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8. NEOPIXEL

WAS SIND NEOPIXEL

In absehbarer Zeit wird es nur noch Leuchtmittel geben, die aus LEDs aufgebaut sind. Eine LED ist eine Halbleiter-Diode, die den durchfliessenden Strom mit hohem Wirkungsgrad in Licht umwandelt. Je nach Material kann man verschiedene Farben erzeugen. Kombiniert man eine rote, grüne und blaue LED in einem Gehäuse, so ergibt sich eine Farb-LED, mit der man durch additive Farbmischung jede andere Farbe erzeugen kann. Das Prinzip wird auch beim Farbfernsehen angewendet.

Farb-LEDs werden manchmal mit einer elektronischen Schaltung (Controller) im gleichen Gehäuse kombiniert und hintereinader kaskadiert. Mit nur 3 Zuleitungen kann man trotzdem jeder einzelnen eine andere Farbe geben. Üblicherweise werden die LEDs auf einem LED-Streifen (LEDstrip) montiert. Es gibt aber auch Ringe oder rechteckige Anordnungen (Matrix).

Im Folgenden verwendest du entweder einen LED-Streifen, einen LED-Ring oder eine LED-Matrix mit mindestens 12 LEDs. Diese müssen den Typ WS2812B haben. Bezugsquellen: Elektronik-Shops, Online-Versand (Adafruit, Seed, Pi-Shop, Ebay, Aliexpress, usw.)

PROGRAMMIEREN MIT SPASS

Ein Lichtsystem, das mit einem Mikrocontroller wie dem micro:bit angesteuert wird, ist extrem flexibel und vielseitig, und es es gänzlich deiner Phantasie und deinem Einfallreichtum beim Schreiben des Steuerungsprogramms überlassen, was man schliesslich sehen wird. In diesem Arbeitsblatt lernst du einige grundlegende Verfahren kennen, die du dann auf dein eigenes Projekt übertragen kannst. Wie du sehen wirst, macht das Programmieren von Lichtsystemen deshalb Spass, weil die Auswirkungen jeder Programmzeile sofort optisch sichtbar werden.

ANSCHLUSS

Für einfache Testsysteme kannst du den LED-Streifen, Ring oder Matrix mit drei Leitungen am micro:bit anschliessen.

Dabei verwendest du die Pins GND (-), 3.3V (+) und P0.

Üblich sind folgende Kabelfarben:
GND (-): schwarz
3.3V (+): rot
Datenleitung (P0): andersfarbig, hier weiss.

AUFGABE 1: PIXEL AUF BESTIMMTE FARBE SETZEN

Die Ansteuerung der NeoPixels erfolgt mittels eines seriellen Protokolls. Dabei werden der Reihe nach die 3 Farbwerte für das erste Pixel, dann für das zweite usw. gesendet. Das erste Pixel "schnappt" sich seine Werte weg und leitet den Rest des Datenstroms weiter. Unter MicroPython ist die Programmierung sehr einfach: Du erstellst ein "Objekt" NeoPixel, indem du angibt, welches der Datenport ist (üblicherweise pin0) und wieviele NeoPixel deine Anordnung aufweist, also für 24 LEDs:

np = NeoPixel(pin0, 24)
(np ist ein beliebiger Variablenname)

Im Speichersystem entsteht nun eine Liste mit 24 Tupels, welche die RGB-Farben der 24 LEDs aufnehmen kann (als (R, G, B)-Farbwerte je im Bereich 0..255).

Auf die einzelnen Werte kannst du mit einem Listenindex zugreifen, also beispielsweise die Farbe der ersten LED auf eine rote Intensität von 30 setzen mit:
np[0] = (30, 0, 0)
oder die Farbe der zweiten LED auf grün setzen mit
np[1] = (0, 30, 0)
Mit dieser Zuweisung ist der Farbwert aber erst in die Liste gesetzt. Damit er auch tatsächlich sichtbar wird, musst du den LEDs die Listeninformation zuzusenden,indem dur
np.show() aufrufst.

Das Programm sieht also so aus:

Programm:

from calliope_mini import *
from neopixel import *

nbLeds = 24
np = NeoPixel(pin0, nbLeds)
np[0] = (30, 0, 0)
np[1] = (0, 30, 0)
np.show()

► In Zwischenablage kopieren

Wie du siehst, musst du neben dem Modul calliope_mini auch noch das Modul neopixel importieren. Falls du das np.show() vergisst, so siehst du keine Veränderung der Farben, da ja deine LEDs erst bei diesem Aufruf den Datenstrom erhalten.

Lasse weitere LEDs in verschiedenen Farben leuchten: blau, gelb, cyan usw. Im Prinzip könntest du den Tupel (255, 0, 0) verwenden, um eine rote Farbe zu erhalten. Da die LEDs sehr hell sind, genügt der Wert 30

AUFGABE 2: EIN PIXEL LAUFEN LASSEN

Du brauchst vom Programmiertechnischen nur wissen, wie eine for-Schleife funktioniert. Du lässt in dieser ersten Übung ein einzelnes rotes Pixel vom Anfang an das Ende laufen. Verwende dazu eine geeignete Wartezeit zwischen dem Pixelwechsel (z.B. 100 ms). Du kannst mit den Farben und Wartezeiten etwas spielen.

Anmerkung:
Um ein einzelnes Pixel zu löschen, verwendest du np[i] = (0, 0, 0). Du kannst auch alle Pixels miteinander mit np.clear() löschen.

Programm:

from calliope_mini import *
from neopixel import *

nbLeds = 24
np = NeoPixel(pin0, nbLeds)
for i in range(24):
    np[i] = (30, 0, 0)
    np.show()
    sleep(100)
    np[i] = (0, 0, 0)

► In Zwischenablage kopieren

Ändere das Programm so, dass sich das rote Pixel "endlos" vom Anfang zum Ende bewegt.

AUFGABE 3: LÄNGER WERDENDER FARBIGER WURM

Es ist lustig, einen "Wurm" von gleichfarbigen Pixels zu erzeugen. Dabei soll ausgehend vom gelöschten Zustand die Pixel der Reihe nach mit der gewünschten Farbe angeschaltet werden, bis alle Pixels leuchten. Der Vorgang soll sich endlos mit verschiedenen Farben wiederholen.

Schreibe dazu am besten eine Funktion wurm(color), welche den Wurm erzeugt und rufe sie endlos der Reihe nach mit den Farben rot, grün, blau, gelb, cyan und weiss auf.

Du kannst auch auf das Löschen des alten Wurms verzichten, damit immer alle LEDs eingeschaltet bleiben.

AUFGABE 4: ALLE LEDs MITEINANDER HELL/DUNKEL STEUERN

Für viele Farbspiele möchte man alle LEDs miteinander leuchten lassen. Schreibe ein Programm, das mit fest vorgegebener Farbe alle LEDs in kleinen Schritten hell und wieder dunkel werden lässt. Das Programm soll endlos laufen und die grösste Farbkomponente soll 30 nicht übersteigen.

Spiele mit verschiedenen Farben, die sich auch laufend verändern können.

AUFGABE 5: KERZENFLACKERN

Gehe vom vorhergehenden Programm aus, aber setze die Farbkomponenten beim heller und dunkler werden zufällig. Ist also der momentane maximale Farbwert k, so verwende die Farbe

color = int(random() * k, int(random() * k, int(random() * k)

Du musst dazu das Modul random importieren:
from random import *

AUFGABE 6: EIGENEN IDEEN VERWIRKLICHEN

Erfinde ein Lichtspiel nach eigenen Ideen.