描述

我想創建一個基于 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性的 Arduino 項目感興趣的每個人來說，它都可以輕松重現。下面的項目描述提供了如何構建的分步說明。

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，足以獲得穩定且無閃爍的圖像。相對較高的色深和幀率提高了圖像質量。

框圖

大多數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，而且它的內存更大（視頻雙緩沖區）。tripe DAC LED 驅動器的電子設備可能需要在面包板上花費更多精力，因此我決定設計自己的 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測量速度并重新調整像素讀數的計時器。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建，或者構建 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，可以機械掃描或創建圖像。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，但結果不是很好，而且 Aruduino 的內存（幀緩沖區）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。

為了輕松構建多個磁盤，我在 PC 上創建了一個程序，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，直到磁盤設計符合預期，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。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）。在低于其最大規格使用時，它最大僅消耗 0.5A-1A 并且非常安靜。磁盤旋轉將由紅外脈沖傳感器在每次旋轉時測量，因此我們不需要主動控制它。使用任何現成的 12V PWM 調節器模塊來控制電機。使用合適的外徑 32mm、內徑 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”型產品，其中大多數是在金屬外殼上粘合 9 個單獨的 LED。它們中的大多數將充當一個白色 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驅動器更多的努力是為 3x（R、G 和 B）通道 DAC 創建電子設備。為了實現足夠快的 DAC 轉換，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) 將驅動相關的 LED 輸出通道。這個 FET 的導通電阻低，散發的熱量也少，所以我們不需要散熱器。使用電位器，可以調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，并使用當地的 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”來測量磁盤轉速。傳感器發射 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！）。為了防止環境噪音，我在傳感器周圍創建了一個簡單的屏蔽。這樣，我們可以將靈敏度調到最小值，因為在反光條出現之前，它通常看起來很暗。該模塊將使用 VCC 和 GND 和數字輸出連接到：

Dout -> PE4(2) / INT4

- SD 卡：要將連續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換器工具制作的有效“二進制視頻數據”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：

模式選擇（圖片或視頻）-> PB7 (13)

播放/停止 -> PB6 (12)

下一首 -> PB5 (11)

注意：我沒有為開關實現任何軟件去抖動，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

用于調試的串行接口

Nipkow Media Converter PC Tool我創建了一個簡單的轉換器工具來轉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）轉換為頭文件（用于編譯）以直接顯示來自閃存的靜態圖片- 將多個位圖（24 位）作為動畫序列轉換為 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 90°。

！注意：這個軟件工具只是為這個項目制作的，沒有經過全面測試，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。

媒體轉換器工具

靜態位圖轉換說明：

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換。

b) 選擇輸出類型：靜態位圖的“頭文件” 將此項目的“輸出顏色”選項設置為“顏色”。我還將它用于早期的單色原型。

c) 單擊轉換，轉換過程將開始并在框中報告狀態消息

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，則會出現編譯器錯誤）

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

動畫說明（視頻轉換） ：

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” （根據需要隨意調整其他設置，例如合同、幀速率等...）

d) 轉到“文件導出圖像序列”并將輸出設置為“Windows BMP”（注意：根據您的視頻大小，這將創建很多圖像！）

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

f）確保您將輸出格式設置為“二進制”，然后開始轉換（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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