn)。下面的項目描述提供了如何構(gòu)建的分步說明。

此項目中包含的磁盤可生成 32x32 像素圖像，顏色深度為 18 位/像素 (RGB666)。它可以達到 25-30fps 的最大幀速率，足以獲得穩(wěn)定且無閃爍的圖像。相對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快速的三重 DAC LED 驅(qū)動器，用于控制每個 R、G、B 通道。它比標準的 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，因為它有很多 IO 端口，而且它的內(nèi)存更大（視頻雙緩沖區(qū)）。tripe DAC LED 驅(qū)動器的電子設(shè)備可能需要在面包板上花費更多精力，因此我決定設(shè)計自己的 PCB，該 PCB 非常適合這個項目。磁盤電機不受 Arduino 控制，而是 Arduino 將通過 IR 傳感器單元每次旋轉(zhuǎn)測量速度并重新調(diào)整像素讀數(shù)的計時器。其他組件包括 MicroSD 讀卡器和幾個按鈕。

方框圖

說明 - 如何構(gòu)建：

1. 打印所有部分（通過鏈接下載STL 文件...）

a) Nipkow 圓盤 32 孔（需要 >20x20 厘米的床）

b) 電機支架（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 磁盤需要具有 >20x20cm 打印床的打印機

2. 組裝所有印刷零件（見圖片和視頻說明）

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) 將直流電機插入支架（前部使用 2 個 M4 螺釘固定）并使用 4 個 M4x16 安裝在底板上添加法蘭以將 Nipkow 盤安裝在電機軸上（軸上的 2 個 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 插入插座并滑動反射器以將 LED 固定到位。插入一小塊（非常）薄的紙作為擴散器，最后用 M2 螺絲安裝蓋板

d) 將紅外傳感器支架安裝在電機軸下方

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

f) 在將圓盤安裝到軸上之前，在 Nipkow 圓盤上為 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），請參見下面的一個 DAC（需要 3 個）的示意圖

DAC + 輸出驅(qū)動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 DAC 輸出連接到 RGB LED

5. 軟件

a) 準備 Aduino IDE：將目標設(shè)置為 Arduino Mega

b) 通過 Arduino 庫管理器安裝“SDfat.h”（快速 SD 卡讀取訪問所需）

c) 獲取我的 Arduino 源代碼（見下文），它包含 2 個文件（主代碼和測試圖片）

d) 編譯并上傳到 Arduino 板

e) 轉(zhuǎn)換您自己的圖片或動畫

詳細說明 ：

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

對于打印版本，磁盤直徑取決于您可用的打印機。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。使用這種磁盤尺寸，孔（=線）的數(shù)量在某種程度上受到限制，因為更多的孔會導致更小的像素尺寸和更不準確的孔形狀。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，所以我決定堅持使用 32 孔的版本作為一個很好的折衷方案。

為了輕松構(gòu)建多個磁盤，我在 PC 上創(chuàng)建了一個程序，該程序允許在阿基米德螺線（由極坐標方程 r = θa 定義的曲線）上創(chuàng)建多個孔并將此幾何圖形輸出為 SVG 文件，可以通過以墨水空間為例。然后我更改了參數(shù)，直到磁盤設(shè)計符合預期，最后將 SVG 文件導入任何 CAD 程序（例如 Tinkercad）并擠壓成 3D 對象。注意：這個工具僅供我自己使用，它更像是一個“hack”，并且沒有正確開發(fā)。所以我不會讓它可用。

電機我使用常見的 12V DC 電機類型“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，它最大僅消耗 0.5A-1A 并且非常安靜。磁盤旋轉(zhuǎn)將由紅外脈沖傳感器在每次旋轉(zhuǎn)時測量，因此我們不需要主動控制它。使用任何現(xiàn)成的 12V PWM 調(diào)節(jié)器模塊來控制電機。使用合適的外徑 32mm、內(nèi)徑 8mm 的法蘭連接電機軸上的圓盤。

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 個單獨的 LED。它們中的大多數(shù)將充當一個白色 LED（涂層），但也有提供 3x 紅色、3x 綠色、3x 藍色燈串的變體。我正在使用的 LED（在亞馬遜上找到）使用大約。每個 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。為了實現(xiàn)足夠快的 DAC 轉(zhuǎn)換，我選擇了一個“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（因此我為這個項目選擇了 Arduino Mega，它有許多數(shù)字IO！）。在 R2R 梯形圖之后，使用同相運算放大器級來維持敏感的輸入信號電壓，并確保運算放大器的輸出不受負載變化的影響。最后，一個 n 溝道 FET (IRLZ34N) 將驅(qū)動相關(guān)的 LED 輸出通道。這個 FET 的導通電阻低，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)整每個通道的不同偏移和增益（亮度）。使用提供的測試圖片。

電路本身并不難，但因為你需要它 3 次，在面包板或原型 PCB 上組裝它可能有點不愉快。因此，對于我的最終版本，我決定在一個簡單的 PCB 上放置 2 個 DAC，并使用當?shù)氐?PCB 制造商來制造 PCB。通常您需要訂購 3-5 個 PCB，因此在我的情況下，我將其中兩個堆疊在一起。

我為 DAC 制作了自己的 PCB

為了避免在每個像素讀出時進行任何位移操作，我只是使用了 3 個完整的 8 位端口（A、C 和 L）作為 DAC 的輸出。即使這可能有點“浪費”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 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”來測量磁盤轉(zhuǎn)速。傳感器發(fā)射 IR 并檢測它是否接收到來自磁盤反射同步條的回波（您需要將其放在磁盤上！）。為了防止環(huán)境噪音，我在傳感器周圍創(chuàng)建了一個簡單的屏蔽。這樣，我們可以將靈敏度調(diào)到最小值，因為在反光條出現(xiàn)之前，它通常看起來很暗。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 卡可以方便地存儲二進制文件。Arduinos 的典型 SD 卡模塊提供了一個 SPI 接口來連接到 Arduino。該項目中 Arduino Mega 的引腳是：

PG0(41) -> CS

PB3(50) -> 味噌

PB2(51) -> 莫西

PB1(52) -> 時鐘

注意：啟用視頻模式后，軟件將循環(huán)使用它可以在根目錄中找到的所有文件。沒有檢查有效的格式或擴展名等！因此，請確保您只將包含以下轉(zhuǎn)換器工具制作的有效“二進制視頻數(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，我使用安裝在（可選）前面板上的 2 個按鈕和 1 個開關(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：我沒有為開關(guān)實現(xiàn)任何軟件去抖動，因此您需要并行使用 100nF 電容（參見框圖）。在我的情況下，這絕對沒問題。

軟件

用于調(diào)試的串行接口

Nipkow Media Converter PC Tool我創(chuàng)建了一個簡單的轉(zhuǎn)換器工具來轉(zhuǎn)換我在這個項目中包含的位圖，以方便使用。此工具僅適用于 Windows。它可以：- 將一個或多個位圖（24 位）轉(zhuǎn)換為頭文件（用于編譯）以直接顯示來自閃存的靜態(tài)圖片- 將多個位圖（24 位）作為動畫序列轉(zhuǎn)換為 SD 卡的更大二進制文件為“視頻"該工具只是一個 EXE 文件，您應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。還要確保位圖順時針旋轉(zhuǎn) 90°。

！注意：這個軟件工具只是為這個項目制作的，沒有經(jīng)過全面測試，可能并不完美。它是“按原樣”提供的，使用它來承擔我們的風險。對于我的項目，它確實運行良好。

媒體轉(zhuǎn)換器工具

靜態(tài)位圖轉(zhuǎn)換說明：

a) 啟動后，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或多個進行轉(zhuǎn)換。

b) 選擇輸出類型：靜態(tài)位圖的“頭文件” 將此項目的“輸出顏色”選項設(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)換過程將開始并在框中報告狀態(tài)消息

d) 它始終使用第一個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目中

f) 將頭文件復制到您的 Arduino 項目文件夾并重新編譯（注意：如果您包含的文件過多，超出了可用閃存大小，則會出現(xiàn)編譯器錯誤）

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;”

動畫說明（視頻轉(zhuǎn)換） ：

注意：需要附加工具“virtualdub”來從視頻文件中生成一系列位圖。

a) 下載并打開“virtualdub”

b) 打開一個視頻文件

c) 在“video->filters”中添加 2 個條目：“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！）

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

f）確保您將輸出格式設(shè)置為“二進制”，然后開始轉(zhuǎn)換（需要一些時間......）

g) 將 created.bin 文件復制到 micro-SD 卡的根目錄

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