帶LED的畢業(yè)帽開源設計

描述

抽象的：

作為一名即將畢業(yè)的電氣工程師，我想為畢業(yè)做一些特別的事情。開派對或做一些有趣的事情通常不是我的首選，所以我決定開始一個項目。這不僅僅是任何項目。這將是一個帶 LED 的畢業(yè)帽！

現在，這個前提有點蹩腳。任何人都可以在畢業(yè)帽上添加 LED 以顯示漂亮的顏色或圖案。考慮到這一點，我決定帽子需要是一個能夠顯示圖像和文本的 LED 矩陣。雖然這已經是一個很酷的項目，但需要在項目中添加另一層。一些混亂和辛辣的東西。所以，就像互聯網上的其他人一樣，我轉向社交媒體尋求想法，你瞧，我有完美的混亂元素要添加！

然后決定人們應該能夠在我的畢業(yè)帽上播放信息。這些消息可以很容易地從一些社交媒體網站上抓取，并且帽子會自動檢索、格式化，然后在畢業(yè)典禮期間實時顯示這些消息。最后，人們可以說出他們在畢業(yè)時的真實感受，并將其顯示在一個小小的畢業(yè)帽上，讓少數人看到。

要求：

對該項目的要求相當簡單。我希望帽子完全獨立工作，不受我的監(jiān)督。這意味著帽子必須檢索和顯示消息，而無需我檢查社交媒體或擔心帽子的內容。

為了使其易于使用，我希望系統(tǒng)能夠使用我褲子口袋中的 5 伏電池組。使用 28500mAh 電池組為設備供電，我不太關心電源效率，但我想將系統(tǒng)設計為不浪費電力，以便系統(tǒng)無需充電即可運行整整 8 小時。

最后，我不想在這方面花太多錢，因為我是一個貧窮的大學生，有一張花哨/昂貴的紙，還買不起好東西。這意味著我不能使用花哨的 LED 矩陣解決方案，而是選擇將整個項目保持在 50 美元以下。

設計：

對于那些從未見過的人來說，畢業(yè)帽是一個黑色方形頭飾，尺寸為 9.5 英寸 X 9.5 英寸。我為畢業(yè)買的帽子用一塊紙板形成方形底座，一塊黑布覆蓋并固定在紙板方形上。然后將另一塊布材料固定在紙板底座上，這次是在帽子下面，這樣帽子就可以貼合并留在頭上。

畢業(yè)帽庫存圖片（作者：Balfour）

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通常，這些頭飾上飾有油漆或可以固定在帽子上的東西。在我的情況下，我需要將蓋子剝離到底座紙板上，添加 LED，然后更換頂部的黑布并重新組裝蓋子。為了使整個過程更容易，可尋址 LED 燈條將用于創(chuàng)建 LED 矩陣和微控制器，在帽的中心下方，將連接以控制帽的功能。

機械設計：

在購買了 16 英尺的 WS2812B LED 燈條后，我將燈條切割成每條 14 個 LED 的長度。這個長度是通過嘗試將盡可能多的 LED 排成一排來決定的，同時在兩側留出空間用于布線。

兩條切割成適當長度的 LED 燈條

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切割 14 條 LED 燈條后，我標記了燈罩，以指示燈罩兩側每個 LED 燈條的中心點。這使所有 LED 燈條彼此平行，提供了美觀且均勻的顯示效果。

貼上所有 14 個 LED 燈條后蓋上紙板

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現在開始將所有 LED 連接焊接在一起。為了使焊接更容易，我連接了 LED 燈條，使接線在燈條之間曲折，這意味著我必須在編程中每隔一行反轉一次，但這降低了電線電阻并使焊接變得輕而易舉。

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1 / 2 ?數據方向和 LED 燈條接線

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此時，我使用產品隨附的 LED 燈控制器測試了生成的矩陣。連接好所有東西后，我運行了一個基本例程，在 LED 燈串上顯示不同的顏色。該測試成功運行，點亮了我固定在紙板上的每個 LED 段。

重新連接黑布前的 LED 矩陣工作

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現在一切正常，是時候看看重新裝上黑布后帽子會是什么樣子了。在這一點上，我擔心 LED 不能很好地透過黑色織物發(fā)光。在將織物放置到位的帽子上運行相同的測試程序后，這種擔心被證明是沒有根據的。如果有的話，LED 太亮了，并且在全亮度下消耗大約 2.5 安培，開始變熱，我擔心它會開始融化一些東西。

黑布重新貼在帽蓋上后的LED矩陣

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隨著項目的所有機械部件工作正常，我用膠帶和熱膠重新連接了布套，然后開始研究控制電子設備。

電氣設計：

為了控制 WS2812B LED 燈條，使用 5V 數據線通過單線控制接口傳輸數據。LED 燈條需要 5V 和 GND 連接，使用的電線/電路可以處理最大 3 安培的電流（最好是越過然后越過）。這些條帶的電源直接來自用于為項目供電的 5V 電池組。

ESP32 被選為這個項目的主要微控制器，因為我想要一個可以輕松連接到 Internet 網絡的設備。由于 ESP 內置了 Wi-Fi 收發(fā)器，因此它是用于該項目的理想芯片。ESP 使用 3.3V 電源并輸出 3.3V 邏輯電平，因此我需要確保 LED 可以使用 3.3V 邏輯。數據表顯示邏輯高閾值為 3.5V，但經過測試，證明這些 LED 可以與 3.3V 邏輯一起使用。理想情況下，應該使用電平轉換器將 3.3V 邏輯轉換為 5V，但這是不必要的，因為這是一個不需要 100% 可靠的 DIY 愛好項目（盡管我仍然嘗試滿足該可靠性指標）。

這導致了如下所示的電路。AMS1117-3.3V 芯片用于創(chuàng)建一個干凈（盡管效率低下）的 3.3V 電源，并且各種引腳連接到公水平連接器。

控制畢業(yè)帽 LED 矩陣的電路

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為了把所有東西都裝進一個小而薄的包裝中，我將組件布置在一個 1.5 英寸 x 2 英寸的電路板上。使用了粗跡線和通孔，因此我可以輕松地在我的 CNC 機器上制造電路板，并注意確保所有跡線都能處理所需的最大電流值。

（右）沒有銅填充區(qū)域的 PCB，（左）具有頂部和底部銅填充的 PCB

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然后必須組裝和焊接電路板。由于第一次電路板迭代中的錯誤，圖中的 PCB 與上圖所示的成品 PCB 不匹配。成品板和蓋子如下所示：

帶有 FTDI 芯片和刻度帽線連接的成品刻度帽 PCB

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物料清單：

該項目中使用的所有部件都包含在以下 BOM 中。總體而言，該項目的成本為 30.70 美元，不包括 5V 電池電源或畢業(yè)帽。

PCB的完整零件清單

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編程：

對 ESP32 進行編程允許在該項目中使用多種編程語言。為了簡化字符串數據的處理，我選擇了 Micropython 固件語言來完成我的所有開發(fā)工作。雖然 C 和 Lua 可以更有效地處理內存和程序操作，但軟件效率并不是最重要的。相反，我想確保連接到互聯網很簡單，并且我想在不使用 SD 卡接口的情況下將數據記錄到設備上。Micropython 請求庫允許輕松的 HTTPS 連接，python 具有動態(tài)內存分配的優(yōu)勢，允許 HTTPS 請求具有不同的有效負載大小，而不會過度分配 RAM。最后，Micropython 文件系統(tǒng)允許直接在閃存中創(chuàng)建和修改文件，

第一個挑戰(zhàn)是用自定義圖像點亮 LED 矩陣。為此，我修改了在 Internet 上找到的 WS2812B Micropython 模塊，并添加了一個“ display_sprite() ”函數來生成一個 196 索引數組，該數組將傳遞給 WS2812B 模塊。這具有顯示填充了顏色值的 14x14 數組中的圖像的結果。因為我在 LED 燈條中使用了鋸齒形布線模式，所以我必須每隔一行反轉一次才能準確顯示圖像。如果沒有這種反轉，精靈本身將需要每隔一行反轉，這使得格式化/精靈創(chuàng)建更加困難，因此只要程序為 WS2812B 模塊生成數組，就會處理反轉。下圖中可以看到其中一個精靈：

顯示到 LED 矩陣的精靈之一

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第二個挑戰(zhàn)是在 LED 矩陣上創(chuàng)建滾動文本。我在 WS2812B 模塊中或通過 Internet 上的模塊無法找到任何功能來顯示文本，因此我不得不創(chuàng)建自己的功能。這涉及創(chuàng)建我自己的 6x3 和 7x4 像素字體模塊（使用我在網上找到的像素字體，我沒那么有創(chuàng)意）以及將像素向左移動一位的緩沖協議，從而創(chuàng)建滾動文本效果。矩陣被分成 7x14 像素的部分，因此滾動文本可以從下半部分開始，并在滾動到屏幕外之前繼續(xù)滾動到上半部分。為了正確開發(fā)此功能，我在一個數組中創(chuàng)建了 14 個二進制數，并使用位移和一些 if-else 邏輯來有效地在顯示器上滾動文本。

顯示字符串“Hello”的上限

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該項目的最大挑戰(zhàn)是將微控制器連接到社交媒體。我沒有讓任何人通過 Twitter 或 Facebook 等平臺發(fā)布消息，而是決定使用我大學內大多數本科電氣工程師用來相互交流的 Discord 頻道。這樣做的好處是限制了人們發(fā)布信息的能力，防止隨機噴子到處投擲炸彈，同時還允許那些將在開始時參與的人。

為了讓這個功能發(fā)揮作用，我必須創(chuàng)建一個 Discord 機器人，它可以訪問 Discord API 以從 Discord 組的“General”頻道獲取消息。該機器人能夠通過分配給機器人的特殊令牌訪問 API，該令牌用于授權機器人具有正確的憑據。向 Discord API 發(fā)出 HTTPS GET 請求，使用授權令牌作為標頭字段，并發(fā)回消息的 JSON 響應。然后程序遍歷所有接收到的消息，尋找與機器人的 Discord ID 對應的整數代碼。如果在消息中找到 ID，表明提到了機器人（“@GradCapBot”），則消息將保存到局部變量中，程序將完成對所有消息的檢查。

現在程序有一些消息要顯示，程序格式化它將顯示的文本，然后以新文本作為參數調用“ display_7x4_text()” 。程序繼續(xù)顯示所有消息，直到顯示所有消息。此過程循環(huán)運行，因此程序始終在尋找要顯示的新消息。如果沒有要顯示的新消息，我不希望帽子閑置而沒有顯示任何內容。因此，如果沒有要顯示的新消息，程序會顯示編程到閃存中的 10 個圖像之一。然后每個圖像顯示 5 秒鐘，然后程序再次檢查新消息。

創(chuàng)建了一個基本的文本過濾器來過濾掉 75 個“壞詞”，盡管這個列表不是很全面。過濾掉明顯的臟話和誹謗就足夠了，所以我不會表現出完全令人反感的東西。雖然這個過濾器可能很容易繞過，但我還包括一個將消息詳細信息保存到閃存中的功能，這樣我就可以查看顯示的消息文本以及發(fā)送消息的人。

手術：

當 ESP32 連接到串口監(jiān)視器時，可以通過 REPL 提示符控制程序。使用“串行 USB 終端”Android 應用程序，我的手機可以充當串行監(jiān)視器，直接與 ESP32 接口，只需按一下按鈕即可運行一些預編程的功能。此方法還允許我顯示非格式化文本或顯示特定精靈。

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