DIY LED Cube: 7 Βήματα

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:36

Ο κύβος LED δεν είναι παρά μια τρισδιάστατη σειρά LED που ανάβει σε διαφορετικές μορφές και μοτίβα. Είναι ένα ενδιαφέρον έργο για να μάθετε ή να βελτιώσετε τις δεξιότητές σας για συγκόλληση, σχεδιασμό κυκλωμάτων, τρισδιάστατη εκτύπωση και προγραμματισμό. Αν και θα ήθελα να κατασκευάσω έναν κύβο RGB, νομίζω ότι θα ξεκινήσω πρώτα με έναν απλό κύβο ενός χρώματος led για να αποκτήσω εμπειρία.

Wasμουν πολύ εντυπωσιασμένος και εμπνευσμένος από το έργο του Char από το Instructables, θα πρέπει να το ελέγξετε αν έχετε χρόνο.

Θα κατασκευάσω έναν κύβο led 8x8x8, ο οποίος δεν είναι παρά 8 σειρές, 8 στήλες και 8 στρώματα LED. Αυτά είναι 512 LED συνολικά. Τώρα, το πιο σημαντικό στοιχείο είναι το LED, επιλέξτε το μικρότερο μέγεθος έτσι ώστε ο κύβος να είναι συμπαγής. Επίσης, είναι καλύτερο να πάρετε τα διάχυτα LED πάνω από τα ημιδιαφανή, επειδή τα ημιδιαφανή διασκορπίζουν φως και δεν είναι πολύ ελκυστικά.

Βήμα 1: Απαιτούνται εξαρτήματα

LED - 512 τεμ

Αντιστάσεις 1k, 220E - λίγες

Tactile Switch - 1 τεμ

Διακόπτης Push to ON - 1 τεμ

Κεφαλίδες M/F - Λίγες

Arduino Pro Mini - 1 τεμ

Πυκνωτές 0.1uF - 9τεμ

Πινακίδα (15cm x 15cm) - 2τεμ

LED - 1 τεμ

74HC594 - 8τεμ

2N2222 Τρανζίστορ - 16τεμ

74LS138D - 1τεμ

Υποδοχές IC 20 ακίδων - 9τεμ

Υποδοχές IC 16 ακίδων - 1τεμ

Καλώδια κορδέλας - 5 μέτρα

Προγραμματιστής UART

RPS

Πρόσβαση σε 3D εκτυπωτή

Βήμα 2: Συναρμολόγηση της δομής του κύβου LED

Έχω πάρει ένα πακέτο με 1000 διάχυτα LED από τα οποία θα χρησιμοποιήσω 512. Τώρα, πρέπει να μπορούμε να ελέγχουμε καθένα από τα LED ανεξάρτητα, μόνο τότε μπορούμε να κάνουμε ενδιαφέροντα μοτίβα.

Θα χρησιμοποιήσω έναν πίνακα Arduino Pro Mini για τον έλεγχο των LED, αλλά αυτός ο πίνακας έχει μόνο 21 ακίδες για τον έλεγχο των LED. Αλλά μπορώ να χρησιμοποιήσω έναν πολυπλέκτη για να οδηγήσω όλα τα 512 LED στις 21 ακίδες.

Πριν μπούμε στο σχεδιασμό του κυκλώματος οδηγού, ας φτιάξουμε τη δομή για τον κύβο LED. Είναι πολύ σημαντικό να έχουμε τη συμμετρία σωστά ώστε ο κύβος να φαίνεται καλός, οπότε ας προετοιμάσουμε πρώτα μια συναυλία που θα μας βοηθήσει να διατηρήσουμε συμμετρία.

Θα εκτυπώσω 3D μια βάση 120x120x2mm για την κατασκευή του κύβου. Θα το χρησιμοποιήσω για να δημιουργήσω κάθε στρώμα LED, το οποίο θα είναι περίπου 64 LED ανά στρώμα. Τώρα, πρέπει να τοποθετήσω τα LED ομοιόμορφα σε όλη την πλάκα. Δεδομένου ότι η κάθοδος είναι περίπου 17mm, αφήνοντας 2mm για συγκόλληση, θα χωρίσω τις τρύπες μεταξύ τους 15mm. Ας ξεκινήσουμε την τρισδιάστατη εκτύπωση.

Τακτοποιώ πρώτα τα LED σε μια σειρά και βραχυκυκλώνω την κάθοδο. Ομοίως, θα κανονίσω 8 σειρές LED με βραχυκυκλωμένες τις καθόδους τους. Μόλις τελειώσω, έχω 1 πείρο καθόδου και 64 ακίδες ανόδου, αυτό σχηματίζει 1 στρώση.

Τοποθετώντας 8 τέτοια στρώματα το ένα πάνω στο άλλο θα το κάνει ασταθές και η δομή θα παραμορφωθεί. Οπότε θα του δώσω κάποια επιπλέον υποστήριξη. Υπάρχουν αρκετοί τρόποι και ένας τέτοιος τρόπος είναι να χρησιμοποιήσετε ασημί καλώδιο χαλκού, αλλά επειδή δεν το έχω μαζί μου, θα δοκιμάσω μια ακατέργαστη μέθοδο. Το τέντωμα του σύρματος συγκόλλησης το σκληραίνει, οπότε θα το χρησιμοποιήσω για υποστήριξη. Εφαρμόστε λίγη συγκόλληση στους πείρους της καθόδου πριν χρησιμοποιήσετε το σύρμα για υποστήριξη. Ας ελπίσουμε ότι η χρήση του στο κέντρο και στις πλευρές θα δώσει στον κύβο τη δύναμη που χρειάζεται. Θα χρειαστούμε περίπου 16 καλώδια και είναι πολύ σημαντικό να έχουμε αυτό το κομμάτι σωστά.

Θα ισιώσω τις ακίδες της ανόδου για να τις κάνω συμμετρικές.

Τα LED ενδέχεται να καταστραφούν κατά καιρούς λόγω της θερμότητας συγκόλλησης, οπότε είναι καλύτερα να τα ελέγξετε μετά την κατασκευή κάθε στρώματος. Μόλις τελειώσουν, τα στρώματα μπορούν να συναρμολογηθούν το ένα πάνω στο άλλο και αυτή τη φορά οι πείροι της ανόδου μπορούν να συγκολληθούν. Στο τέλος, θα πρέπει να έχετε 64 ακίδες ανόδου και έναν πείρο καθόδου ανά στρώμα. Έτσι, με αυτές τις 64 + 8 = 72 ακίδες, θα πρέπει να είμαστε σε θέση να ελέγχουμε καθένα από τα LED σε αυτόν τον κύβο.

Τώρα, χρειαζόμαστε μια δομή στήριξης για τη συναρμολόγηση των στρωμάτων το ένα πάνω στο άλλο.

Εκανα ένα λάθος. Wasμουν λίγο πολύ ενθουσιασμένος και δεν έλεγξα αν οι καρφίτσες της ανόδου ευθυγραμμίστηκαν μεταξύ τους. Θα έπρεπε να έχω λυγίσει τους πείρους της ανόδου κατά 2 mm, έτσι ώστε κάθε στρώση να μπορεί να συγκολληθεί μεταξύ τους και να σχηματιστεί μια ευθεία γραμμή. Δεδομένου ότι δεν το έκανα αυτό, θα πρέπει να λυγίσω χειροκίνητα όλες τις καρφίτσες που έχω κολλήσει και αυτό θα μπορούσε να επηρεάσει τη συμμετρία μου στο τέλος. Αλλά όταν το κατασκευάζετε, φροντίστε να μην κάνετε το ίδιο λάθος. Τώρα η κατασκευή έχει ολοκληρωθεί, θα πρέπει να εργαστούμε στο κύκλωμα του οδηγού.

Βήμα 3: Κύκλωμα οδήγησης - Μειώστε τον αριθμό καρφιτσών

Όπως ανέφερα στην αρχή, θα χρειαστούμε 72 ακίδες IO από το χειριστήριο, αλλά αυτό είναι μια πολυτέλεια που δεν μπορούμε να αντέξουμε. Ας φτιάξουμε λοιπόν ένα κύκλωμα πολυπλεξίας και μειώσουμε τον αριθμό των ακίδων. Ας δούμε ένα παράδειγμα, ας πάρουμε ένα flip-flop IC. Αυτό είναι ένα flip-flop τύπου D, ας μην ανησυχούμε για τις τεχνικές λεπτομέρειες σε αυτό το σημείο. Η βασική δουλειά του IC είναι να θυμάται τους 8 ακροδέκτες, εκ των οποίων οι 2 είναι για τροφοδοσία, οι D0 - D7 είναι οι ακίδες εισόδου για τη λήψη των δεδομένων και το Q0 - Q7 είναι οι ακίδες εξόδου για την αποστολή των επεξεργασμένων δεδομένων. Ο ακροδέκτης ενεργοποίησης εξόδου είναι ένας ενεργός χαμηλός πείρος, δηλαδή μόνο όταν τον κάνουμε 0, τα δεδομένα εισόδου εμφανίζονται στις ακίδες εξόδου. Υπάρχει επίσης μια καρφίτσα ρολογιού, ας δούμε γιατί το χρειαζόμαστε.

Τώρα, έχω σταθεροποιήσει το IC σε ένα breadboard και έχω ορίσει τις τιμές εισόδου σε 10101010 με 8 LED συνδεδεμένα στην έξοδο. Τώρα, τα LED είναι ενεργοποιημένα ή απενεργοποιημένα με βάση την είσοδο. Επιτρέψτε μου να αλλάξω την είσοδο σε 10101011 και να ελέγξω την έξοδο. Δεν βλέπω καμία αλλαγή με τα LED. Αλλά όταν στέλνω χαμηλό προς υψηλό παλμό μέσω του πείρου του ρολογιού, η έξοδος αλλάζει με βάση τη νέα είσοδο.

Θα χρησιμοποιήσουμε αυτήν την ιδέα για να αναπτύξουμε την πλακέτα κυκλώματος οδηγού. Αλλά το IC μας μπορεί να θυμάται μόνο 8 δεδομένα εισόδου pin, οπότε θα χρησιμοποιήσουμε συνολικά 8 τέτοια IC για να υποστηρίξουμε 64 εισόδους.

Βήμα 4: Σχεδιασμός κυκλώματος οδηγού

Αρχίζω με την πολυπλεξία όλων των ακίδων εισόδου του IC στις 8 ακίδες δεδομένων του μικροελεγκτή. Το κόλπο εδώ είναι να χωρίσετε τα δεδομένα 64-bit των 8 ακίδων σε 8 bits δεδομένων.

Τώρα, όταν περάσω τα 8 bits δεδομένων στο πρώτο IC ακολουθούμενο από σήμα χαμηλού προς υψηλού παλμού στο pin ρολογιού, θα δω τα δεδομένα εισόδου να αντανακλώνται στις ακίδες εξόδου. Ομοίως, στέλνοντας 8 bit δεδομένων στα υπόλοιπα IC και ελέγχοντας τις ακίδες ρολογιού, μπορώ να στείλω 64 bit δεδομένων σε όλα τα IC. Τώρα το άλλο πρόβλημα είναι η έλλειψη ακίδων ρολογιού στον ελεγκτή. Έτσι θα χρησιμοποιήσω ένα IC αποκωδικοποιητή 3 έως 8 γραμμών για να πολυπλέξω τα χειριστήρια των καρφιτσών του ρολογιού. Χρησιμοποιώντας τους 3 πείρους διευθύνσεων στον αποκωδικοποιητή σε συνδυασμό με τον μικροελεγκτή μπορώ να ελέγξω τους 8 ακροδέκτες εξόδου του αποκωδικοποιητή. Αυτοί οι 8 ακροδέκτες εξόδου πρέπει να συνδεθούν με τους ακροδέκτες ρολογιού στα IC. Τώρα πρέπει να συντομεύσουμε όλες τις ακίδες ενεργοποίησης εξόδου και να συνδεθούμε σε μια καρφίτσα του μικροελεγκτή, χρησιμοποιώντας αυτό θα πρέπει να μπορούμε να ενεργοποιήσουμε ή να απενεργοποιήσουμε όλες τις λυχνίες LED.

Αυτό που έχουμε κάνει μέχρι τώρα είναι μόνο για ένα μόνο επίπεδο, τώρα πρέπει να επεκτείνουμε τη λειτουργικότητα σε άλλα επίπεδα μέσω προγραμματισμού. Το One Led καταναλώνει περίπου 15mA ρεύματος, οπότε περνώντας από αυτόν τον αριθμό θα χρειαστούμε περίπου 1 Amp ρεύματος για ένα μόνο στρώμα. Τώρα η μίνι πλακέτα Arduino pro μπορεί να τροφοδοτήσει ή να βυθίσει μόνο έως 200 mA ρεύματος. Δεδομένου ότι το ρεύμα μεταγωγής μας είναι πάρα πολύ, θα πρέπει να χρησιμοποιήσουμε ένα BJT ή MOSFET για να ελέγξουμε το στρώμα των LED. Δεν έχω πολλά MOSFET, αλλά έχω μερικά τρανζίστορ NPN και PNP. Θεωρητικά, μπορεί να χρειαστεί να αλλάξουμε έως και 1 amp ρεύματος ανά στρώση. Από τα τρανζίστορ που πήρα, το υψηλότερο μπορεί να αλλάξει μόνο περίπου 800mA ρεύματος, το τρανζίστορ 2N22222.

Ας πάρουμε λοιπόν 2 τρανζίστορ και αυξήσουμε την τρέχουσα ικανότητά τους συνδέοντάς τα παράλληλα. Πολλοί άνθρωποι όταν υιοθετούν αυτή τη μέθοδο χρησιμοποιούν μόνο την αντίσταση ορίου βάσης, αλλά το πρόβλημα εδώ είναι καθώς η θερμοκρασία αλλάζει το ρεύμα μέσω των τρανζίστορ γίνεται ανισορροπία και προκαλεί προβλήματα σταθερότητας. Για να μετριάσουμε το πρόβλημα, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε παρόμοιες 2 αντιστάσεις και στον πομπό για να ρυθμίσουμε το ρεύμα ακόμη και όταν αλλάζει η θερμοκρασία. Αυτή η έννοια ονομάζεται εκφυλισμός εκπομπών. Η αντίσταση εκπομπής παρέχει ένα είδος ανάδρασης για τη σταθεροποίηση του κέρδους του τρανζίστορ.

Απλώς θα χρησιμοποιήσω αντιστάσεις μόνο στη βάση. Αυτό μπορεί να προκαλέσει προβλήματα στο μέλλον, αλλά επειδή αυτό είναι μόνο ένα πρωτότυπο θα το χειριστώ αργότερα.

Βήμα 5: Συγκόλληση των εξαρτημάτων

Τώρα, ας συναρμολογήσουμε το κύκλωμα σε μια σανίδα. Ας ξεκινήσουμε με τα flipflop IC και χρησιμοποιήστε μια θήκη IC για αυτό το σκοπό. Ξεκινήστε πάντα με την πρώτη και την τελευταία καρφίτσα, ελέγξτε για σταθερότητα και μετά κολλήστε τα υπόλοιπα PIN. Ας χρησιμοποιήσουμε επίσης κάποια αρσενική κεφαλίδα για λόγους plug and play των τωρινών περιοριστικών αντιστάσεων και για σύνδεση με τον κύβο. Τώρα συνδέστε τους πυκνωτές αποσύνδεσης του IC κοντά στους πείρους τροφοδοσίας του IC.

Στη συνέχεια, ας δουλέψουμε στον μικροελεγκτή. Για να το κάνετε plug and play, ας χρησιμοποιήσουμε ένα στήριγμα και συνδέστε πρώτα τις θηλυκές ακίδες και, στη συνέχεια, τοποθετήστε τον μικροελεγκτή.

Timeρα να δουλέψουμε στα τρανζίστορ. Απαιτούνται 16 αντιστάσεις 1K ohm για σύνδεση στη βάση των τρανζίστορ. Για να διατηρήσω τους κοινούς πείρους καθόδου του LED Cube σε μια προεπιλεγμένη λογική κατάσταση, θα χρησιμοποιήσω μια αντίσταση φερμουάρ 8 K ohm, η οποία περιέχει 8 αντιστάσεις. Τέλος, αφήστε να εργαστείτε για τον αποκωδικοποιητή διευθύνσεων IC. Τώρα το κύκλωμα είναι έτοιμο παρόμοιο με το σχέδιο κυκλώματος.

Βήμα 6: Τρισδιάστατη εκτύπωση

Χρειαζόμαστε ένα περίβλημα για να τοποθετήσουμε την πλακέτα κυκλώματος και τον κύβο led, οπότε ας χρησιμοποιήσουμε ένα τρισδιάστατο τυπωμένο. Θα το κάνω σε 3 μέρη για ευκολία συναρμολόγησης.

Πρώτον, μια πλάκα βάσης για τη συγκράτηση της δομής led. Δεύτερον, ένα κεντρικό σώμα για τα ηλεκτρονικά. Τρίτον, ένα καπάκι για να κλείσει το περίβλημα.

Βήμα 7: Κλείσιμο

Ας ξεκινήσουμε με την τοποθέτηση της δομής led. Μπορείτε να σπρώξετε τις ακίδες μέσα από τις τρύπες και να τις κολλήσετε απευθείας στην πλακέτα κυκλώματος, αλλά για λόγους σταθερότητας, θα χρησιμοποιήσω πρώτα μια πλακέτα perf και μετά θα την κολλήσω στο κύκλωμα. Χρησιμοποιώ ένα καλώδιο κορδέλας για συγκόλληση στις λυχνίες LED και στη συνέχεια συνδέω το άλλο άκρο με τις αντίστοιχες ακίδες εξόδου των flip-flop ICs.

Για να συνδεθούμε μεταξύ των στρωμάτων τρανζίστορ και των κύβων LED, πρέπει να έχουμε ανεξάρτητες ακίδες για σύνδεση με τις ακίδες καθόδου. Πριν την ενεργοποιήσουμε, είναι σημαντικό να ελέγξουμε τη συνέχεια και την τάση μεταξύ των σημείων. Μόλις όλα είναι καλά, τα IC μπορούν να συνδεθούν και στη συνέχεια να ενεργοποιηθούν. Και πάλι, καλό είναι να ελέγξετε εάν όλα τα LED ανάβουν συνδέοντάς τα απευθείας στην τροφοδοσία πριν τα συνδέσετε μέσω του κυκλώματος. Εάν όλα είναι καλά, τότε τα καλώδια led μπορούν να συνδεθούν με τα αντίστοιχα flip-flop σημεία.

Ας κάνουμε μερικές εργασίες καθαρισμού - αποσυνδέστε το καλώδιο προγραμματισμού μικροελεγκτή, κόψτε προεξοχές που προεξέχουν κλπ. Τώρα ας συνδέσουμε το καλώδιο προγραμματισμού στο σώμα του περιβλήματος, να διορθώσουμε ένα led led, έναν διακόπτη τροφοδοσίας και τέλος έναν διακόπτη επαναφοράς. Είμαστε κοντά στο να το τελειώσουμε, οπότε ας ενώσουμε τα 3 μέρη. Ξεκινήστε με τη βάση LED στο σώμα και, στη συνέχεια, όταν τα καλώδια είναι καλά κλεισμένα, κλείστε το καπάκι στο κάτω μέρος.

Κατεβάστε τον κωδικό στο Arduino Pro Mini και αυτό είναι όλο!

Χάρη στον Chr https://www.instructables.com/id/Led-Cube-8x8x8/ για το εξαιρετικό Instructable και Code του.