Kostka LED DIY: 7 kroków

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:31

LED Cube to nic innego jak trójwymiarowa tablica diod LED, które świecą w różnych formach i wzorach. To ciekawy projekt, który pozwoli Ci nauczyć się lub udoskonalić swoje umiejętności w zakresie lutowania, projektowania obwodów, drukowania 3D i programowania. Chociaż chciałbym zbudować kostkę RGB, myślę, że najpierw zacznę od prostej, jednokolorowej kostki ledowej, aby zdobyć doświadczenie.

Byłem pod wrażeniem i zainspirował mnie projekt Char z Instructables, powinieneś to sprawdzić, jeśli masz czas.

Zamierzam skonstruować kostkę led 8x8x8, która jest niczym innym jak 8 rzędami, 8 kolumnami i 8 warstwami diod. To w sumie 512 diod LED. Teraz najważniejszą pozycją jest dioda LED, wybierz najmniejszy rozmiar, aby kostka była zwarta. Ponadto lepiej jest umieścić rozproszone diody LED nad półprzezroczystymi, ponieważ półprzezroczyste rozpraszają światło i nie są zbyt atrakcyjne.

Krok 1: Wymagane komponenty

diody LED - 512 szt.

Rezystory 1k, 220E - kilka

Przełącznik dotykowy - 1 szt

Włącznik wciskany - 1 szt

Nagłówki M/F - Niewiele

Arduino Pro Mini - 1 szt.

Kondensatory 0,1 uF - 9 szt.

Płyta perforowana (15cm x 15cm) - 2szt

LED - 1 szt.

74HC594-8 szt

Tranzystor 2N2222 - 16 szt

74LS138D - 1 szt

Gniazda IC 20 pin - 9 szt.

Gniazda IC 16 pin - 1 szt.

Kable wstążkowe - 5 metrów

Programista UART

RPS

Dostęp do drukarki 3D

Krok 2: Montaż konstrukcji kostki LED

Kupiłem paczkę 1000 diod rozproszonych, z których będę używał 512. Teraz musimy mieć możliwość niezależnego sterowania każdą z diod, tylko wtedy możemy tworzyć ciekawe wzory.

Zamierzam użyć płytki Arduino Pro Mini do sterowania diodami LED, ale ta płytka ma tylko 21 pinów do sterowania diodami LED. Ale mogę użyć multipleksera do sterowania wszystkimi 512 diodami LED przez 21 pinów.

Zanim przejdziemy do projektowania układu sterownika, zbudujmy konstrukcję kostki LED. Bardzo ważne jest, aby uzyskać odpowiednią symetrię, aby kostka wyglądała dobrze, więc najpierw przygotujmy koncert, który pomoże nam zachować symetrię.

Zamierzam wydrukować w 3D podstawę o wymiarach 120x120x2mm do budowy sześcianu. Użyję tego do stworzenia każdej warstwy diod LED, która będzie miała około 64 diody LED na warstwę. Teraz muszę równomiernie rozmieścić diody LED na całej planszy. Ponieważ katoda ma około 17 mm, pozostawiając 2 mm do lutowania, rozstawię otwory o 15 mm. Zacznijmy druk 3d.

Najpierw ustawiam diody w rzędzie i zwieram katodę. Podobnie zamierzam ustawić 8 rzędów diod LED ze zwartymi katodami. Po zakończeniu mam 1 pin katody i 64 piny anody, co tworzy 1 warstwę.

Ułożenie 8 takich warstw jedna na drugiej spowoduje, że będzie ona niestabilna, a konstrukcja odkształci się. Więc dam mu dodatkowe wsparcie. Sposobów na to jest sporo, a jednym z nich jest użycie posrebrzanego drutu miedzianego, ale ponieważ nie mam tego przy sobie, wypróbuję prymitywną metodę. Rozciąganie drutu lutowniczego usztywnia go, więc użyję go do podparcia. Zastosuj trochę lutowania na kołkach katody przed użyciem drutu jako podparcia. Miejmy nadzieję, że użycie go w środku i po bokach powinno dać sześcianowi potrzebną siłę. Będziemy potrzebować około 16 przewodów i bardzo ważne jest, abyśmy wykonali tę część prawidłowo.

Zamierzam wyprostować piny anodowe, aby były symetryczne.

Czasami diody LED mogą ulec uszkodzeniu z powodu ciepła lutowania, dlatego lepiej sprawdzać je po wykonaniu każdej warstwy. Po zakończeniu warstwy można montować jedna na drugiej i tym razem można przylutować szpilki anodowe. Ostatecznie powinieneś mieć 64 piny anodowe i jeden pin katody na warstwę. Czyli z tymi 64+8=72 pinami powinniśmy być w stanie sterować każdą z diod w tej kostce.

Teraz potrzebujemy konstrukcji wsporczej do montażu warstw jedna na drugiej.

Popełniłem błąd. Byłem trochę zbyt entuzjastyczny i nie sprawdzałem, czy styki anody są ze sobą zrównane. Powinienem był wygiąć szpilki anody o 2 mm, aby każdą warstwę można było zlutować ze sobą i można było utworzyć linię prostą. Skoro tego nie zrobiłem, będę musiał ręcznie zagiąć wszystkie piny, które wlutowałem i to może w końcu wpłynąć na moją symetrię. Ale kiedy ją konstruujesz, uważaj, aby nie popełnić tego samego błędu. Teraz konstrukcja jest zakończona, będziemy musieli popracować nad obwodem sterownika.

Krok 3: Obwód sterownika - zmniejsz liczbę styków

Jak wspomniałem na początku, będziemy potrzebować 72 pinów IO z kontrolera, ale to luksus, na który nie możemy sobie pozwolić. Zbudujmy więc obwód multipleksujący i zmniejszmy liczbę pinów. Spójrzmy na przykład, weźmy flip-flop IC. To jest flip-flop typu D, w tym momencie nie martwmy się o szczegóły techniczne. Podstawowym zadaniem układu scalonego jest zapamiętanie 8 pinów, z których 2 służą do zasilania, D0 – D7 to piny wejściowe do odbierania danych, a Q0 – Q7 to piny wyjściowe do wysyłania przetworzonych danych. Pin włączania wyjścia jest aktywnym niskim pinem, tj. tylko wtedy, gdy ustawimy go na 0, dane wejściowe pojawią się na pinach wyjściowych. Jest też szpilka zegarowa, zobaczmy, dlaczego jej potrzebujemy.

Teraz naprawiłem układ scalony na płytce stykowej i ustawiłem wartości wejściowe na 10101010 z 8 diodami LED podłączonymi do wyjścia. Teraz diody LED są włączone lub wyłączone w zależności od wejścia. Pozwól, że zmienię dane wejściowe na 10101011 i sprawdzę dane wyjściowe. Nie widzę żadnej zmiany na diodach LED. Ale kiedy wysyłam impuls od niskiego do wysokiego przez pin zegara, wyjście zmienia się w zależności od nowego wejścia.

Zamierzamy wykorzystać tę koncepcję do opracowania naszej płytki drukowanej sterownika. Ale nasz układ scalony może zapamiętać tylko 8 danych pinów wejściowych, więc użyjemy łącznie 8 takich układów scalonych do obsługi 64 wejść.

Krok 4: Projekt obwodu sterownika

Zaczynam od multipleksowania wszystkich pinów wejściowych układu scalonego do 8 pinów danych mikrokontrolera. Sztuczka polega na podzieleniu 64-bitowych danych z 8 pinów na 8 bitów danych.

Teraz, kiedy przekażę 8 bitów danych do pierwszego układu scalonego, a następnie sygnał impulsu od niskiego do wysokiego w pinie zegara, zobaczę dane wejściowe odzwierciedlone w pinach wyjściowych. Podobnie, wysyłając 8 bitów danych do pozostałych układów scalonych i kontrolując piny zegara, mogę wysłać 64 bity danych do wszystkich układów scalonych. Teraz inny problem to brak pinów zegara w sterowniku. Więc mam zamiar użyć 3 do 8-liniowego dekodera IC do multipleksowania kontroli pinów zegara. Używając 3 pinów adresowych w dekoderze w połączeniu z mikrokontrolerem mogę sterować 8 pinami wyjściowymi dekodera. Te 8 pinów wyjściowych należy podłączyć do pinów zegara w układach scalonych. Teraz musimy zewrzeć wszystkie piny włączania wyjścia i podłączyć do pinu w mikrokontrolerze, dzięki temu powinniśmy być w stanie włączyć lub wyłączyć wszystkie diody LED.

To, co do tej pory robiliśmy, dotyczy tylko jednej warstwy, teraz musimy rozszerzyć funkcjonalność na inne warstwy poprzez programowanie. Jedna dioda LED pobiera około 15mA prądu, więc idąc dalej, będziemy potrzebować około 1 Amp prądu na pojedynczą warstwę. Teraz płytka Arduino pro mini może dostarczać lub pobierać tylko do 200 mA prądu. Ponieważ nasz prąd przełączania jest zbyt duży, będziemy musieli użyć BJT lub MOSFET do sterowania warstwą diod LED. Nie mam wielu tranzystorów MOSFET, ale mam kilka tranzystorów NPN i PNP. Teoretycznie być może będziemy musieli przełączyć do 1 ampera prądu na warstwę. Z tranzystorów, które otrzymałem, najwyższy może przełączać tylko około 800mA prądu, tranzystor 2N22222.

Weźmy więc 2 tranzystory i zwiększmy ich wydajność prądową łącząc je równolegle. Wiele osób stosujących tę metodę używa tylko podstawowego rezystora ograniczającego, ale problem polega na tym, że zmiana temperatury powoduje, że prąd płynący przez tranzystory staje się niezrównoważony i powoduje problemy ze stabilnością. Aby złagodzić problem, możemy zastosować podobne 2 rezystory w emiterze, aby regulować prąd nawet przy zmianach temperatury. Ta koncepcja nazywa się degeneracją emitera. Rezystor emiterowy zapewnia rodzaj sprzężenia zwrotnego, aby ustabilizować wzmocnienie tranzystora.

Po prostu użyję rezystorów tylko w bazie. Może to spowodować problemy w przyszłości, ale ponieważ jest to tylko prototyp, zajmę się tym później.

Krok 5: Lutowanie komponentów

Teraz złóżmy obwód na płycie perforowanej. Zacznijmy od układów scalonych flipflop i użyj do tego celu uchwytu na układ scalony. Zawsze zaczynaj od pierwszego i ostatniego pinu, sprawdź stabilność, a następnie przylutuj pozostałe piny. Użyjmy też męskiego nagłówka, aby podłączyć i grać rezystory ograniczające prąd i podłączyć do Cube. Teraz podłącz kondensatory odsprzęgające układu scalonego blisko styków zasilacza układu scalonego.

Następnie popracujmy nad mikrokontrolerem. Aby było to plug and play, użyjmy uchwytu i podłączmy najpierw żeńskie piny, a następnie umieśćmy mikrokontroler.

Czas popracować nad tranzystorami. Do połączenia z bazą tranzystorów potrzeba 16 rezystorów 1 kΩ. Aby utrzymać wspólne piny katodowe kostki LED w domyślnym stanie logicznym, użyję rezystora zip 8 kΩ, który zawiera 8 rezystorów. Na koniec popracujmy nad dekoderem adresu IC. Teraz obwód jest gotowy, podobnie jak projekt obwodu.

Krok 6: Drukowanie 3D

Potrzebujemy obudowy na płytkę drukowaną i kostkę ledową, więc użyjmy drukowanej w 3D. Podzielę go na 3 części dla ułatwienia montażu.

Najpierw płyta podstawowa do przytrzymywania konstrukcji ledowej. Po drugie, centralny korpus elektroniki. Po trzecie, wieczko do zamykania obudowy.

Krok 7: Podsumowanie

Zacznijmy od zamontowania konstrukcji ledowej. Możesz wcisnąć szpilki przez otwory i bezpośrednio przylutować do płytki drukowanej, ale dla zachowania stabilności najpierw użyję płytki perf, a następnie przylutuję ją do obwodu. Używam kabla taśmowego do lutowania do diod LED, a następnie podłączam drugi koniec do odpowiednich pinów wyjściowych układów przerzutnika.

Aby połączyć się między warstwami tranzystora i kostki LED, musimy mieć niezależne piny do połączenia z pinami katody. Przed włączeniem ważne jest, aby sprawdzić ciągłość i napięcie między punktami. Gdy wszystko jest w porządku, układy scalone można podłączyć, a następnie włączyć. Ponownie dobrze jest sprawdzić, czy wszystkie diody LED świecą, podłączając go bezpośrednio do zasilania przed podłączeniem go przez obwód. Jeśli wszystko okaże się dobre, kable led można podłączyć do odpowiednich punktów flip-flop.

Zróbmy trochę porządków – odłączmy kabel do programowania mikrokontrolera, przetnijmy wystające piny itp. Teraz podłączmy kabel do programowania do korpusu obudowy, naprawmy diodę statusu, włącznik zasilania i wreszcie włącznik resetu. Jesteśmy blisko jej ukończenia, więc złóżmy 3 części. Zacznij od podstawy LED do korpusu, a gdy kable są dobrze osadzone, zamknij pokrywę na dole.

Pobierz kod do Arduino Pro Mini i gotowe!

Podziękowania dla Chr https://www.instructables.com/id/Led-Cube-8x8x8/ za jego doskonałą instrukcję i kod.