DIY LED kocka: 7 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:07

LED kocka nije ništa drugo nego trodimenzionalni niz LED dioda koje svijetle u različitim oblicima i uzorcima. Zanimljiv je projekt za učenje ili poboljšanje vještina lemljenja, projektiranja kola, 3D ispisa i programiranja. Iako bih želio konstruirati RGB kocku, mislim da ću prvo početi s jednostavnom jednobojnom LED kockom kako bih stekao iskustvo.

Bio sam impresioniran i inspiriran Charovim projektom iz Instructablesa, trebali biste to provjeriti ako imate vremena.

Konstruirat ću 8x8x8 LED kocku, koja nije ništa drugo do 8 redova, 8 stupaca i 8 slojeva LED dioda. To je ukupno 512 LED dioda. Sada je najvažnija stavka LED, odaberite najmanju veličinu kako bi kocka bila kompaktna. Također, bolje je difuzne LED diode postaviti na prozirne jer prozirne LED diode raspršuju svjetlost i nisu jako privlačne.

Korak 1: Potrebne komponente

LED diode - 512 kom

Otpornici 1k, 220E - malo

Taktilni prekidač - 1 kom

Prekidač za uključivanje - 1 kom

Zaglavlja M/Ž - nekoliko

Arduino Pro Mini - 1 kom

Kondenzatori 0,1uF - 9kom

Perfboard (15cm x 15cm) - 2 kom

LED - 1 kom

74HC594 - 8 kom

2N2222 Tranzistor - 16kom

74LS138D - 1kom

IC utičnice 20 pina - 9kom

IC utičnice 16 pina - 1 kom

Ribbon kablovi - 5 metara

UART programer

RPS

Pristup 3D štampaču

Korak 2: Sastavljanje strukture LED kocke

Uzeo sam paket od 1000 raspršenih LED dioda od kojih ću koristiti 512. Sada moramo biti u mogućnosti upravljati svakom od LED dioda nezavisno, tek tada možemo napraviti zanimljive uzorke.

Koristit ću Arduino Pro Mini ploču za upravljanje LED diodama, ali ova ploča ima samo 21 pina za upravljanje LED diodama. Ali mogu koristiti multiplekser za pogon svih 512 LED dioda kroz 21 pina.

Prije nego što krenemo u dizajn upravljačkog kruga, izgradimo strukturu za LED kocku. Vrlo je važno da simetrija bude ispravna kako bi kocka izgledala dobro, pa prvo pripremimo svirku koja će nam pomoći u održavanju simetrije.

Idem na 3D štampanje baze 120x120x2mm za konstrukciju kocke. Koristit ću ovo za stvaranje svakog sloja LED dioda, što će biti oko 64 LED diode po sloju. Sada moram jednolično rasporediti LED diode po ploči. Budući da je katoda oko 17 mm, ostavljajući 2 mm za lemljenje, otvorit ću rupe udaljene 15 mm. Započnimo 3D štampanje.

Prvo sređujem LED diode po redu i skraćujem katodu. Slično tome, namjestit ću 8 redova LED dioda s kratkim katodama. Kada završim, imam 1 katodni pin i 64 anodna pina, ovo čini 1 sloj.

Postavljanje 8 takvih slojeva jedan na drugi učinit će ga nestabilnim i struktura će se deformirati. Zato ću mu dati dodatnu podršku. Postoji nekoliko načina za to, a jedan takav način je korištenje posrebrene bakrene žice, ali budući da ovo nemam sa sobom, isprobat ću grubu metodu. Istezanje žice za lemljenje je učvršćuje pa ću je koristiti za podršku. Nanesite malo lemljenja na katodne igle prije upotrebe žice za pružanje potpore. Nadajmo se da će upotreba u sredini i sa strane dati kocki potrebnu snagu. Trebat će nam oko 16 žica i vrlo je važno da ovaj dio ispravimo.

Poravnat ću anodne igle kako bi bile simetrične.

LED diode se mogu povremeno oštetiti zbog topline lemljenja, pa ih je bolje provjeriti nakon izgradnje svakog sloja. Kada se završi, slojevi se mogu sastaviti jedan na drugi, a ovaj put anodne igle mogu se lemiti. Na kraju, trebali biste imati 64 anodna pina i jedan katodni pin po sloju. Dakle, sa ovih 64 + 8 = 72 pina, trebali bismo moći kontrolirati svaku od LED dioda u ovoj kocki.

Sada nam je potrebna potporna struktura za sastavljanje slojeva jedan na drugi.

Napravio sam grešku. Bio sam malo previše entuzijastičan i nisam provjerio jesu li anodni pinovi poravnani jedan s drugim. Trebao sam saviti anodne igle za 2 mm tako da se svaki sloj može lemiti jedan na drugi i formirati ravna linija. Budući da to nisam učinio, morat ću ručno saviti sve pinove koje sam lemio i to bi na kraju moglo utjecati na moju simetriju. No, kad ga konstruirate, vodite računa da ne napravite istu grešku. Sada kada je izgradnja završena, morat ćemo raditi na upravljačkom krugu.

Korak 3: Krug upravljačkog programa - smanjite broj pinova

Kao što sam spomenuo na početku, trebat će nam 72 IO pina iz kontrolera, ali to je luksuz koji si ne možemo priuštiti. Zato napravimo sklop multipleksiranja i smanjimo broj pinova. Pogledajmo primjer, uzmimo flip-flop IC. Ovo je japanka tipa D, nemojmo se brinuti o tehničkim karakteristikama u ovom trenutku. Osnovni posao IC -a je da zapamti 8 pinova, od kojih su 2 za napajanje, D0 - D7 su ulazni pinovi za prijem podataka, a Q0 - Q7 izlazni pinovi za slanje obrađenih podataka. Pin za omogućavanje izlaza je aktivni niski pin, tj. Tek kada učinimo 0, ulazni podaci će se pojaviti na izlaznim pinovima. Tu je i pin za sat, da vidimo zašto nam je potreban.

Sada sam fiksirao IC na ploču i postavio vrijednosti ulaza na 10101010 sa 8 LED dioda spojenih na izlaz. LED diode su sada uključene ili isključene na osnovu ulaza. Dopustite mi da promijenim ulaz na 10101011 i provjerim izlaz. Ne vidim nikakvu promjenu sa LED diodama. Ali kad pošaljem impuls niskog do visokog nivoa preko takta, izlaz se mijenja ovisno o novom ulazu.

Ovaj ćemo koncept koristiti za razvoj naše upravljačke ploče. Ali naš IC može zapamtiti samo 8 ulaznih pin podataka, pa ćemo koristiti ukupno 8 takvih IC -ova za podršku 64 ulaza.

Korak 4: Dizajn upravljačkog kruga

Počinjem s multipleksiranjem svih ulaznih pinova IC -a na 8 pinova podataka mikrokontrolera. Trik ovdje je podijeliti 64-bitne podatke 8 pinova u 8 bitova podataka.

Sada, kad proslijedim 8 bitova podataka prvom IC -u, nakon čega slijedi signal niskog do visokog impulsa u taktu, vidjeti ću da se ulazni podaci odražavaju na izlaznim pinovima. Slično, slanjem 8 bita podataka ostalim IC -ovima i kontrolom pinova sata, mogu poslati 64 bita podataka svim IC -ovima. Drugi problem je nedostatak taktova igle u kontroleru. Zato ću koristiti IC dekoder od 3 do 8 linija za multipleksiranje kontrola sata na satu. Koristeći 3 adresna pina u dekoderu u kombinaciji s mikrokontrolerom mogu kontrolirati 8 izlaznih pinova dekodera. Ovih 8 izlaznih pinova mora biti spojeno na taktove u IC -u. Sada moramo skratiti sve pinove za omogućavanje izlaza i spojiti ih na pin na mikrokontroleru, pomoću toga bismo trebali moći uključiti ili isključiti sve LED diode.

Ono što smo do sada učinili je samo za jedan sloj, sada moramo proširiti funkcionalnost na druge slojeve putem programiranja. Jedan Led troši oko 15mA struje, pa ćemo s tim brojem trebati oko 1 Amp struje za jedan sloj. Sada Arduino pro mini ploča može samo izvoriti ili potopiti do 200 mA struje. Budući da je naša preklopna struja prevelika, morat ćemo koristiti BJT ili MOSFET za kontrolu sloja LED dioda. Nemam mnogo MOSFET -ova, ali imam nekoliko NPN i PNP tranzistora. Teoretski, možda ćemo morati prebaciti do 1 amp struje po sloju. Od tranzistora koje sam dobio, najveći može prebaciti samo oko 800mA struje, tranzistor 2N22222.

Uzmimo dakle 2 tranzistora i povećajmo njihovu trenutnu sposobnost paralelnim povezivanjem. Mnogi ljudi kada usvoje ovu metodu koriste samo otpornik na osnovnoj granici, ali problem je u tome što temperatura mijenja struju kroz tranzistore i postaje neuravnotežena te uzrokuje probleme sa stabilnošću. Kako bismo ublažili problem, možemo upotrijebiti slična 2 otpornika u emiteru za regulaciju struje čak i pri promjeni temperature. Ovaj koncept naziva se degeneracija emitera. Otpornik emitera daje neku vrstu povratne informacije za stabilizaciju pojačanja tranzistora.

Ja ću samo koristiti otpornike samo u bazi. To bi moglo uzrokovati probleme u budućnosti, ali budući da je ovo samo prototip, riješit ću to kasnije.

Korak 5: Lemljenje komponenti

Sada, sklopimo krug na perfboard -u. Počnimo sa flipflop IC -ovima i upotrijebimo IC držač u tu svrhu. Uvijek počnite s prvim i posljednjim pinovima, provjerite stabilnost, a zatim lemite ostale PIN -ove. Upotrijebimo i neko muško zaglavlje radi uključivanja i isključivanja otpornika za ograničavanje struje i radi povezivanja s kockom. Sada spojite IC kondenzatore za razdvajanje blizu pinova za napajanje IC -a.

Zatim, poradimo na mikrokontroleru. Da bismo ga uključili i uključili, upotrijebimo držač i prvo spojimo ženske pinove, a zatim postavimo mikrokontroler.

Vrijeme je za rad na tranzistorima. Za povezivanje na bazu tranzistora potrebno je 16 otpornika od 1K ohma. Kako bih zadržao uobičajene katodne pinove LED kocke u zadanom logičkom stanju, upotrijebit ću 8 K ohmski zip otpornik koji sadrži 8 otpornika. Na kraju, počnimo raditi na IC dekoderu adrese. Sada je kolo pripremljeno slično dizajnu kola.

Korak 6: 3D štampanje

Treba nam kućište za postavljanje ploče i LED kocke, pa upotrijebimo 3D tiskanu. Napravit ću ga od 3 dijela radi lakšeg sastavljanja.

Prvo, osnovna ploča za držanje LED strukture. Drugo, centralno tijelo za elektroniku. Treće, poklopac za zatvaranje kućišta.

Korak 7: Zaključno

Počnimo s postavljanjem LED strukture. Igle možete progurati kroz rupe i direktno ih lemiti na ploču, ali radi stabilnosti prvo ću upotrijebiti perf ploču, a zatim je lemiti u kolo. Koristim vrpčni kabel za lemljenje LED dioda, a zatim spojite drugi kraj na odgovarajuće izlazne pinove IC-ova za japanke.

Za povezivanje tranzistora i slojeva LED kocke moramo imati nezavisne pinove za spajanje na katodne pinove. Prije nego ga uključimo, važno je provjeriti kontinuitet i napon između tačaka. Kad sve bude dobro, IC se mogu spojiti i zatim uključiti. Opet je dobro provjeriti da li sve LED diode svijetle tako da ih direktno priključite na napajanje prije nego što ih povežete kroz krug. Ako se utvrdi da su svi dobri, tada se LED kabeli mogu spojiti na odgovarajuće japanke.

Uradimo nešto na čišćenju - odspojimo kabl za programiranje mikrokontrolera, odrežemo izbočene pinove itd. Sada spojimo kabl za programiranje na tijelo kućišta, popravimo statusnu lampicu, prekidač za napajanje i na kraju prekidač za resetiranje. Blizu smo završetka, pa spojimo tri dijela. Počnite s LED postoljem prema tijelu, a zatim kad kabeli dobro sjednu dobro zatvorite poklopac na dnu.

Preuzmite kôd na Arduino Pro Mini i to je to!

Hvala Chr https://www.instructables.com/id/Led-Cube-8x8x8/ na izvrsnim Instructable i Code.