WS2812B NeoPixel LEDテープとArduino：アドレス指定できるRGB LEDのガイド

WS2812Bは、専用のドライバチップを内蔵したRGB LEDです。ふつうのRGB LEDでは色ごとに別のピンが必要ですが、WS2812Bなら1本のデータ線で数百個のLEDを制御し、1個ずつ個別の色と明るさを指定できます。NeoPixelは、このアドレス指定できるLEDのファミリーに対するAdafruitの呼び名です。テープ、リング、スティック、マトリクスの形で売られており、間接照明やLED時計からゲームや通知ランプまで、数えきれないプロジェクトで使われています。

WS2812Bのしくみ

WS2812Bの5x5 mmのパッケージの中には、赤、緑、青の3つの小さなLEDと、それらを駆動する極小のチップが入っています。Arduinoはデータ線に24ビットの色のパケットを次々に送ります。緑8ビット、赤8ビット、青8ビットです（GRBの順）。最初のLEDは最初の24ビットを自分用に取り、残りをDOピンから次のLEDへ渡します。どのLEDも同じことをします。データ線が50マイクロ秒以上（新しいバージョンでは280マイクロ秒以上）LOWのままになると、すべてのLEDが同時に色を表示します。色ごとに256段階あるので、1個のLEDで1,670万色を表示できます。

テープ、リング、マトリクス

WS2812Bの配線

WS2812Bの接続は5V、GND、DIN（データ入力）の3つです。テープの矢印はデータが流れる向きを示しています。Arduinoは必ず矢印が始まる側、DINの側につないでください。データ線に330〜470 Ωの抵抗を直列に入れ、テープの電源入力の5VとGNDの間に1000 µFのコンデンサを入れると、最初のLEDを急な電圧のスパイクから守れます。

電源の計算：何アンペア必要？

最悪の場合の式は簡単で、LEDの数 × 60 mAです。アニメーションですべてのLEDが同時に白で最大輝度になることはまれで、実際にはLED1個あたり平均20 mA前後です。それでも、ACアダプターは最悪の場合に合わせて選ぶか、ソフトウェアで明るさを制限してください。電力をワットで求めるにはオームの法則ツールを、電池で動かすプロジェクトの稼働時間を見積もるには電池寿命ツールを使ってください。

Adafruit NeoPixelライブラリで最初のコード

ライブラリマネージャでAdafruit NeoPixelを検索してインストールします。次のコードは、LEDを1個ずつ赤、緑、青で点けて、テープを色で「塗りつぶし」ます。

1#include <Adafruit_NeoPixel.h>
2
3#define PIN 6          // DIN pini / data pin
4#define NUM_LEDS 8     // LED sayısı / number of LEDs
5
6Adafruit_NeoPixel strip(NUM_LEDS, PIN, NEO_GRB + NEO_KHZ800);
7
8void setup() {
9  strip.begin();
10  strip.setBrightness(50);   // 0–255, yalnız bir kez / only once
11  strip.show();              // hepsini söndür / all off
12}
13
14void colorWipe(uint32_t color, int wait) {
15  for (int i = 0; i < NUM_LEDS; i++) {
16    strip.setPixelColor(i, color);
17    strip.show();            // değişikliği gönder / send the change
18    delay(wait);
19  }
20}
21
22void loop() {
23  colorWipe(strip.Color(255, 0, 0), 80);   // kırmızı / red
24  colorWipe(strip.Color(0, 255, 0), 80);   // yeşil / green
25  colorWipe(strip.Color(0, 0, 255), 80);   // mavi / blue
26}

setPixelColor()はメモリ上の色を変えるだけです。実際にLEDを点けるにはshow()を呼ぶ必要があります。こうすることで、すべてのLEDの色を設定してから一度に表示できます。setBrightness()は色のデータを恒久的に縮小するので、loop()で何度も変えるより、setup()で一度だけ呼ぶのがおすすめです。LED1個につきArduinoのRAMを3バイト使うため、数百個のLEDではUnoの2 KBがすぐにいっぱいになります。

虹のエフェクト：HSVの色

赤、緑、青の値で色を指定する代わりにHSV（色相、彩度、明度）を使うと、エフェクトがずっと簡単になります。色相を変えるだけで色相環をひと回りできます。Adafruitライブラリでは、色相は0〜65535です。gamma32()は色を目の感じ方に合わせて補正するので、色の変化がより自然に見えます。

1#include <Adafruit_NeoPixel.h>
2
3#define PIN 6
4#define NUM_LEDS 24
5
6Adafruit_NeoPixel strip(NUM_LEDS, PIN, NEO_GRB + NEO_KHZ800);
7
8void setup() {
9  strip.begin();
10  strip.setBrightness(40);
11}
12
13void loop() {
14  for (long first = 0; first < 65536; first += 256) {
15    for (int i = 0; i < NUM_LEDS; i++) {
16      uint16_t hue = first + i * 65536L / NUM_LEDS;   // her LED'e farklı ton / a different hue per LED
17      strip.setPixelColor(i, strip.gamma32(strip.ColorHSV(hue)));
18    }
19    strip.show();
20    delay(10);
21  }
22}

FastLEDライブラリ

より高度なエフェクトには、FastLEDライブラリも人気があります。LEDをCRGBの配列で管理し、leds[3] = CRGB::Red;のような読みやすい命令を使え、色相の範囲は0〜255です。fill_rainbow()やfadeToBlackBy()などの既製の関数で、炎、流れ星、呼吸のようなエフェクトを数行で書けます。とくに便利な機能のひとつがFastLED.setMaxPowerInVoltsAndMilliamps(5, 2000);で、電流を2 A未満に保つよう、ライブラリが自動的に明るさを下げます。

8x8のNeoPixelマトリクスを使う

マトリクスは、実は長いテープにすぎません。64個のLEDが1本のデータ線で次々につながっています。ほとんどのマトリクスでは行がジグザグ（蛇行）に並んでいて、偶数行は左から右へ、奇数行は右から左へ進みます。そのため、x、yの座標をLEDの番号に直すには、偶数行ではy × 8 + xを、奇数行ではy × 8 + (7 − x)を使います。64個のLEDは白で最大輝度にすると3.8 Aを消費するので、マトリクスではとくに明るさを抑えることが大切です。

ESP32とRaspberry Pi PicoでWS2812Bを使う

Adafruit NeoPixelとFastLEDのライブラリはESP32でも動きます。Wi-Fiがあるので、スマートフォンからLEDを操作したり、天気に合わせて色が変わるランプを作ったりするのも簡単です。注意すべきは電圧レベルです。5 Vで給電したWS2812Bはデータ入力に3.5 V以上を求めますが、ESP32とPicoの出力は3.3 Vです。ほとんどのテープはそれでも動きますが、最初のLEDがちらついたり、でたらめな色が出たりするなら、データ線に74AHCT125のようなレベル変換ICを入れてください。Raspberry Pi Picoでは、MicroPythonにneopixelモジュールが組み込まれています。

1from machine import Pin
2import neopixel
3import time
4
5NUM = 8
6np = neopixel.NeoPixel(Pin(0), NUM)      # GP0 → DIN
7
8def wheel(pos):                          # 0–255 → renk çemberi / colour wheel
9    if pos < 85:
10        return (255 - pos * 3, pos * 3, 0)
11    if pos < 170:
12        pos -= 85
13        return (0, 255 - pos * 3, pos * 3)
14    pos -= 170
15    return (pos * 3, 0, 255 - pos * 3)
16
17j = 0
18while True:
19    for i in range(NUM):
20        r, g, b = wheel((i * 256 // NUM + j) & 255)
21        np[i] = (r // 5, g // 5, b // 5)  # parlaklığı düşür / dim it
22    np.write()
23    j = (j + 2) & 255
24    time.sleep_ms(20)

WS2812Bのプロジェクトアイデア

• テレビの間接照明：テレビの裏にテープを貼り、部屋をやわらかな光で包みます。
• NeoPixel時計：60個のLEDのリングで、時・分・秒を違う色で表示します。
• 音量メーター：マイクモジュールを使い、音楽の音量に合わせて伸びるLEDバーを作ります。
• 通知ランプ：ESP32で、インターネットの天気や新着メールに合わせて色を変えます。
• パトランプとナイトライダー：赤と青の点滅や、往復するスキャン光のエフェクトを書きます。
• ドット絵のヘビゲーム：8x8のマトリクスとジョイスティックで、定番のヘビゲームを再現します。

よくある間違いと対処法

• LEDがひとつも点かない：Arduinoをテープの反対側、DOUTの側につないでいます。矢印を確認し、DINの端を使ってください。
• 色が入れ替わる（赤のはずが緑）：色の順序が違います。コードではNEO_GRBを使いますが、NEO_RGBが必要なテープもあります。
• 最初のLEDがちらつく、またはでたらめな色になる：直列抵抗がない、GNDが共通になっていない、または3.3 Vのデータ信号では足りません。
• テープの終わりが黄色っぽく見える：電圧が下がっています。テープの複数の場所から給電するか、明るさを下げてください。
• LEDが点くとArduinoがリセットする：USBから電流を取りすぎています。外部ACアダプターと1000 µFのコンデンサを使ってください。
• 最初の数個のLEDしか点かない：コードのNUM_LEDSが実際のLEDの数より小さいか、テープの途中のどこかで接続が切れています。

WS2812Bは、色がどう混ざるかを理解するのにぴったりの出発点です。色の考え方はRGB LEDの使い方で、明るさの制御はPWMとは？で確認できます。BlueGraysアプリには、WS2812Bの基本、パトランプ、流れるLED、ナイトライダーのスキャナー、アニメーションエフェクト、ESP32でのNeoPixelテープの制御が、回路図とコード付きでそろっています。