DIY LED kostka: 7 kroků

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:22

LED Cube není nic jiného než 3-dimenzionální řada LED diod, které se rozsvítí v různých formách a vzorcích. Je to zajímavý projekt, jehož cílem je naučit se nebo zlepšit své dovednosti v oblasti pájení, navrhování obvodů, 3D tisku a programování. I když bych chtěl sestrojit RGB kostku, myslím, že nejprve začnu s jednoduchou jednobarevnou ledovou kostkou, abych získal zkušenosti.

Byl jsem ohromen a inspirován Charovým projektem z Instructables, měli byste se podívat, pokud máte čas.

Budu stavět ledovou kostku 8x8x8, což není nic jiného než 8 řad, 8 sloupců a 8 vrstev LED diod. To je celkem 512 LED diod. Nyní je nejdůležitější položkou LED, vyberte nejmenší velikost, aby byla kostka kompaktní. Také je lepší dostat rozptýlené LED diody přes průsvitné, protože ty průsvitné rozptylují světlo a nejsou příliš atraktivní.

Krok 1: Požadované součásti

LED diody - 512 ks

Rezistory 1k, 220E - málo

Hmatový spínač - 1 ks

Vypínač Push to ON - 1 ks

Záhlaví M/F - málo

Arduino Pro Mini - 1 kus

Kondenzátory 0,1uF - 9pc

Perfboard (15 cm x 15 cm) - 2 ks

LED - 1ks

74HC594 - 8ks

Tranzistor 2N2222 - 16ks

74LS138D - 1 kus

Integrované obvody 20 pinů - 9ks

Integrované obvody 16 pinů - 1ks

Pásové kabely - 5 metrů

Programátor UART

RPS

Přístup k 3D tiskárně

Krok 2: Sestavení struktury LED kostky

Zvedl jsem balíček 1000 rozptýlených LED, z nichž budu používat 512. Nyní musíme být schopni ovládat každou z LED samostatně, teprve potom můžeme vytvářet zajímavé vzory.

K ovládání LED použiji desku Arduino Pro Mini, ale tato deska má pouze 21 pinů pro ovládání LED. Ale mohu použít multiplexor k pohonu všech 512 LED diod přes 21 pinů.

Než se dostaneme k návrhu obvodu ovladače, vytvořme strukturu pro LED kostku. Je velmi důležité, abychom vytvořili správnou symetrii, aby kostka vypadala dobře, takže si nejprve připravme koncert, který nám pomůže zachovat symetrii.

Chystám se 3D tisk základny 120x120x2mm pro stavbu krychle. Použiji to k vytvoření každé vrstvy LED, což bude asi 64 LED na vrstvu. Nyní musím LED diody rozmístit rovnoměrně po celé desce. Vzhledem k tomu, že katoda je asi 17 mm, takže 2 mm pro pájení, jdu do prostoru otvory 15 mm od sebe. Začněme s 3D tiskem.

Nejprve uspořádám LED diody v řadě a zkratuji katodu. Podobně zařídím 8 řad diod LED se zkratovanými katodami. Po dokončení mám 1 katodový kolík a 64 anodových kolíků, což tvoří 1 vrstvu.

Uspořádání 8 takových vrstev na sebe způsobí její nestabilitu a deformaci struktury. Poskytnu mu tedy další podporu. Existuje několik způsobů, jak toho dosáhnout, a jedním z nich je použití postříbřeného měděného drátu, ale protože to nemám u sebe, vyzkouším hrubou metodu. Natažení pájecího drátu ho zpevní, takže ho použiji jako podporu. Před použitím drátu k podpoře naneste na pájky katody trochu pájení. Doufejme, že použití ve středu a po stranách by kostce dodalo potřebnou sílu. Budeme potřebovat asi 16 vodičů a je velmi důležité, abychom tuto část dostali správně.

Narovnám anodové kolíky, aby byly symetrické.

LED diody se mohou občas poškodit kvůli pájecímu teplu, takže je lepší je po konstrukci každé vrstvy zkontrolovat. Jakmile je hotovo, vrstvy mohou být sestaveny na sebe a tentokrát mohou být pájeny anodové kolíky. Nakonec byste měli mít 64 anodových pinů a jeden katodový pin na vrstvu. Takže s těmito 64 + 8 = 72 piny bychom měli být schopni ovládat každou z LED v této kostce.

Nyní potřebujeme podpůrnou strukturu pro sestavení vrstev nad sebou.

Udělal jsem chybu. Byl jsem trochu příliš nadšený a nekontroloval jsem, zda jsou anodové kolíky vzájemně zarovnány. Měl jsem ohnout anodové kolíky o 2 mm, aby každá vrstva mohla být k sobě pájena a byla vytvořena rovná čára. Protože jsem to neudělal, budu muset všechny kolíky, které jsem připájel, ručně ohnout a to by nakonec mohlo ovlivnit moji symetrii. Když to ale zkonstruujete, věnujte náležitou pozornost tomu, abyste neudělali stejnou chybu. Nyní je stavba dokončena, budeme muset zapracovat na řidičském okruhu.

Krok 3: Obvod ovladače - Snižte počet pinů

Jak jsem zmínil na začátku, budeme potřebovat 72 IO pinů z ovladače, ale to je luxus, který si nemůžeme dovolit. Pojďme tedy vytvořit multiplexní obvod a omezit počet pinů. Podívejme se na příklad, vezměme si klopný obvod IC. Jedná se o klopný obvod typu D, v tomto bodě si nedělejme starosti s technickými údaji. Základní úlohou IC je zapamatovat si 8 pinů, z nichž 2 jsou pro napájení, D0 - D7 jsou vstupní piny pro příjem dat a Q0 - Q7 jsou výstupní piny pro odesílání zpracovaných dat. Pin pro aktivaci výstupu je aktivní nízký pin, tj. Pouze když nastavíme hodnotu 0, vstupní data se objeví ve výstupních pinech. K dispozici je také hodinový kolík, podívejme se, proč ho potřebujeme.

Nyní jsem integroval IC na prkénko a nastavil vstupní hodnoty na 10101010 s 8 LED připojenými k výstupu. Nyní LED diody svítí nebo nesvítí na základě vstupu. Dovolte mi změnit vstup na 10101011 a zkontrolovat výstup. U LED diod nevidím žádnou změnu. Ale když posílám nízký až vysoký puls přes hodinový pin, výstup se změní na základě nového vstupu.

Tento koncept použijeme k vývoji naší desky s ovladači. Náš integrovaný obvod si však dokáže zapamatovat pouze 8 vstupních dat, takže pro podporu 64 vstupů použijeme celkem 8 takových integrovaných obvodů.

Krok 4: Návrh obvodu řidiče

Začínám multiplexováním všech vstupních pinů IC na 8 datových pinů mikrokontroléru. Jde o to rozdělit 64bitová data z 8 pinů na 8 bitů dat.

Nyní, když předám 8 bitů dat prvnímu integrovanému obvodu, po němž následuje nízký až vysoký pulzní signál v hodinovém kolíku, uvidím, že se vstupní data odrážejí ve výstupních pinech. Podobně odesláním 8 bitů dat do zbytku integrovaných obvodů a ovládáním hodinových pinů mohu odeslat 64 bitů dat do všech integrovaných obvodů. Dalším problémem je nedostatek hodinových kolíků v ovladači. Takže použiji 3 až 8 řádkový dekodér IC k multiplexování ovládacích prvků hodinového pinu. Pomocí 3 adresových pinů v dekodéru v kombinaci s mikrokontrolérem mohu ovládat 8 výstupních pinů dekodéru. Těchto 8 výstupních pinů musí být připojeno k hodinovým pinům v IO. Nyní musíme zkrátit všechny piny pro povolení výstupu a připojit se ke kolíku na mikrokontroléru, pomocí kterého bychom měli být schopni zapnout nebo vypnout všechny diody LED.

To, co jsme dosud udělali, je pouze pro jednu vrstvu, nyní musíme rozšířit funkčnost na další vrstvy prostřednictvím programování. Jedna LED spotřebovává asi 15 mA proudu, takže podle tohoto čísla budeme potřebovat asi 1 A proud pro jednu vrstvu. Mini deska Arduino pro nyní může čerpat nebo odebírat pouze proud 200 mA. Protože je náš spínací proud příliš velký, budeme muset k ovládání vrstvy LED použít BJT nebo MOSFET. Nemám mnoho MOSFETů, ale mám několik tranzistorů NPN a PNP. Teoreticky možná budeme muset přepnout až 1 ampér proudu na vrstvu. Z tranzistorů, které jsem dostal, může nejvyšší přepnout pouze asi 800mA proudu, tranzistor 2N22222.

Vezmeme tedy 2 tranzistory a zvýšíme jejich současnou schopnost paralelním zapojením. Mnoho lidí, kteří přijmou tuto metodu, používá pouze základní limitní odpor, ale problém je v tom, že změny teploty způsobují, že proud přes tranzistory je nevyvážený a způsobuje problémy se stabilitou. Ke zmírnění problému můžeme použít podobné 2 odpory v emitoru také k regulaci proudu, i když se změní teplota. Tento koncept se nazývá degenerace emitorů. Rezistor emitoru poskytuje jakousi zpětnou vazbu ke stabilizaci zesílení tranzistoru.

Budu používat rezistory pouze v základně. To může v budoucnu způsobit problémy, ale protože se jedná pouze o prototyp, vyřeším to později.

Krok 5: Pájení součástí

Nyní sestavme obvod na perfboardu. Začněme integrovanými obvody flipflop a k tomuto účelu použijeme držák IC. Vždy začněte s prvním a posledním kolíkem, zkontrolujte stabilitu a poté pájejte zbytek PINů. Pojďme také použít nějaké samčí záhlaví kvůli plug and play proudových omezujících odporů a pro připojení ke kostce. Nyní připojte oddělovací kondenzátory IC blízko napájecích kolíků IC.

Dále pojďme pracovat na mikrokontroléru. Aby to bylo plug and play, použijme držák a nejprve připojte samičí kolíky a poté umístěte mikrokontrolér.

Čas pracovat na tranzistorech. Pro připojení k základně tranzistorů je zapotřebí 16 1K ohmových odporů. Aby byly běžné katodové piny LED kostky ve výchozím logickém stavu, použiji odpor 8 K ohm zip, který obsahuje 8 odporů. Nakonec můžeme pracovat na IC dekodéru adres. Nyní je obvod připraven podobně jako konstrukce obvodu.

Krok 6: 3D tisk

Potřebujeme skříň pro uložení desky s plošnými spoji a ledové kostky, takže použijme 3D tištěnou. Udělám to na 3 díly pro snadnou montáž.

Nejprve základní deska pro držení LED struktury. Za druhé, centrální tělo pro elektroniku. Za třetí, víko pro uzavření pouzdra.

Krok 7: Balení

Začněme montáží struktury LED. Můžete zatlačit kolíky skrz otvory a přímo je připájet k desce s obvody, ale kvůli stabilitě nejprve použiji desku perf, poté ji pájím k obvodu. Používám páskový kabel k pájení k LED diodám a poté připojím druhý konec k příslušným výstupním pinům integrovaných obvodů.

Pro připojení mezi vrstvami tranzistoru a LED kostky potřebujeme mít nezávislé piny pro připojení ke katodovým pinům. Než jej zapneme, je důležité zkontrolovat spojitost a napětí mezi body. Jakmile je vše v pořádku, lze integrované obvody připojit a poté zapnout. Před připojením obvodem je opět dobré zkontrolovat, zda všechny LED diody svítí připojením přímo k napájení. Pokud je vše v pořádku, lze kabely LED připojit k příslušným klopným bodům.

Proveďte nějakou úklidovou práci - odpojte programovací kabel mikrokontroléru, vyřízněte vyčnívající kolíky atd. Nyní připojíme programovací kabel k tělu pouzdra, opravíme stavovou diodu, vypínač a nakonec resetovací spínač. Jsme blízko k dokončení, pojďme tedy dát dohromady 3 části. Začněte základnou LED k tělu, poté, co jsou kabely dobře usazeny, zavřete víko ve spodní části.

Stáhněte si kód do Arduino Pro Mini a je to!

Díky Chr https://www.instructables.com/id/Led-Cube-8x8x8/ za jeho vynikající instruktáž a kód.