WS2812B灯带项目

WS2812B灯带项目

刷B站偶然间看到了用电脑控制WS2812B显示各种图案，对此非常感兴趣，于是通过查资料，AI等实现了本项目，项目化驱动学习。

项目概述

本项目基于ESP32的实现智能WS2812B RGB灯带控制，主要是通过该项目学习电路，单片机等相关知识

设计思路分析

  1. 硬件架构设计思路

安全第一的设计理念

· 采用电平转换器解决3.3V ESP32与5V WS2812B的通信兼容性问题
· 通过220Ω电阻保护数据信号线，防止电流冲击
· 严格的共地(GND)设计，确保信号稳定性
· 外部独立供电方案，避免USB供电不足和潜在风险

模块化连接策略

· 电源模块：5V5A外部电源 → 定制线 → 灯带供电
· 控制模块：ESP32 → 电平转换 → 灯带数据控制
· 信号调理：串联电阻优化信号质量
· 灵活扩展：面包板设计便于调试和扩展

  1. 软件架构设计思路

分层式程序设计

· 底层驱动层：FastLED库提供硬件抽象
· 核心逻辑层：模式管理和动画算法
· 用户交互层：串口命令解析和反馈
· 效果展示层：多种预设灯光模式

状态机设计模式

· 定义8种独立灯光模式，每种模式有专属的状态管理
· 统一的模式切换接口，支持热切换
· 参数持久化设计，保持用户设置

材料准备

  1. WS2812B灯带1条(30灯珠,品牌:btf lighting)

  2. ESP32(WROOM-32E,品牌:源地工作室)

  3. 三种杜邦线若干(共对共,母对母,共对母)

  4. 面包板

  5. 3.3v 5v电平逻辑转换器

  6. 5V5A DC电源(内正外负)

  7. 特殊定制线(一端DC插座,内正外负,一端分为两正负:裸线正负+杜邦公头正负)

  8. 快速接线端子

  9. 220R电阻x1

  10. 一根USB-A to USB-C 数据线

电路连接

电路连接遵循 共地(GND) 原则,并且注意单片机供电不得同时接入多个外部电源输入,否则极有可能烧毁电脑主板，并且在没有连接好的情况下，绝对不可以接电源，否则可能触电！

graph TD
    A[开始连接WS2812电路] --> B[材料准备]

    B --> C[电源部分连接]
    B --> D[面包板线路布置]
    B --> E[信号线路连接]

    C --> C1[5V5A DC电源]
    C1 --> C2[连接定制线<br>DC插座端]
    C2 --> C3[定制线裸线端<br>通过快速接线端子<br>连接灯带电源正负]

    D --> D1[定制线杜邦头<br>连接面包板正负轨道]
    D1 --> D2[正轨道引线到<br>逻辑转换器HV VCC]
    D1 --> D3[负轨道三根线分别连接:]
    D3 --> D4[ESP32GND]
    D3 --> D5[逻辑转换器LV GND]
    D3 --> D6[逻辑转换器HV GND]

    E --> E1[ESP32 GPIO4<br>连接逻辑转换器A1通道]
    E1 --> E2[逻辑转换器B1通道<br>串联220R电阻]
    E2 --> E3[连接到灯带数据端<br>3pin中间引脚]

    E --> E4[ESP32 USB连接电脑<br>供电和数据通讯]
    E4 --> E5[ESP32 3.3V输出<br>连接逻辑转换器LV VCC]

    C3 --> F[电路连接完成]
    E3 --> F
    E5 --> F

    F --> G[开始编程控制]

    %% 样式定义
    classDef power fill:#f9f,stroke:#333,stroke-width:2px;
    classDef logic fill:#ccf,stroke:#333,stroke-width:2px;
    classDef signal fill:#9f9,stroke:#333,stroke-width:2px;
    classDef complete fill:#ff9,stroke:#333,stroke-width:3px;

    class C1,C2,C3 power;
    class D2,D5,D6,E5 logic;
    class E1,E2,E3 signal;
    class F complete;

补充

如果你考虑不接电脑,那么可以 拔掉USB与电脑相接的线后,然后在从电源轨道引出一根公对母杜邦线和ESP32的5V的GPIO相连接.

程序烧录

烧录方法

我采用Arduino IDE进行本项目程序编写与烧录

  1. 去Arduino IDE官网下载最新的IDE

  2. 在File-preference中下滑找到语言选项，选择中文（据说此功能仅限2.x版本）

  3. 在文件-首选项中下滑在下面的项目链接，添加：

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https://jihulab.com/esp-mirror/espressif/arduino-esp32/-/raw/gh-pages/package_esp32_index_cn.json

这个链接是乐鑫官方文档中提供的镜像版本，更多内容可以参考文档，切换该文档可以有效解决安装工具链和库的时候无法访问github无法安装的问题。

  1. 在工具-开发板-开发板管理器顶部输入esp32，找到由 Espressif Systems 提供的 ESP32 项目。建议安装最新版，如果你用的上面的链接，可能还会有-cn版本，建议安装此版本。

  2. 选择开发板：点击 工具 (Tools) > 开发板 (Board)。在弹出的列表中，找到 ESP32 Arduino 分类。这里有很多具体的型号。如果您不确定，一个通用且安全的选择是 ESP32 Dev Module。

  3. 选择端口：将您的 ESP32 通过 USB 线连接到电脑。点击 工具 (Tools) > 端口 (Port)。选择一个新出现的端口。在 Windows 上通常是 COMx（如 COM3），在 Mac 上是 /dev/cu.usbmodem...。

7.然后写入你的代码，然后点击验证，如果编译通过了，然后再点上传即可。（首次编译可能较慢）

  1. 然后重新上电或者摁复位键，ESP32就会开始工作，你的灯带就会亮起来～哦耶

代码分享：

针对30个灯珠并使用GPIO4，WS2812控制代码。这个代码包含多种灯光模式，可以通过串口命令切换。

硬件连接

WS2812 灯带 ESP32 开发板
VCC (5V) 5V 引脚
GND GND 引脚
DIN (数据线) GPIO 4

完整代码

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#include <FastLED.h>

// LED配置
#define LED_PIN     4     // 数据线连接到GPIO4
#define NUM_LEDS    30    // 30个灯珠
#define BRIGHTNESS 100    // 初始亮度 (0-255)
#define LED_TYPE    WS2812
#define COLOR_ORDER GRB   // WS2812的颜色顺序

// 定义LED数组
CRGB leds[NUM_LEDS];

// 模式定义
#define MODE_RAINBOW    0
#define MODE_THEATER    1
#define MODE_CONFETTI   2
#define MODE_SOLID      3
#define MODE_BREATH     4
#define MODE_RAIN       5
#define MODE_FIRE       6
#define MODE_COMET      7
#define NUM_MODES       8

// 全局变量
uint8_t currentMode = MODE_RAINBOW;
uint8_t gHue = 0; // 彩虹色调
uint8_t currentBrightness = BRIGHTNESS;
CRGB solidColor = CRGB::Blue; // 纯色模式的默认颜色

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  delay(1000); // 等待串口初始化
  
  Serial.println("=== ESP32 WS2812 控制器 ===");
  Serial.println("连接信息:");
  Serial.println("- GPIO: 4");
  Serial.println("- 灯珠数量: 30");
  Serial.println("- 当前模式: 彩虹");
  Serial.println();
  Serial.println("串口命令:");
  Serial.println("0-7: 切换模式 (0=彩虹, 1=跑马灯, 2=五彩纸屑, 3=纯色, 4=呼吸, 5=下雨, 6=火焰, 7=彗星)");
  Serial.println("b100: 设置亮度为100");
  Serial.println("r/g/b: 纯色模式切换颜色");
  Serial.println("----------------------------");

  // 初始化FastLED
  FastLED.addLeds<LED_TYPE, LED_PIN, COLOR_ORDER>(leds, NUM_LEDS).setCorrection(TypicalLEDStrip);
  FastLED.setBrightness(currentBrightness);
  
  // 初始显示一个启动动画
  startupAnimation();
}

void loop() {
  // 检查串口命令
  checkSerialCommands();
  
  // 根据当前模式执行相应的动画
  switch(currentMode) {
    case MODE_RAINBOW:
      rainbow();
      break;
    case MODE_THEATER:
      theaterChase();
      break;
    case MODE_CONFETTI:
      confetti();
      break;
    case MODE_SOLID:
      solid();
      break;
    case MODE_BREATH:
      breath();
      break;
    case MODE_RAIN:
      rain();
      break;
    case MODE_FIRE:
      fire();
      break;
    case MODE_COMET:
      comet();
      break;
  }
  
  FastLED.show();
  // 每种模式有自己的延时控制，这里不需要额外延时
}

// === 模式函数 ===

// 彩虹模式
void rainbow() {
  fill_rainbow(leds, NUM_LEDS, gHue, 7);
  EVERY_N_MILLISECONDS(20) {
    gHue++;
  }
}

// 跑马灯模式
void theaterChase() {
  static uint8_t j = 0;
  
  // 将所有LED设置为暗
  fill_solid(leds, NUM_LEDS, CRGB::Black);
  
  // 每隔3个LED设置一个亮起的LED
  for(int i = 0; i < NUM_LEDS; i = i + 3) {
    leds[(i + j) % NUM_LEDS] = CHSV(gHue, 255, 255);
  }
  
  EVERY_N_MILLISECONDS(100) {
    j = (j + 1) % 3;
    gHue++;
  }
}

// 五彩纸屑模式
void confetti() {
  // 淡出所有LED
  fadeToBlackBy(leds, NUM_LEDS, 10);
  
  // 随机位置添加彩色点
  int pos = random16(NUM_LEDS);
  leds[pos] += CHSV(gHue + random8(64), 200, 255);
  
  EVERY_N_MILLISECONDS(30) {
    gHue++;
  }
}

// 纯色模式
void solid() {
  fill_solid(leds, NUM_LEDS, solidColor);
}

// 呼吸灯模式
void breath() {
  uint8_t breath = (exp(sin(millis() / 2000.0 * PI)) - 0.36787944) * 108.0;
  fill_solid(leds, NUM_LEDS, CHSV(gHue, 255, breath));
  
  EVERY_N_SECONDS(10) {
    gHue += 32;
  }
}

// 下雨模式
void rain() {
  // 所有LED向下移动并淡出
  for(int i = 0; i < NUM_LEDS - 1; i++) {
    leds[i] = leds[i + 1];
    leds[i].fadeToBlackBy(20);
  }
  
  // 随机在顶部添加新的雨滴
  if(random8() < 50) {
    leds[NUM_LEDS - 1] = CHSV(160, 200, 255); // 蓝色雨滴
  } else {
    leds[NUM_LEDS - 1] = CRGB::Black;
  }
  
  delay(50);
}

// 火焰效果
void fire() {
  // 热源在底部
  for(int i = 0; i < NUM_LEDS; i++) {
    // 温度从底部到顶部递减
    int temperature = map(i, 0, NUM_LEDS - 1, 255, 0);
    temperature = qsub8(temperature, random8(0, 80));
    
    // 将温度转换为火焰颜色 (红->黄->白)
    if(temperature > 200) {
      leds[i] = CRGB(255, 255, 255); // 白色核心
    } else if(temperature > 150) {
      leds[i] = CRGB(255, 255, 0);   // 黄色
    } else if(temperature > 100) {
      leds[i] = CRGB(255, 100, 0);   // 橙色
    } else {
      leds[i] = CRGB(255, 0, 0);     // 红色
    }
    
    leds[i].nscale8_video(temperature);
  }
  
  // 随机闪烁
  for(int i = 0; i < 3; i++) {
    int flicker = random8(NUM_LEDS / 3);
    leds[flicker] += CRGB(50, 25, 0);
  }
  
  delay(30);
}

// 彗星效果
void comet() {
  static int cometPosition = 0;
  
  // 淡出所有LED
  fadeToBlackBy(leds, NUM_LEDS, 30);
  
  // 绘制彗星头部 (最亮)
  leds[cometPosition] = CHSV(gHue, 255, 255);
  
  // 绘制彗星尾巴
  for(int i = 1; i < 8; i++) {
    int pos = cometPosition - i;
    if(pos >= 0) {
      leds[pos] = CHSV(gHue, 255, 255 - (i * 32));
    }
  }
  
  EVERY_N_MILLISECONDS(50) {
    cometPosition = (cometPosition + 1) % NUM_LEDS;
    if(cometPosition == 0) {
      gHue += 32; // 每次循环完成改变颜色
    }
  }
}

// === 辅助函数 ===

// 启动动画
void startupAnimation() {
  // 从中间向两边展开
  for(int i = 0; i <= NUM_LEDS / 2; i++) {
    int left = (NUM_LEDS / 2) - i;
    int right = (NUM_LEDS / 2) + i;
    
    if(left >= 0) leds[left] = CRGB::Green;
    if(right < NUM_LEDS) leds[right] = CRGB::Green;
    
    FastLED.show();
    delay(30);
  }
  
  // 彩虹扫描
  for(int i = 0; i < NUM_LEDS; i++) {
    leds[i] = CHSV(i * 8, 255, 255);
    FastLED.show();
    delay(20);
  }
  
  // 清空
  fill_solid(leds, NUM_LEDS, CRGB::Black);
  FastLED.show();
  delay(500);
}

// 检查串口命令
void checkSerialCommands() {
  if(Serial.available() > 0) {
    String command = Serial.readString();
    command.trim();
    
    if(command.length() > 0) {
      char cmd = command.charAt(0);
      
      // 模式切换 (0-7)
      if(cmd >= '0' && cmd <= '7') {
        uint8_t newMode = cmd - '0';
        if(newMode != currentMode) {
          currentMode = newMode;
          Serial.print("切换到模式: ");
          Serial.println(newMode);
          printModeName(newMode);
        }
      }
      // 亮度设置 (b100)
      else if(cmd == 'b' || cmd == 'B') {
        int brightnessValue = command.substring(1).toInt();
        if(brightnessValue >= 0 && brightnessValue <= 255) {
          currentBrightness = brightnessValue;
          FastLED.setBrightness(currentBrightness);
          Serial.print("亮度设置为: ");
          Serial.println(currentBrightness);
        }
      }
      // 纯色模式颜色切换
      else if(currentMode == MODE_SOLID) {
        switch(cmd) {
          case 'r': case 'R':
            solidColor = CRGB::Red;
            Serial.println("颜色: 红色");
            break;
          case 'g': case 'G':
            solidColor = CRGB::Green;
            Serial.println("颜色: 绿色");
            break;
          case 'b': case 'B':
            solidColor = CRGB::Blue;
            Serial.println("颜色: 蓝色");
            break;
          case 'w': case 'W':
            solidColor = CRGB::White;
            Serial.println("颜色: 白色");
            break;
          case 'y': case 'Y':
            solidColor = CRGB::Yellow;
            Serial.println("颜色: 黄色");
            break;
          case 'p': case 'P':
            solidColor = CRGB::Purple;
            Serial.println("颜色: 紫色");
            break;
        }
      }
    }
  }
}

// 打印模式名称
void printModeName(uint8_t mode) {
  switch(mode) {
    case MODE_RAINBOW:  Serial.println("彩虹循环"); break;
    case MODE_THEATER:  Serial.println("跑马灯"); break;
    case MODE_CONFETTI: Serial.println("五彩纸屑"); break;
    case MODE_SOLID:    Serial.println("纯色"); break;
    case MODE_BREATH:   Serial.println("呼吸灯"); break;
    case MODE_RAIN:     Serial.println("下雨效果"); break;
    case MODE_FIRE:     Serial.println("火焰效果"); break;
    case MODE_COMET:    Serial.println("彗星效果"); break;
  }
}

使用说明

  1. 上传代码

· 确保已正确安装 ESP32 开发板和 FastLED 库
· 选择正确的开发板（如 ESP32 Dev Module）和端口
· 点击上传

  1. 串口控制命令

打开串口监视器（波特率115200），发送以下命令：

模式切换：

· 0 - 彩虹循环
· 1 - 跑马灯
· 2 - 五彩纸屑
· 3 - 纯色模式
· 4 - 呼吸灯
· 5 - 下雨效果
· 6 - 火焰效果
· 7 - 彗星效果

亮度控制：

· b50 - 设置亮度为50
· b150 - 设置亮度为150
· b255 - 设置亮度为255（最亮）

纯色模式颜色切换：

· r - 红色
· g - 绿色
· b - 蓝色
· w - 白色
· y - 黄色
· p - 紫色

  1. 电源注意事项

30个WS2812灯珠全白最亮时功耗约 30 × 0.06A × 5V = 9W，建议使用外部5V电源供电，并将外部电源的GND与ESP32的GND连接。

这个代码提供了丰富的灯光效果和完整的控制功能，您可以通过串口实时切换模式和调整参数。

写在最后

本文篇用于记录本次WS2812B项目经过，如有不妥，请见谅。

开发板 > ESP32
#ESP32 #WS2812B
WS2812B灯带项目
https://b.wihi.top/posts/addc03d1.html
作者
鸣心
发布于
2025年10月19日
许可协议