Programmierbarer Leuchtstab mit dem Pi Pico

Bei der fotografischen Methode der Lichtmalerei belichtet man ein Motiv sehr lange, während man es mithilfe bewegter Lichtquellen verändert. Mit technischer Unterstützung durch einen Pi Pico lassen sich komplexe Ergebnisse erzielen.

Für Langzeitbelichtungen benötigt man eine Kamera mit manueller Einstellmöglichkeit und ein Stativ. Um nun einfache Muster oder Schriftzüge in eine laufende Aufnahme zu malen, genügt schon eine Taschenlampe oder ein Laserpointer. Experimentierfreudige arbeiten mit LEDs und erzielen dabei besonders interessante Lichtgrafiken. Der Autor wollte selbst kreativ arbeiten und ausprobieren, was man mit modernen Pixelelementen und cleverer Programmierung erreichen kann. Somit war die Idee eines Leuchtstabs für das Lightpainting geboren.

Die Steuerung erfordert nicht viele Schnittstellen, und die Hardware sollte möglichst kompakt sein – eine gute Gelegenheit also, um mit einem Raspberry Pi Pico zu planen. Der Pico, jüngstes Mitglied in der RasPi-Familie, erhielt in den letzten Monaten schon regen Zuspruch. So gibt es bereits einige interessante HATs dafür. Die große Community erweist sich als Vorteil, wenn man Hilfestellung sucht. Das derzeit kleinste RasPi-Modell bietet in Form des RP2040 mit einem ARM Cortex-M0+ eine moderne Alternative zu vergleichbaren Controllern, arbeitet mit C/C++ und kann auch MicroPython mit guter Performance interpretieren.

Lichtpinsel

So soll nun auch hier die MicroPython-Firmware auf dem Pi Pico zum Einsatz kommen (Tabelle “Stückliste”). Eine Wi-Fi-Verbindung benötigt der Leuchtstab nicht. Für das für den Außeneinsatz vorgesehene Projekt ist günstig, dass man die Versorgungsspannung einfach abschalten kann, ohne Schäden an einer SD-Karte zu riskieren. Wie man den Pi Pico in Betrieb nimmt, was man bei der Kommunikation zum Baustein beachten muss und wie die Programmierung per MicroPython funktioniert, dafür gibt es im Web bereits genügend gute Artikel.

Schon ein kleines Breadboard bietet ausreichend Platz, um für erste Tests die wesentlichen Komponenten miteinander zu verbinden (Abbildung 1). Der Pico soll nun eine Vielzahl von RGB-LEDs steuern. Das realisiert man am einfachsten mit Neopixeln [1], die alle einen eigenen Steuerchip wie einen WS2812b in sich tragen und sich so im Strang einzeln adressieren lassen. Mittlerweile in vielen Bauformen erhältlich, werden sie im Folgenden der Einfachheit halber nur noch als LEDs bezeichnet.

Abbildung 1: Die für die ersten Tests aufgebaute Schaltung auf einem Breadboard.

Zwei Meter Länge genügen, damit sich der Stab später noch gut transportieren und vor allem wie gewünscht bewegen lässt. Durch diese Bewegung und das zeitlich abgestimmte Schalten bestimmter Pixel soll im fertigen Foto ein Lichtvorhang entstehen, der beim Betrachter guten Eindruck macht (Abbildung 2).

Abbildung 2: In die Luft gemalt: Lichtmalerei mit dem LED-Leuchtstab und Pico.

Aufbau

Funktioniert die Schaltung im Testaufbau, kann man zur eigentlichen Konstruktion übergehen. Die gesamte Hardware wird direkt am Stab angebracht, der auf Basis eines handelsüblichen Aluprofils entsteht. Gut, dass die fertige Platine relativ kompakt ausfällt, bei wenigen Bauteilen kann man auch mit einer Universalleiterplatte arbeiten (Abbildung 3). Der Pico erhält seinen Steckplatz idealerweise auf der Oberseite, sodass man ihn von der restlichen Hardware abziehen kann. Den Pi  Pico gäbe es auch in einer M-Version mit aufgelöteten Spitzen, doch es müssen nur wenige Pins kontaktiert werden – das ist schnell selbst gemacht. Im Bild hat die Platine daher keine durchgängigen Buchsenleisten.

Abbildung 3: Links auf der Steuerplatine sitzen ein Ein-Aus-Schalter und ein Taster.

Da der Autor die Leuchtpunkte relativ eng setzen wollte, entschied er sich für ein Band mit 60 LEDs pro Meter, was bei beim angepeilten Leuchtstab insgesamt 120 Leuchtdioden ergibt. Sie benötigen eine entsprechende Stromversorgung, die man nicht mehr vom Pico abnehmen kann, sondern direkt von der Quelle verkabeln muss. Bei einer solchen Schaltung macht sich ein kleiner Vorwiderstand in der Datenleitung zum LED-Strip (an GPIO18) gut. Zur Versorgung dienen vier 1,2-Volt-NiMH-Akkus (Micro, AAA), die sich bei Bedarf entnehmen und laden lassen (Abbildung 4). Alternativ könnte man auch eine (möglichst kleine) Powerbank verwenden, die dann 5 Volt abgibt. Mit 4,8 V arbeitet die Schaltung immer noch einwandfrei: Die LEDs erreichen die gewünschte Helligkeit und lassen sich noch gut dimmen.

Abbildung 4: Auf der Rückseite des Stabs befinden sich die Steuerplatine und die Batterien.

Manchmal hat man bei langen LED-Anordnungen mit Fehlern zu kämpfen, die sich durch ein unkontrolliertes Aufblitzen der Dioden äußern, und man muss Datenleitung und Stromversorgung zusätzlich stabilisieren. Bei den verwendeten Komponenten trat dieses Problem nicht auf. Die beiden Kapazitäten im Schaltplan (Abbildung 5) sind zur Vorsorge beim alternativen Betrieb per Steckernetzteil vorgesehen.

Abbildung 5: Beim Taster T1 im Schaltplan handelt es sich um das einzige Bedienelement des Leuchtstabs.

Bedienung

Im Schema in Abbildung 5 sieht man außerdem eine Verbindung über T1 und R2 an Pin GPIO17 des Controllers. Bei eingeschaltetem Leuchtstab startet darüber zuerst die Abarbeitung des vorkonfigurierten Leuchtmusters. Der Taster fungiert im laufenden Betrieb als einziges Bedienelement – da es vor dem Einsatz des Leuchtstabs noch die Kamera auszulösen gilt, muss alles zeitlich gut abgestimmt und einfach zu bedienen sein. Später dient ein Tasterdruck zum Umschalten auf das nächste Leuchtmuster. Die grüne Board-LED, die beim Aufnehmen rückwärtig zum Betrachter zeigt, hilft mit diversen Blinkcodes bei der Orientierung.

Nach dem Anlegen der Versorgungsspannung per Kippschalter S1 blinkt in unserer Software die Board-LED im Sekundentakt und signalisiert so, dass alles bereit ist. Nach dem ersten Tasterdruck senkt sich die Blinkfrequenz auf zwei Sekunden, und man hat nun nur noch wenig Zeit, um in Aufnahmeposition zu gehen. Unmittelbar vor dem Start der Leuchtsequenz blinkt die Diode ganz kurz – in diesem Moment muss der Bediener die Bewegung des Leuchtstabs starten. Jeder mag sich da seine eigene Abfolge mit diversem Bedienkomfort schaffen.

Zum Umschalten in den Massenspeichermodus hat der Pico einen Bedientaster mit an Bord. Ist der Mikrocontroller per USB am Rechner angeschlossen, öffnet sich in Linux wie in Windows ein Fenster mit einem Dateimanager, und man hat die Möglichkeit, Quelltexte per Drag & Drop dorthin zu übertragen. Es gibt eine eigene C/C++-Entwicklungsumgebung, und die Integration in die Arduino IDE funktioniert ebenfalls.