Interaktywna tablica okresowa LED: 12 kroków (ze zdjęciami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:30

By Bees KneesObserwuj Więcej autora:

Moja dziewczyna i ja mamy kolekcję elementów - próbki unikalnych kawałków materii, które składają się na wszystko we wszechświecie! Dla tak ciekawej kolekcji postanowiłem zbudować gablotę, która pokaże próbki w całej ich świetności budującej świat.

Wiem, że niewiele osób ma kolekcję elementów, ale każdy ma coś do wyeksponowania! Celem tego instruktażu jest zapewnienie wystarczającego zrozumienia procesu budowy, elektroniki i kodu, aby stworzyć własny, dostosowany wyświetlacz do tego, co chcesz.

Interaktywność wyświetlacza sprawia, że jest to świetna pomoc dydaktyczna dla nauczycieli, aby zademonstrować cechy układu okresowego pierwiastków i jak różne elementy odnoszą się do siebie. Ogólnie rzecz biorąc, oglądanie jest po prostu świetną zabawą!

Krok 1: Czego potrzebujesz

Wszystko zakupione w lokalnym sklepie ze sprzętem, chyba że zaznaczono inaczej.

Cała elektronika zakupiona od Ali Express (podane linki). Ali Express to miejsce, w którym można uzyskać tanią elektronikę, która zwykle jest zaskakująco wysokiej jakości.

Materiały

Ramka - Klucz: (długość x szerokość x wysokość) x ilość

• Deski sosnowe (2400x60x10mm) x7
• Arkusz MDF (1200x600x4,5mm) x2
• Papier ścierny (ziarnistość 120)
• Klej do drewna
• Kit do drewna
• Biała farba akrylowa --- Art store
• Ołówek
• Listwa dekoracyjna (2400mm) x2
• Drewno balsa (1000x10x2mm) x6 --- Sklep ze sztuką

Elektronika

• Diody LED (Neopixels/ws2812b) x90 --- Ali Express Link "1m 100 IP30" daje 100 nie wodoodpornych diod LED
• Drut (5m rolek o grubości 22 lub podobne. Preferowane różne kolory) x3 --- Ali Express Link
• Arduino Nano --- Ali Express Link
• Moduł Bluetooth (HC05) --- Ali Express Link
• Zasilanie (5 V 4A) --- Ali Express Link
• Przewód zasilający --- Sklep z używanymi towarami
• Lutowane --- Ali Express Link
• Prototypowa tablica punktowa --- Ali Express Link
• Żeńskie nagłówki pinów --- Ali Express Link
• Zaciski śrubowe --- Ali Express Link

Narzędzia

• Lutownica
• Multimetr --- łącze Ali Express
• Piła ręczna (lub piła stołowa)
• Pistolet do klejenia na gorąco (z klejem w sztyfcie)
• Wiertarka
• Wiertło (3-8mm)
• Zaciski
• Taśma miernicza
• Narzędzie do ściągania izolacji --- Ali Express Link

Krok 2: Planowanie

Cechy

• Wyświetlacz ma kształt układu okresowego pierwiastków. W ten sposób diody LED mogą prezentować cechy i trendy układu okresowego.
• Każda pozycja w układzie okresowym jest zamkniętą półką, na której może spoczywać próbka pierwiastka.
• Użyłem diod LED WS2812B, które mogę indywidualnie oświetlić dowolnym kolorem.
• Wyświetlacz posiada funkcję Bluetooth i aplikację do obsługi telefonu. Najważniejszą rzeczą, jakiej chciałem przy tym wyświetlaczu, było to, aby był interaktywny. Aplikacja na telefon sprawia, że zabawa jest tak przyjemna!

Budowa

Ekspozytor wykonany jest z desek sosnowych o wymiarach 60x10mm. Dostałem mój w długości 2,4 m, ale dostępnych było wiele długości. Wszystkie elementy potrzebne do wycięcia z łatwością mieszczą się w 7 odcinkach o długości 2,4 m. Została prawie cała długość - na wypadek, gdybym popełnił jakieś błędy!

Narysowałem dla ciebie „Plan ramowy”. Użyj tego z opcją „Długości i ilości obramowania”, która pokazuje, ile z każdej długości należy przyciąć. Oba diagramy są oznaczone kolorami i oznaczone literami, dzięki czemu wiesz, który kawałek idzie gdzie. Wszystkie kawałki zostaną wycięte, a następnie sklejone klejem do drewna.

Ostatni schemat przedstawia kształty panelu przedniego i tylnego, które zostaną wycięte z płyty MDF i przyklejone. Polecam po prostu umieścić ramkę na płycie MDF i prześledzić kształty ołówkiem. Kształty paneli mają tylko dać wyobrażenie o tym, jak wyglądają.

Lantanowce i aktynowce

Obecnie nie mam żadnych próbek lantanowców i aktynowców, więc nie utworzyłem części układu okresowego, która je zawiera. W przyszłości tak zrobię!

Elektronika

Planowanie elektroniki jest udokumentowane w dalszej części instrukcji.

Krok 3: Cięcie drewna

Zgodnie z planem, kawałki sosny o wymiarach 60x10mm musiały zostać zmierzone i przycięte na odpowiednią długość. Użyłem taśmy mierniczej i ołówka, aby zaznaczyć, jak długo każdy kawałek drewna miał być potrzebny, a następnie użyłem kwadratu do narysowania linii w poprzek drewna. Po każdej zaznaczonej linii przecinałem piłą tuż za linią. Nie tnij bezpośrednio na linii, bo otrzymasz kawałek drewna, który jest nieco za mały ze względu na grubość brzeszczotu. Szorstkie krawędzie każdego kawałka wygładziłem papierem ściernym. Po każdym wyciętym kawałku warto oznaczyć go ołówkiem zgodnie z planem, co znacznie ułatwi montaż.

Uwaga: Dokładność jest bardzo ważna. Moje cięcia nie były idealne, więc miałem później sporo luk do wypełnienia drewnem. Piła stołowa lub piła ukośnica z odpowiednio ogrodzeniem lub blokadą sprawią, że cięcia będą o wiele dokładniejsze.

Krok 4: Montaż ramy

Chciałem, aby wszystkie pionowe sekcje 60mm były tak zmierzone, oznaczone i kwadratowe, gdzie każdy z nich powinien być przyklejony do poziomych desek. Na przykład dolna deska "J" jest oznaczona jako 10mm (aby zrobić miejsce na pionową deskę boczną), potem odliczam 60 i zaznaczam jako 70, potem odliczam 10 dla przekroju pionowego, potem kolejne 60 i zaznaczam jako 140 i tak dalej.

Aby złożyć elementy, nałożyłem klej do drewna na łączone powierzchnie i ostrożnie ułożyłem je we właściwych pozycjach i zabezpieczyłem zaciskami. Sklejałem tylko kilka sztuk na raz i pozwalałem im wyschnąć ze względu na ograniczoną liczbę zacisków i trudność w utrzymaniu wszystkiego w porządku. Odkryłem, że pomogło mi ułożyć wszystko płasko na płaskiej powierzchni i zacisnąć zaciski na tyle, abym nadal mógł bawić się pozycjonowaniem bez przewracania się wszystkich elementów. Gdy elementy znalazły się na swoim miejscu, całkowicie zacisnąłem zaciski. Kiedy rama była w pełni zmontowana, była o wiele mocniejsza, niż się spodziewałem, ze względu na liczbę różnych połączeń klejonych. Jeśli chcesz mocniejszy wyświetlacz, możesz użyć małych śrub lub wyciętych szczelin, aby dopasować elementy do siebie.

Uwaga: Przy sklejaniu takiej struktury pomaga mieć jak najwięcej zacisków. Być może będziesz w stanie pożyczyć niektóre od znajomych lub znaleźć je tanio z drugiej ręki.

Krok 5: Granice

Aby wyświetlacz wyglądał nieco ładniej do zawieszenia na ścianie, postanowiłem go oprawić. Przyniosłem ozdobną listwę (rodzaj drewna profilowanego, z którego wykonuje się ramki do zdjęć) i drewno przykleiłem je do boków wyświetlacza, upewniając się, że jest zamocowany na miejscu, gdy klej wysycha. Trudną częścią tego było przycięcie pod kątem 45 stopni w listwie, aby rogi ładnie do siebie pasowały. Moja metoda polegała na złożeniu kawałka papieru A4 z krótkiej krawędzi na dłuższą, aby uzyskać kąt 45 stopni i użyć tego do narysowania linii na spodzie (płaskiej stronie) listwy. Aby ustawić listwy w jednej linii, zmierz długość boku wyświetlacza, na którym zakładasz listwę i zaznacz wewnętrzną krawędź listwy o tej długości. Upewnij się, że zaczynasz około 30 mm i zaznaczasz również punkt początkowy. Linie 45 stopni następnie wychodzą na zewnątrz od dwóch zaznaczonych punktów.

Krok 6: Tylny i przedni panel

Poparcie

Wyświetlacz potrzebuje podkładu, aby diody LED miały coś do odbicia, aby wyświetlacz był bezpieczniejszy i ukrył wszystkie przewody, które będą tam z powrotem. Do wykonania podkładu użyłem dwóch arkuszy MDF 1200x600x4,5mm. Umieściłem arkusze MDF na płaskiej powierzchni w orientacji poziomej tuż obok siebie i położyłem na nich ramę wyświetlacza. Przesunąłem ramę, aż szew został ukryty przez jedną z pionowych desek ramy. Następnie narysowałem ołówkiem po zewnętrznej stronie wyświetlacza na płycie MDF i wyciąłem ją za pomocą piły. Odwróciłem wyświetlacz do góry nogami i przykleiłem tył wyświetlacza klejem do drewna. Podłoże pokryłem ciężkimi przedmiotami, aby nie podnosił się lub nie przesuwał podczas suszenia.

Otwory podkładowe

Podłoże wymaga otworów w każdej komórce, przez które mogą przejść przewody diod LED. Do wywiercenia dwóch otworów w każdej komórce użyłem wiertarki akumulatorowej i wiertła 6 mm. Po jednym otworze w każdym górnym rogu. Dzięki otworom i przewodom w górnych rogach są one trudniejsze do zauważenia podczas patrzenia na wyświetlacz.

Przedni panel

Chciałem, aby wyświetlacz był bardziej prostokątny, więc umieściłem kawałek 4,5 mm MDF pod ramą i narysowałem nieregularny kształt komórki 16x3 na MDF. Następnie wyciąłem kształt piłą i przykleiłem go do ramy klejem do drewna.

Karty

Wyciąłem małe kwadraty MDF z odciętym 1 rogiem, aby przykleić go, aby utrzymać przedni panel i rama trochę bezpieczniej. (Zdjęcia tych zakładek można zobaczyć w dziale elektronika).

Krok 7: Wykończenie szlifów

Obraz

To była trudna decyzja, czy bejcować drewno, czy je malować. W końcu pomalowałem cały wyświetlacz na biało tanią farbą akrylową. Zdecydowałem, że biel ładnie odbije oświetlenie LED i naprawdę rozświetli komórki. Zdecydowanie wyszło na moją korzyść!

Litery wycinane laserowo

Niedawno miałem szczęście, że miałem dostęp do wycinarki laserowej, która wycinała niestandardowe czarne akrylowe litery na wyświetlaczu. Myślę, że to naprawdę dopełnia estetykę wyświetlacza. Zanim miałem dostęp do wycinarki laserowej, myślałem o zakupie jakiegoś taniego drewnianego napisu i pomalowaniu go. (Znajdź plik, którego użyłem w załączeniu).

Krok 8: Elektronika - planowanie

diody LED

Użyłem diod LED WS2812B ze względu na ich łatwość okablowania i kodowania. Początkowo planowałem konfigurację zmultipleksowanych diod LED i rejestrów przesuwnych. WS2812B znacznie ułatwiają życie! Nawet jeśli nie budujesz wyświetlacza, polecam bawić się tymi diodami LED, ponieważ są niesamowite (i tanie od Ali Express)!

Moc

Do wyświetlacza użyłem 90 diod LED WS2812B. Każda dioda LED ma 3 kolory (czerwony, zielony i niebieski), z których każdy pobiera do 20 mA przy pełnej jasności. Jeśli wszystkie 3 kolory mają maksymalną jasność, dioda LED będzie pobierać prąd do 60mA.

60mA x 90 diod = 5400mA (5,4A)

Znalazłem tani zasilacz 5 V na Ali Express, który może dostarczyć 4A, więc go przyniosłem. Ten zasilacz wystarczy, o ile nie będę miał jednocześnie zbyt wielu diod na pełnej jasności. Miałem problem z migoczącymi diodami LED, ale był to głównie spowodowany spadkiem napięcia (co wyjaśnię później). Zalecałbym obliczenie maksymalnego poboru prądu tak jak ja i zakup zasilacza o co najmniej tej wartości.

Diody LED WS2812B działają na 5V, więc upewnij się, że masz zasilanie 5V.

Bluetooth

Chciałem, żeby wyświetlacz był interaktywny. Najprostszym sposobem na to była łączność Bluetooth z aplikacją na telefon. Moduł Bluetooth HC05 jest łatwy w użyciu. Traktujesz to po prostu jako połączenie szeregowe.

Krok 9: Elektronika

Mapa połączeń

Przeczytaj połączenia z obrazu schematu połączeń lub napisane poniżej:

(Arduino) D9 - DIN (Początek łańcucha LED)

(Arduino) GND - GND (zasilanie)

(Arduino) +5V - +5V (zasilanie)

(Arduino) TX - Rezystor 1K - Rezystor 2K - GND (zasilanie)

Punkt środkowy dwóch rezystorów - RX (moduł Bluetooth)

(Arduino) RX - TX (moduł Bluetooth)

(Zasilanie) +5V - +5V (Początek łańcucha LED)

(Zasilanie) GND - GND (Początek łańcucha LED)

(zasilanie) +5V - +5V (moduł Bluetooth)

(Zasilanie) GND - GND (moduł Bluetooth)

Okablowanie diod LED

Okablowanie diod LED WS2812B jest dość proste, ale jest ich DUŻO! Jest 90 diod LED, każda po 6 połączeń lutowanych. To 540 połączeń lutowanych! Przyniosłem WS2812B na małych okrągłych płytkach drukowanych, co było nieco irytujące, ponieważ musiałem przykleić je na gorąco do górnej części każdej półki. Polecam zakup taśm LED WS2812B, które połączyłem w sekcji „Czego potrzebujesz”, ponieważ mają już lepki podkład i mają większą powierzchnię, dzięki czemu łatwiej się z nimi pracuje. Jeśli zdecydujesz się na paski, każdą diodę LED należy wyciąć, przecinając linie między polami stykowymi.

Każdy WS2812B ma 6 połączeń. 2 +5V, 2 GND, DIN i DOUT. DIN i DOUT oznaczają wejście i wyjście danych. Przewód danych musi przejść od poprzedniej diody LED DOUT do następnej diody DIN. Przewody zasilania i uziemienia podążają za tym, aż wszystkie diody LED zostaną połączone razem w łańcuch. Schemat okablowania przedstawia sposób podłączenia diod LED, jeśli moje wyjaśnienie nie miało sensu!

Uwaga: Diody LED mają na sobie strzałkę, która informuje, w jakim kierunku muszą być zwrócone w łańcuchu. To dobry wskaźnik, a nie tylko patrzenie na DIN i DOUT.

Diody przykleiłem na gorąco do górnej części każdej półki zwróconej w kierunku pokazanym na schemacie „Rozmieszczenie diod LED”.

Ponownie, zgodnie ze schematem „układu diod LED”, przeciąłem przewody, które sięgały między każdą diodą LED w łańcuchu przez otwory wywiercone w podłożu MDF. Użyłem innego koloru przewodu dla linii +5V, GND i Data, aby upewnić się, że nie ma wątpliwości, który przewód zostanie przylutowany do której diody LED. Musiałem rozebrać każdy drut za pomocą ściągacza do drutu przed lutowaniem ich razem, jak opisano w 3 akapitach powyżej.

Okablowanie zasilania

OSTRZEŻENIE: ZASILANIE SIECIOWE MOŻE ZABIĆ. ZACHOWAJ OSTROŻNOŚĆ PRZY PODŁĄCZENIU ZASILANIA LUB KUP ZASILACZ Z JUŻ PODŁĄCZONYM PRZEWODEM.

Zasilacz, który przyniosłem, nie miał podłączonego kabla sieciowego. Znalazłem kabel zasilający z lokalnego sklepu z artykułami używanymi w moim kraju. Zasilacz, który połączyłem w "Czego potrzebujesz", jest przeznaczony do wejścia 110/240 V, więc powinien działać w większości krajów.

UWAGA: KOLOROWE PRZEWODY SIECIOWE PONIŻEJ MOGĄ BYĆ RÓŻNE W RÓŻNYCH KRAJACH.

Zdjąłem kabel zasilający, aby odsłonić 3 kolorowe przewody. Zielony dla ziemi, niebieski dla neutralnego i brązowy dla fazy. Podłączyłem te przewody do zacisków śrubowych zasilacza.

(Przewód) Zielony -> GND (Zasilanie)

(Przewód) Niebieski -> N (Zasilanie)

(Drut) Brązowy -> L (Zasilanie)

UWAGA: JEŚLI PRÓBUJESZ OKABLOWANIE SIECI - ZOBACZ SWOJE LOKALNE KODOWANIE KOLORÓW.

Moduł Arduino i Bluetooth

Do przylutowania komponentów użyłem płytki prototypowej. Umieściłem Arduino Nano w dwóch paskach żeńskich nagłówków pinów przyciętych na wymiar, a następnie wsunąłem nagłówki Arduino do płytki prototypowej. Następnie od spodu przylutowałem nagłówki do płytki prototypowej. Dzięki temu możemy mieć wymienne Arduino do programowania. Właściwie użyłem terminala Arduino nano do mojego wyświetlacza, ale użyłbym nagłówków, gdybym zrobił to ponownie.

To samo zrobiłem z modułem Bluetooth, ale bez nagłówków (nie musi być wymienny).

Zaciski śrubowe zostały wlutowane, aby ułatwić połączenie z łańcuchem diod LED i zasilaczem (okablowanie nadal jest takie samo jak na schemacie, ale przewody zasilające i przewody łańcucha diod LED są poprzecinane zaciskiem śrubowym).

Moduł Bluetooth, Arduino, zasilacz i początkowy koniec łańcucha LED zostały następnie zlutowane razem z przyciętymi na wymiar i odizolowanymi przewodami zgodnie ze schematem elektrycznym.

Zabezpieczenie elektroniki

Płytka prototypowa i zasilacz zostały następnie przymocowane z tyłu układu okresowego pierwiastków za pomocą gorącego kleju.

Krok 10: Kod

Starałem się skomentować opisowo i uczynić kod łatwym do naśladowania.

Oto krótki opis tego, jak to działa:

Definicje

Górna część kodu jest wypełniona tablicami do przechowywania informacji o układzie okresowym pierwiastków i konwersji między sposobem ułożenia łańcucha diod LED a tym, jak powinny być zorganizowane elementy.

Bluetooth

Jedynym kodem w pętli jest kod do odczytu danych z połączenia szeregowego (do którego jest podłączony moduł Bluetooth) i wywołania funkcji, która decyduje, co zrobić z otrzymywanymi poleceniami.

Polecenia

Większość poleceń to tylko pojedyncze słowa. Niektóre mają prefiks i sufiks, na przykład: select23 włączy element 23. Istnieje funkcja, która działa, jeśli dane polecenie ma prefiks i zwraca jego sufiks, jeśli tak.

Funkcje

Każda animacja lub funkcjonalność jest w funkcji. Zobaczysz, że jest ich sporo, jeśli spojrzysz na kod! Gdy funkcje są wywoływane z poprawnymi parametrami, wyświetlacz zapala się i robi rzeczy!

Zasoby

Oparłem mój kod połączenia Bluetooth na tym samouczku: samouczek Bluetooth i Arduino

Bibliotekę FastLED do sterowania WS2812B można pobrać tutaj: Biblioteka FastLED

Informacje o tym, jak korzystać z biblioteki FastLED można znaleźć tutaj: Informacje o FastLED

Krok 11: Aplikacja telefonu

MIT App Inventor to świetne narzędzie online, które ułatwia tworzenie aplikacji na Androida. Istnieje wiele sposobów wyświetlania Twojej aplikacji podczas jej tworzenia, aby upewnić się, że jest poprawna. Wykorzystuje łatwe do nauczenia się programowania blokowego.

Głównym powodem, dla którego kocham App Inventor, jest to, że może używać mojego telefonu Bluetooth do łączenia się z Arduino z modułem Bluetooth!

Istnieje wiele samouczków, od których można zacząć. Oto świetna instrukcja dla App Inventor z Arduino.

Moja dziewczyna przyczyniła się do tego, tworząc aplikację służącą do sterowania wyświetlaczem. Istnieje przeszukiwalna lista do wyboru pojedynczych elementów, suwaki dla funkcji temperatury i daty oraz przyciski dla wszystkiego innego. Posiada również przewijane górne menu!

Plik App Inventor jest dołączony, jeśli chcesz go obejrzeć. Pamiętaj, że wciąż pracujemy nad kilkoma błędami.

Krok 12: Wskazówki

Oto kilka wskazówek dotyczących każdego projektu elektronicznego w ogóle

Za każdym razem, gdy tworzysz złożony projekt z wieloma wzajemnie oddziałującymi częściami, zacznij od małych pojedynczych komponentów.

W przypadku wyświetlacza zacząłem od wykonania samouczka, aby podłączyć moduł Bluetooth do Arduino i wysłać dane za pomocą gotowej aplikacji terminala Bluetooth.

Po sprawdzeniu, że diody LED WS2812B działają samodzielnie, podłączyłem je, a następnie dodałem moduł Bluetooth.

Po dodaniu kilku różnych funkcji moja dziewczyna zrobiła mi aplikację z App Inventor 2, aby automatycznie wysyłać polecenia po naciśnięciu przycisków.

Nie rób wszystkiego na raz. Zacznij od małych rzeczy, a potem buduj duże.

Migotanie diod LED

Miałem duży problem z migotaniem diod, gdy zrobiłem zbyt wiele diod białych jednocześnie.

Czy to dlatego, że mój zasilacz był niedoceniany pod względem liczby diod LED? Prawdopodobnie. Ale innym czynnikiem przyczyniającym się do tego jest spadek napięcia na kablach na duże odległości.

Aby naprawić spadek napięcia podłączyłem zasilanie +5V i GND bezpośrednio do końca i środka łańcucha LED. To rozwiązało mój problem.

Zwróć uwagę, że tylko przewody +5V i GND powinny być podłączone do końca i do środka. Zawsze powinien być tylko 1 przewód danych łączący łańcuch.

Cięcie i napełnianie

Zachowaj ostrożność podczas cięcia kawałków, aby uzyskać dokładne cięcia. Piła ukosowa z blokadą prawdopodobnie pomogłaby w stertach małych kawałków. Moje cięcia nie były idealne, co prowadziło do powstawania luk, co prowadziło do dużej ilości szpachlowania i szlifowania drewna.

Dziękujemy za przeczytanie, mam nadzieję, że podobał Ci się ten proces