GlassCube - 4x4x4 LED Cube σε γυάλινα PCB: 11 βήματα (με εικόνες)

2025 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2025-01-23 14:39

Η πρώτη μου διδάσκουσα σε αυτόν τον ιστότοπο ήταν ένας κύβος LED 4x4x4 με γυάλινα PCB. Κανονικά, δεν μου αρέσει να κάνω το ίδιο έργο δύο φορές, αλλά πρόσφατα συνάντησα αυτό το βίντεο του Γάλλου κατασκευαστή Heliox, το οποίο με ενέπνευσε να φτιάξω μια μεγαλύτερη έκδοση του αρχικού μου κύβου. Στο βίντεό της, η Heliox καταλήγει σε μια πολύ απλούστερη διαδικασία για την κατασκευή γυάλινων PCB που δεν περιλαμβάνει χάραξη, αλλά χρησιμοποιεί ένα plotter για να κόψει τα ίχνη από ένα αυτοκόλλητο φύλλο χαλκού, το οποίο στη συνέχεια μεταφέρεται σε γυάλινο υπόστρωμα. Δεδομένου ότι οι επιμελητές δεν είναι τόσο ακριβοί και θα μπορούσαν επίσης να είναι χρήσιμοι για άλλα έργα, μόλις πήρα έναν για να δοκιμάσω τη διαδικασία μόνος μου.

Εκτός από μια μεγαλύτερη έκδοση του αρχικού μου κύβου, αυτή η έκδοση χρησιμοποιεί επίσης ένα προσαρμοσμένο PCB που βασίζεται σε έναν μικροελεγκτή SAMD21 και ένα περίβλημα κατασκευασμένο από ακρυλικό λέιζερ. Ο κύβος μπορεί να προγραμματιστεί με το Arduino IDE και είναι επίσης συμβατός με το CircuitPython.

Το κιτ GlassCube είναι τώρα διαθέσιμο και στο Tindie.

Σε περίπτωση που αγοράσατε το κιτ δεν έχετε παρά να κολλήσετε τα LED (βήμα 5), να συναρμολογήσετε το περίβλημα (βήμα 8) και να συνδέσετε μεταξύ τους τα στρώματα (βήμα 9)

Προμήθειες

• 64 τεμ - LED WS2812B 5050 SMD (π.χ. aliexpress)
• 4 τεμ - γυάλινη πλάκα 100 x 100 x 2 mm (βρήκα αυτόν τον πραγματικά φθηνό Γερμανό προμηθευτή ο οποίος χρεώνει μόνο 0,20 EUR/τεμ)
• 2 τεμ - φύλλα Α4 αυτοκόλλητου φύλλου χαλκού (π.χ. amazon)
• 1 ρολό - χαρτί μεταφοράς plotter (π.χ. amazon)
• 1 σετ - ακρυλικό με λέιζερ (δείτε παρακάτω)
• 1 προσαρμοσμένο PCB (δείτε παρακάτω)
• 4 τεμ βίδες M2x8 + παξιμάδια

Το συνολικό κόστος όλων των υλικών, συμπεριλαμβανομένης της υπηρεσίας κοπής λέιζερ και της κατασκευής PCB, είναι περίπου 100 EUR.

Εργαλεία

• Σιλουέτα Πορτρέτο 2 plotter (π.χ. amazon)
• κόπτης λέιζερ ή διαδικτυακή υπηρεσία κοπής με λέιζερ (χρησιμοποιώ το snijlab.nl)
• συγκολλητικό σίδερο
• πλάκα θέρμανσης ή φούρνος ανανέωσης για συγκόλληση SMD (ή προηγμένες δεξιότητες συγκόλλησης στο χέρι

Βήμα 1: Σχεδιασμός CAD

Οι διαστάσεις του περιβλήματος και του PCB του GlassCube σχεδιάστηκαν στο Fusion360, έχω επισυνάψει το σχέδιο παρακάτω.

Οι στήλες των άκρων και η επάνω πλάκα είναι κατασκευασμένες από διαφανές ακρυλικό πάχους 3 mm. Τα στρώματα με τις λυχνίες LED είναι κατασκευασμένα από γυάλινο πλωτήρα πάχους 2 mm. Η κάτω πλάκα είναι ένα προσαρμοσμένο PCB.

Βήμα 2: Σχεδιασμός PCB LED

Χρησιμοποίησα τον Eagle για να σχεδιάσω τη διάταξη των γυάλινων PCB. Δεδομένου ότι η κοπή των ιχνών με ένα σχεδιαστή δεν είναι τόσο ακριβής όσο η χάραξή τους με τη μέθοδο μεταφοράς γραφίτη, το ελάχιστο πλάτος ίχνους είναι περιορισμένο. Δοκίμασα διαφορετικά πλάτη ιχνών και διαπίστωσα ότι το 32 mil ήταν το ελάχιστο μέγεθος που θα μπορούσα να χρησιμοποιήσω ως λεπτότερα ίχνη που συχνά ξεφλουδίζουν κατά τη διάρκεια της σχεδίασης.

Για να μπορέσουμε να κόψουμε τα ίχνη από το φύλλο χαλκού, η διάταξη του πίνακα έπρεπε να μετατραπεί σε dxf. Μου πήρε λίγο χρόνο για να καταλάβω πώς να το κάνω σωστά, οπότε επιτρέψτε μου να περάσω από τα βήματα λεπτομερώς

1. διάταξη ανοιχτού πίνακα στον Αετό
2. απόκρυψη όλων των επιπέδων εκτός από το ανώτερο επίπεδο
3. κάντε κλικ στο Αρχείο-> Εκτύπωση και, στη συνέχεια, επιλέξτε Εκτύπωση σε αρχείο (pdf)
4. ανοίξτε το pdf στο Inkscape
5. χρησιμοποιήστε το εργαλείο επιλογής διαδρομής για να επισημάνετε ένα μόνο ίχνος και, στη συνέχεια, κάντε κλικ στο κουμπί E dit-> Select Same-> Stroke Style, αυτό θα πρέπει να επισημάνει όλα τα ίχνη (αλλά όχι τα τακάκια)
6. κάντε κλικ στο κουμπί P ath-> Stroke to Path αυτό μετατρέπει τα περιγράμματα της διαδρομής σε νέα μονοπάτια
7. επισημάνετε όλες τις διαδρομές (συμπεριλαμβανομένων των pads) επιλέγοντας το εργαλείο επιλογής διαδρομής και στη συνέχεια πατώντας ctrl+a
8. κάντε κλικ στην επιλογή P ath-> Union, θα πρέπει να συνδυάζονται όλες οι διαδρομές και να αφαιρούνται τυχόν γραμμές κοπής μέσα σε "γεμάτες" περιοχές
9. κάντε κλικ στο Αρχείο-> Αποθήκευση ως και επιλέξτε *.dxf ως μορφή αρχείου

Το αρχείο dxf μπορείτε να το βρείτε εδώ στο GitHub μου.

Βήμα 3: Κοπή του φύλλου χαλκού

Το αρχείο dxf κόπηκε από φύλλα Α4 αυτοκόλλητου αλουμινόχαρτου με ένα σχεδιαστή Silhouette Portrait 2. Τα φύλλα χαλκού στερεώθηκαν πρώτα στο συμπεριλαμβανόμενο αυτοκόλλητο στρώμα κοπής. Οι ρυθμίσεις λογισμικού που χρησιμοποίησα για κοπή φαίνονται στη συνημμένη εικόνα.

Μετά την κοπή του περιττού φύλλου πρέπει να αφαιρεθεί προσεκτικά. Για να μην καταστραφεί το κομμένο φύλλο άφησα ολόκληρο το φύλλο Α4 στο χαλί κοπής για τα παρακάτω βήματα.

Βήμα 4: Μεταφορά του φύλλου χαλκού

Το κομμένο φύλλο μεταφέρθηκε στη γυάλινη πλάκα χρησιμοποιώντας χαρτί μεταφοράς που είναι απλώς ένα άλλο αυτοκόλλητο φύλλο. Το χαρτί μεταφοράς στερεώνεται στο φύλλο χαλκού και στη συνέχεια ξεφλουδίζεται αργά έτσι ώστε το φύλλο χαλκού να κολλάει συνεχώς στο φύλλο μεταφοράς. Στη συνέχεια συνδέεται με το γυάλινο υπόστρωμα και το χαρτί μεταφοράς ξεφλουδίζεται αργά έτσι ώστε αυτή τη φορά το φύλλο χαλκού να κολλήσει στη γυάλινη πλάκα.

Η διάταξη του πίνακα έχει δύο δείκτες στην επάνω αριστερή και δεξιά γωνία που βοηθούν στην σωστή ευθυγράμμιση του φύλλου στη γυάλινη πλάκα. Μετά την τοποθέτηση, οι δείκτες μπορούν να αφαιρεθούν ξανά από τη γυάλινη πλάκα.

Βήμα 5: Συγκόλληση των LED

Τα LED SMD συγκολλήθηκαν στη γυάλινη πλάκα με το χέρι. Προσπάθησα επίσης να τα επισυνάψω χρησιμοποιώντας μια θερμαντική πλάκα (στην πραγματικότητα η σόμπα μου) αλλά όπως δείχνει η εικόνα αυτό αποδείχθηκε ότι δεν ήταν καλή ιδέα. Εάν έχετε έναν κατάλληλο φούρνο ανανέωσης, ίσως αξίζει να το δοκιμάσετε, αλλά ανάλογα με τον τύπο γυαλιού που χρησιμοποιείται, υπάρχει σοβαρός κίνδυνος να σπάσει κατά τη θέρμανση.

Όσον αφορά τον προσανατολισμό των LED, υπάρχουν δύο διαφορετικές διατάξεις. Για το πρώτο και το τρίτο στρώμα του κύβου ο προσανατολισμός θα είναι διαφορετικός από ό, τι για το δεύτερο και το τέταρτο στρώμα. Με αυτόν τον τρόπο είναι ευκολότερο να διασυνδέσετε τα επίπεδα αργότερα.

Βήμα 6: PCB μικροελεγκτή

Αντί να βασίζομαι σε έναν εμπορικό πίνακα ανάπτυξης όπως το Arduino Nano, σχεδίασα ένα προσαρμοσμένο PCB στο Eagle για τον έλεγχο των LED. Το πλεονέκτημα είναι ότι θα μπορούσα να διαμορφώσω τον πίνακα έτσι ώστε να ταιριάζει όμορφα στον κύβο. Ο πίνακας βασίζεται σε έναν μικροελεγκτή ATSAMD21E18 που είναι ο ίδιος που χρησιμοποιείται στο Trinklet M0 του Adafruit. Επέλεξα αυτό το MCU επειδή έχει εγγενή USB και δεν απαιτεί τσιπ FTDI για προγραμματισμό. Επίσης, το Adafruit παρέχει φορτωτές εκκίνησης που είναι συμβατοί με το Arduino IDE καθώς και με το CircuitPython.

Μια σημείωση σχετικά με τον πίνακα είναι ότι λειτουργεί με λογική 3.3V ενώ το WS2812B πρέπει να χρησιμοποιείται με 5V, ωστόσο, πολλοί άνθρωποι έχουν δείξει ότι η λειτουργία με 3.3V είναι επίσης δυνατή.

Πήρα τα PCB μου από το PCBWay.com τα αρχεία Gerber και BoM μπορούν να βρεθούν στον λογαριασμό μου στο GitHub.

Με κάποιες δεξιότητες, τα εξαρτήματα SMD σε αυτό το PCB μπορούν να συγκολληθούν με το χέρι, αν και μια θερμαντική πλάκα ή ένας φούρνος ανανέωσης θα λειτουργήσει φυσικά καλύτερα.

Βήμα 7: Αναβοσβήνει το πρόγραμμα εκκίνησης

Χρησιμοποίησα τον φορτωτή εκκίνησης UF2 που παρείχε η Adafruit για τους πίνακες Trinket M0. Το MCU αναβοσβήνει με τη βοήθεια ενός εργαλείου J-Link. Λεπτομερείς οδηγίες για το πώς να αναβοσβήνει το πρόγραμμα εκκίνησης μπορείτε να βρείτε στον ιστότοπο του Adafruit. Το σπουδαίο πράγμα για το πρόγραμμα εκκίνησης Adafruits UF2-SAMD είναι ότι μετά την πρώτη εγκατάσταση, το MCU εμφανίζεται ως μονάδα flash και μπορείτε απλά να σύρετε ένα αρχείο UF2 στην αφαιρούμενη μονάδα για να το αναβοσβήσετε ξανά. Αυτό καθιστά πολύ εύκολο π.χ. εναλλαγή μεταξύ του Arduino IDE και του CircuitPython.

Βήμα 8: Περίβλημα Lasercut

Το περίβλημα του κύβου κόπηκε από διαφανές ακρυλικό πάχους 3 mm. Χρησιμοποίησα μια διαδικτυακή υπηρεσία κοπής λέιζερ (snijlab.nl). Τα αντίστοιχα αρχεία dxf μπορούν επίσης να βρεθούν στον λογαριασμό μου στο GitHub. Το περίβλημα αποτελείται από 4 στύλους και μια επάνω πλάκα. Οι στύλοι είναι προσαρτημένοι στο κύριο PCB στο κάτω μέρος χρησιμοποιώντας 4 τεμάχια βιδών και παξιμαδιών M2x8.

Βήμα 9: Σύνδεση των επιπέδων

Αφού συναρμολογηθεί το περίβλημα, ένωσα τα στρώματα με συγκόλληση καλωδίων στα τακάκια των γυάλινων PCB. Αυτό αποδείχτηκε αρκετά λεπτή διαδικασία και υπάρχει κίνδυνος να καεί το ακρυλικό ή να σκιστούν τα τακάκια του χαλκού. Σημειώστε ότι οι ακίδες GND και VCC αλλάζουν θέσεις σε κάθε στρώμα, έτσι ώστε να καλυφθούν τα καλώδια. Για να αποφύγω ότι τα καλώδια θα ξεκολλήσουν από τα μαξιλάρια χαλκού, τα στερέωσα με μια μικρή σταγόνα hotglue μετά τη συγκόλληση. Το πρώτο στρώμα συνδέθηκε στο κάτω PCB με μια υποδοχή Dupont, αλλά τα καλώδια μπορούν επίσης να κολληθούν απευθείας στο PCB.

Βήμα 10: Μεταφόρτωση του κώδικα

Χρησιμοποίησα το CircuitPython (έκδοση 4.x) για να προγραμματίσω τον κύβο. Μόλις εγκαταστήσετε το bootloader CircuitPython, μπορείτε απλώς να εκτελέσετε κώδικα αποθηκεύοντάς τον απευθείας στη μονάδα flash MCU. Δεν υπάρχει απαραίτητη μεταγλώττιση, μπορείτε επίσης π.χ. ανοίξτε ξανά τον κώδικα και επεξεργαστείτε τον.

Μέχρι στιγμής έχω δημιουργήσει μερικά βασικά κινούμενα σχέδια, αλλά θα πρέπει να είναι σχετικά εύκολο για οποιονδήποτε να επεκτείνει τον κώδικα. Ο κώδικας μπορεί να βρεθεί στο GitHub μου, για να τρέξει χρειάζεται τις βιβλιοθήκες Adafruit Neopixel και fancyLED που βρίσκονται εδώ.

Βήμα 11: Τελειωμένος κύβος

Είμαι πολύ ευχαριστημένος με την εμφάνιση του κύβου, τα γυάλινα PCB και το ακρυλικό περίβλημα συνεργάζονται όμορφα. Wasταν επίσης διασκεδαστικό να δημιουργώ τον δικό μου πίνακα MCU για πρώτη φορά και είμαι σχεδόν έκπληκτος που λειτούργησε στην πρώτη προσπάθεια. Δεδομένου ότι έχω μερικά ανταλλακτικά PCB και ακρυλικά μέρη, θα ήθελα να κάνω αυτόν τον κύβο διαθέσιμο ως DIY kit στο Tindie. Αν λοιπόν ενδιαφέρεστε συνεχίστε να το ψάχνετε ή γράψτε μου ένα προσωπικό μήνυμα.

Επίσης, αν σας αρέσει αυτό το διδακτικό, ψηφίστε με στον Διαγωνισμό Make It Glow.

Δευτέρα στο διαγωνισμό Make it Glow