带LED的毕业帽开源设计

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资料介绍

描述

抽象的：

作为一名即将毕业的电气工程师，我想为毕业做一些特别的事情。开派对或做一些有趣的事情通常不是我的首选，所以我决定开始一个项目。这不仅仅是任何项目。这将是一个带 LED 的毕业帽！

现在，这个前提有点蹩脚。任何人都可以在毕业帽上添加 LED 以显示漂亮的颜色或图案。考虑到这一点，我决定帽子需要是一个能够显示图像和文本的 LED 矩阵。虽然这已经是一个很酷的项目，但需要在项目中添加另一层。一些混乱和辛辣的东西。所以，就像互联网上的其他人一样，我转向社交媒体寻求想法，你瞧，我有完美的混乱元素要添加！

然后决定人们应该能够在我的毕业帽上播放信息。这些消息可以很容易地从一些社交媒体网站上抓取，并且帽子会自动检索、格式化，然后在毕业典礼期间实时显示这些消息。最后，人们可以说出他们在毕业时的真实感受，并将其显示在一个小小的毕业帽上，让少数人看到。

要求：

对该项目的要求相当简单。我希望帽子完全独立工作，不受我的监督。这意味着帽子必须检索和显示消息，而无需我检查社交媒体或担心帽子的内容。

为了使其易于使用，我希望系统能够使用我裤子口袋中的 5 伏电池组。使用 28500mAh 电池组为设备供电，我不太关心电源效率，但我想将系统设计为不浪费电力，以便系统无需充电即可运行整整 8 小时。

最后，我不想在这方面花太多钱，因为我是一个贫穷的大学生，有一张花哨/昂贵的纸，还买不起好东西。这意味着我不能使用花哨的 LED 矩阵解决方案，而是选择将整个项目保持在 50 美元以下。

设计：

对于那些从未见过的人来说，毕业帽是一个黑色方形头饰，尺寸为 9.5 英寸 X 9.5 英寸。我为毕业买的帽子用一块纸板形成方形底座，一块黑布覆盖并固定在纸板方形上。然后将另一块布材料固定在纸板底座上，这次是在帽子下面，这样帽子就可以贴合并留在头上。

毕业帽库存图片（作者：Balfour）

通常，这些头饰上饰有油漆或可以固定在帽子上的东西。在我的情况下，我需要将盖子剥离到底座纸板上，添加 LED，然后更换顶部的黑布并重新组装盖子。为了使整个过程更容易，可寻址 LED 灯条将用于创建 LED 矩阵和微控制器，在帽的中心下方，将连接以控制帽的功能。

机械设计：

在购买了 16 英尺的 WS2812B LED 灯条后，我将灯条切割成每条 14 个 LED 的长度。这个长度是通过尝试将尽可能多的 LED 排成一排来决定的，同时在两侧留出空间用于布线。

两条切割成适当长度的 LED 灯条

切割 14 条 LED 灯条后，我标记了灯罩，以指示灯罩两侧每个 LED 灯条的中心点。这使所有 LED 灯条彼此平行，提供了美观且均匀的显示效果。

贴上所有 14 个 LED 灯条后盖上纸板

现在开始将所有 LED 连接焊接在一起。为了使焊接更容易，我连接了 LED 灯条，使接线在灯条之间曲折，这意味着我必须在编程中每隔一行反转一次，但这降低了电线电阻并使焊接变得轻而易举。

1 / 2 •数据方向和 LED 灯条接线

此时，我使用产品随附的 LED 灯控制器测试了生成的矩阵。连接好所有东西后，我运行了一个基本例程，在 LED 灯串上显示不同的颜色。该测试成功运行，点亮了我固定在纸板上的每个 LED 段。

重新连接黑布前的 LED 矩阵工作

现在一切正常，是时候看看重新装上黑布后帽子会是什么样子了。在这一点上，我担心 LED 不能很好地透过黑色织物发光。在将织物放置到位的帽子上运行相同的测试程序后，这种担心被证明是没有根据的。如果有的话，LED 太亮了，并且在全亮度下消耗大约 2.5 安培，开始变热，我担心它会开始融化一些东西。

黑布重新贴在帽盖上后的LED矩阵

随着项目的所有机械部件工作正常，我用胶带和热胶重新连接了布套，然后开始研究控制电子设备。

电气设计：

为了控制 WS2812B LED 灯条，使用 5V 数据线通过单线控制接口传输数据。LED 灯条需要 5V 和 GND 连接，使用的电线/电路可以处理最大 3 安培的电流（最好是越过然后越过）。这些条带的电源直接来自用于为项目供电的 5V 电池组。

ESP32 被选为这个项目的主要微控制器，因为我想要一个可以轻松连接到 Internet 网络的设备。由于 ESP 内置了 Wi-Fi 收发器，因此它是用于该项目的理想芯片。ESP 使用 3.3V 电源并输出 3.3V 逻辑电平，因此我需要确保 LED 可以使用 3.3V 逻辑。数据表显示逻辑高阈值为 3.5V，但经过测试，证明这些 LED 可以与 3.3V 逻辑一起使用。理想情况下，应该使用电平转换器将 3.3V 逻辑转换为 5V，但这是不必要的，因为这是一个不需要 100% 可靠的 DIY 爱好项目（尽管我仍然尝试满足该可靠性指标）。

这导致了如下所示的电路。AMS1117-3.3V 芯片用于创建一个干净（尽管效率低下）的 3.3V 电源，并且各种引脚连接到公水平连接器。

控制毕业帽 LED 矩阵的电路

为了把所有东西都装进一个小而薄的包装中，我将组件布置在一个 1.5 英寸 x 2 英寸的电路板上。使用了粗迹线和通孔，因此我可以轻松地在我的 CNC 机器上制造电路板，并注意确保所有迹线都能处理所需的最大电流值。

（右）没有铜填充区域的 PCB，（左）具有顶部和底部铜填充的 PCB

然后必须组装和焊接电路板。由于第一次电路板迭代中的错误，图中的 PCB 与上图所示的成品 PCB 不匹配。成品板和盖子如下所示：

带有 FTDI 芯片和刻度帽线连接的成品刻度帽 PCB

物料清单：

该项目中使用的所有部件都包含在以下 BOM 中。总体而言，该项目的成本为 30.70 美元，不包括 5V 电池电源或毕业帽。

PCB的完整零件清单

编程：

对 ESP32 进行编程允许在该项目中使用多种编程语言。为了简化字符串数据的处理，我选择了 Micropython 固件语言来完成我的所有开发工作。虽然 C 和 Lua 可以更有效地处理内存和程序操作，但软件效率并不是最重要的。相反，我想确保连接到互联网很简单，并且我想在不使用 SD 卡接口的情况下将数据记录到设备上。Micropython 请求库允许轻松的 HTTPS 连接，python 具有动态内存分配的优势，允许 HTTPS 请求具有不同的有效负载大小，而不会过度分配 RAM。最后，Micropython 文件系统允许直接在闪存中创建和修改文件，

第一个挑战是用自定义图像点亮 LED 矩阵。为此，我修改了在 Internet 上找到的 WS2812B Micropython 模块，并添加了一个“ display_sprite() ”函数来生成一个 196 索引数组，该数组将传递给 WS2812B 模块。这具有显示填充了颜色值的 14x14 数组中的图像的结果。因为我在 LED 灯条中使用了锯齿形布线模式，所以我必须每隔一行反转一次才能准确显示图像。如果没有这种反转，精灵本身将需要每隔一行反转，这使得格式化/精灵创建更加困难，因此只要程序为 WS2812B 模块生成数组，就会处理反转。下图中可以看到其中一个精灵：

显示到 LED 矩阵的精灵之一

第二个挑战是在 LED 矩阵上创建滚动文本。我在 WS2812B 模块中或通过 Internet 上的模块无法找到任何功能来显示文本，因此我不得不创建自己的功能。这涉及创建我自己的 6x3 和 7x4 像素字体模块（使用我在网上找到的像素字体，我没那么有创意）以及将像素向左移动一位的缓冲协议，从而创建滚动文本效果。矩阵被分成 7x14 像素的部分，因此滚动文本可以从下半部分开始，并在滚动到屏幕外之前继续滚动到上半部分。为了正确开发此功能，我在一个数组中创建了 14 个二进制数，并使用位移和一些 if-else 逻辑来有效地在显示器上滚动文本。

显示字符串“Hello”的上限

该项目的最大挑战是将微控制器连接到社交媒体。我没有让任何人通过 Twitter 或 Facebook 等平台发布消息，而是决定使用我大学内大多数本科电气工程师用来相互交流的 Discord 频道。这样做的好处是限制了人们发布信息的能力，防止随机喷子到处投掷炸弹，同时还允许那些将在开始时参与的人。

为了让这个功能发挥作用，我必须创建一个 Discord 机器人，它可以访问 Discord API 以从 Discord 组的“General”频道获取消息。该机器人能够通过分配给机器人的特殊令牌访问 API，该令牌用于授权机器人具有正确的凭据。向 Discord API 发出 HTTPS GET 请求，使用授权令牌作为标头字段，并发回消息的 JSON 响应。然后程序遍历所有接收到的消息，寻找与机器人的 Discord ID 对应的整数代码。如果在消息中找到 ID，表明提到了机器人（“@GradCapBot”），则消息将保存到局部变量中，程序将完成对所有消息的检查。

串行监视器显示程序成功从 Discord 检索消息

现在程序有一些消息要显示，程序格式化它将显示的文本，然后以新文本作为参数调用“ display_7x4_text()” 。程序继续显示所有消息，直到显示所有消息。此过程循环运行，因此程序始终在寻找要显示的新消息。如果没有要显示的新消息，我不希望帽子闲置而没有显示任何内容。因此，如果没有要显示的新消息，程序会显示编程到闪存中的 10 个图像之一。然后每个图像显示 5 秒钟，然后程序再次检查新消息。