DIY LED kocka: 7 krokov

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:59

LED Cube nie je nič iné ako 3-dimenzionálne pole LED diód, ktoré sa rozsvietia v rôznych formách a vzoroch. Je to zaujímavý projekt, v ktorom sa naučíte alebo sa lepšie zdokonalíte v oblasti spájkovania, navrhovania obvodov, 3D tlače a programovania. Aj keď by som chcel zostrojiť RGB kocku, myslím, že na začiatku získam skúsenosti jednoduchou jednofarebnou LED kockou.

Bol som ohromený a inšpirovaný Charovým projektom z Instructables, mali by ste sa na to pozrieť, ak máte čas.

Idem zostrojiť LED kocku 8x8x8, čo nie je nič iné ako 8 radov, 8 stĺpcov a 8 vrstiev LED diód. To je spolu 512 LED diód. Teraz je najdôležitejšou položkou LED, vyberte najmenšiu veľkosť, aby bola kocka kompaktná. Tiež je lepšie dostať rozptýlené LED diódy na priesvitné, pretože priesvitné rozptyľujú svetlo a nie sú veľmi príťažlivé.

Krok 1: Potrebné súčasti

LED diódy - 512 ks

Rezistory 1k, 220E - málo

Hmatový spínač - 1 ks

Vypínač Push to ON - 1 ks

Hlavičky M/F - málo

Arduino Pro Mini - 1 kus

Kondenzátory 0,1uF - 9pc

Perfboard (15 cm x 15 cm) - 2 kusy

LED - 1 kus

74HC594 - 8 ks

2N2222 tranzistor - 16ks

74LS138D - 1 kus

IC zásuvky 20 pinov - 9 ks

Integrované obvody 16 pinov - 1 kus

Pásové káble - 5 metrov

Programátor UART

RPS

Prístup k 3D tlačiarni

Krok 2: Zostavenie štruktúry LED kocky

Zobral som balíček 1000 rozptýlených LED diód, z ktorých budem používať 512. Teraz musíme byť schopní ovládať každú z LED diód nezávisle, až potom môžeme vytvárať zaujímavé vzory.

Na ovládanie LED diód použijem dosku Arduino Pro Mini, ale táto doska má iba 21 pinov na ovládanie LED diód. Ale môžem použiť multiplexor na pohon všetkých 512 LED diód cez 21 pinov.

Predtým, ako sa dostaneme k návrhu obvodu vodiča, postavme si štruktúru pre LED kocku. Je veľmi dôležité, aby sme spravili symetriu, aby kocka vyzerala dobre, a tak si najskôr pripravme koncert, ktorý nám pomôže udržať symetriu.

Chystám sa vytlačiť 3D základňu 120x120x2mm na stavbu kocky. Použijem to na vytvorenie každej vrstvy LED diód, čo bude asi 64 LED na vrstvu. Teraz musím LED diódy rovnomerne rozložiť po celej doske. Pretože katóda má asi 17 mm, pričom 2 mm ponechám na spájkovanie, otvorím otvory 15 mm od seba. Začnime s 3D tlačou.

Najprv usporiadam LED diódy v rade a skratujem katódu. Podobne pripravím 8 radov diód LED so skratovanými katódami. Po dokončení mám 1 katódový kolík a 64 anódových kolíkov, čo tvorí 1 vrstvu.

Ak na seba umiestnite 8 takýchto vrstiev, bude to nestabilné a štruktúra sa zdeformuje. Poskytnem jej preto ďalšiu podporu. Existuje niekoľko spôsobov, ako to urobiť, a jedným z nich je použitie postriebreného medeného drôtu, ale keďže to nemám pri sebe, vyskúšam surovú metódu. Natiahnutie spájkovacieho drôtu ho spevní, takže ho použijem na podporu. Pred použitím drôtu na poskytnutie podpory naneste na spájkovacie hroty katódu. Našťastie jeho použitie v strede a po stranách by malo dať kocke potrebnú silu. Budeme potrebovať asi 16 drôtov a je veľmi dôležité, aby sme túto časť správne uviedli.

Narovnám anódové kolíky, aby boli symetrické.

LED diódy sa môžu niekedy poškodiť v dôsledku spájkovacieho tepla, takže je lepšie ich skontrolovať po konštrukcii každej vrstvy. Keď sú vrstvy hotové, vrstvy je možné zostaviť na seba a tentoraz je možné spájkovať anódové kolíky. Nakoniec by ste mali mať 64 anódových kolíkov a jeden katódový kolík na vrstvu. Takže s týmito 64 + 8 = 72 pinmi by sme mali byť schopní ovládať každú z LED v tejto kocke.

Teraz potrebujeme nosnú konštrukciu na zostavenie vrstiev nad sebou.

Urobil som chybu. Bol som príliš nadšený a nekontroloval som, či sú anódové kolíky navzájom zarovnané. Mal som ohnúť anódové kolíky o 2 mm, aby sa každá vrstva dala navzájom spájkovať a vytvorila sa rovná čiara. Keďže som to neurobil, budem musieť všetky kolíky, ktoré som spájkoval, ručne ohnúť a to by mohlo v konečnom dôsledku ovplyvniť moju symetriu. Keď to však skonštruujete, dávajte pozor, aby ste neurobili rovnakú chybu. Teraz je stavba dokončená, budeme musieť zapracovať na obvode vodiča.

Krok 3: Obvod vodiča - znížte počet pinov

Ako som už spomenul na začiatku, budeme potrebovať 72 IO pinov z ovládača, ale to je luxus, ktorý si nemôžeme dovoliť. Postavme teda multiplexný obvod a znížme počet pinov. Pozrime sa na príklad, vezmime si klopný obvod IC. Toto je klopný obvod typu D, v tomto bode si nerobme starosti s technickými údajmi. Základnou úlohou IC je zapamätať si 8 pinov, z ktorých 2 slúžia na napájanie, D0 - D7 sú vstupné piny na príjem údajov a Q0 - Q7 sú výstupné piny na odosielanie spracovaných údajov. Pin na povolenie výstupu je aktívny nízky pin, t. J. Iba vtedy, keď nastavíme hodnotu 0, sa vstupné údaje zobrazia na výstupných kolíkoch. Existuje aj hodinový kolík, pozrime sa, prečo ho potrebujeme.

Teraz som integroval IC na dosku a nastavil som vstupné hodnoty na 10101010 s 8 LED diódami pripojenými k výstupu. LED diódy sú teraz zapnuté alebo vypnuté na základe vstupu. Dovoľte mi zmeniť vstup na 10101011 a skontrolovať výstup. Na LED diódach nevidím žiadnu zmenu. Ale keď pošlem nízky až vysoký impulz cez hodinový kolík, výstup sa zmení na základe nového vstupu.

Tento koncept použijeme na vývoj našej dosky plošných spojov vodiča. Náš integrovaný obvod si však dokáže zapamätať iba 8 údajov vstupných pinov, takže použijeme celkovo 8 takýchto integrovaných obvodov na podporu 64 vstupov.

Krok 4: Návrh obvodu vodiča

Začnem multiplexovaním všetkých vstupných pinov IC na 8 dátových pinov mikrokontroléra. Ide o to, rozdeliť 64-bitové údaje z 8 pinov na 8 bitov údajov.

Teraz, keď odovzdám 8 bitov údajov prvému integrovanému obvodu, po ktorom nasleduje signál nízkeho až vysokého impulzu v hodinovom pine, uvidím, že sa vstupné údaje odrážajú na výstupných kolíkoch. Podobne odoslaním 8 bitov údajov do zvyšných integrovaných obvodov a ovládaním hodinových kolíkov môžem odoslať 64 bitov údajov do všetkých integrovaných obvodov. Ďalším problémom je nedostatok hodinových kolíkov v ovládači. Budem teda používať 3 až 8 riadkový dekodér IC na multiplexovanie ovládacích prvkov hodinového kolíka. Pomocou 3 adresných pinov v dekodéri v kombinácii s mikrokontrolérom môžem ovládať 8 výstupných pinov dekodéra. Týchto 8 výstupných pinov musí byť spojených s hodinovými pinmi v integrovaných obvodoch. Teraz musíme skratovať všetky kolíky umožňujúce výstup a pripojiť sa k kolíku na mikrokontroléri, pomocou ktorého by sme mali byť schopní zapnúť alebo vypnúť všetky diódy LED.

To, čo sme doteraz urobili, je len pre jednu vrstvu, teraz musíme rozšíriť funkčnosť o ďalšie vrstvy prostredníctvom programovania. Jedna LED spotrebuje asi 15 mA prúdu, takže pri tomto čísle budeme potrebovať asi 1 A prúd pre jednu vrstvu. Teraz môže doska Arduino pro mini získavať alebo absorbovať prúd iba do 200 mA. Pretože je náš spínací prúd príliš veľký, budeme musieť na ovládanie vrstvy diód LED použiť BJT alebo MOSFET. Nemám veľa MOSFETov, ale mám niekoľko tranzistorov NPN a PNP. Teoreticky možno budeme musieť prepnúť až 1 ampér prúdu na vrstvu. Z tranzistorov, ktoré som dostal, najvyšší dokáže prepnúť iba asi 800mA prúdu, tranzistor 2N22222.

Zoberme si teda 2 tranzistory a zvýšime ich súčasnú schopnosť ich paralelným zapojením. Mnoho ľudí, ktorí prijmú túto metódu, používa iba základný limitný odpor, ale problémom je, že pri zmenách teploty sa prúd cez tranzistory stáva nevyváženým a spôsobuje problémy so stabilitou. Na zmiernenie problému môžeme použiť podobné 2 odpory v vysielači aj na reguláciu prúdu, aj keď sa teplota zmení. Tento koncept sa nazýva degenerácia žiariča. Rezistor emitora poskytuje určitý druh spätnej väzby na stabilizáciu zosilnenia tranzistora.

Budem používať rezistory iba v základni. V budúcnosti to môže spôsobiť problémy, ale keďže ide iba o prototyp, budem to riešiť neskôr.

Krok 5: Spájkovanie komponentov

Teraz zostavme obvod na perfboarde. Začnime s integrovanými obvodmi flipflop a na tento účel použijeme držiak IC. Vždy začnite prvým a posledným kolíkom, skontrolujte stabilitu a potom spájkujte zvyšok PINov. Použime tiež niekoľko konektorov mužského pohlavia kvôli plug and play prúdových obmedzujúcich odporov a pre pripojenie k Cube. Teraz pripojte oddeľovacie kondenzátory IC v blízkosti kolíkov napájania IC.

Ďalej pracujme na mikrokontroléri. Aby to bolo možné zapojiť a hrať, použijeme držiak a najskôr spojíme ženské kolíky a potom umiestnime mikrokontrolér.

Čas pracovať na tranzistoroch. Na pripojenie k základni tranzistorov je potrebných 16 rezistorov 1K ohm. Aby boli bežné katódové piny LED Cube v predvolenom logickom stave, použijem odpor 8 K ohm zip, ktorý obsahuje 8 odporov. Nakoniec nechajme pracovať na IC dekodéri adries. Teraz je obvod pripravený podobne ako pri návrhu obvodu.

Krok 6: 3D tlač

Potrebujeme kryt na uloženie dosky plošných spojov a LED kocky, takže použijeme 3D tlačenú. Urobím to na 3 diely pre jednoduchú montáž.

Najprv základná doska na držanie štruktúry LED. Za druhé, centrálne teleso pre elektroniku. Po tretie, veko na zatvorenie krytu.

Krok 7: Balenie

Začnime s montážou štruktúry LED. Môžete zatlačiť kolíky cez otvory a priamo ich spájkovať s doskou s plošnými spojmi, ale kvôli stabilite najskôr použijem dosku perfper a potom ju spájkujem s obvodom. Na spájkovanie s LED diódami používam plochý kábel a druhý koniec pripojte k príslušným výstupným kolíkom integrovaných obvodov.

Na pripojenie medzi vrstvami tranzistora a kocky LED potrebujeme nezávislé piny na pripojenie ku katódovým kolíkom. Pred zapnutím je dôležité skontrolovať kontinuitu a napätie medzi bodmi. Akonáhle je všetko v poriadku, integrované obvody je možné pripojiť a potom zapnúť. Pred pripojením cez obvod je opäť dobré skontrolovať, či všetky LED diódy svietia priamym pripojením k napájaniu. Ak je všetko v poriadku, potom je možné káble LED pripojiť k príslušným preklopným bodom.

Vykonajme čistenie - odpojte programovací kábel mikrokontroléra, odstrihnite vyčnievajúce kolíky atď. Teraz pripojte programovací kábel k telu puzdra, opravte stavovú LED, vypínač a nakoniec resetovací spínač. Blížime sa k dokončeniu, takže spojme 3 časti. Začnite s LED základňou k telu, potom akonáhle sú káble dobre usadené, zatvorte veko v spodnej časti.

Stiahnite si kód do Arduino Pro Mini a je to!

Vďaka Chr https://www.instructables.com/id/Led-Cube-8x8x8/ za jeho vynikajúci návod a kód.