Cubo LED fai da te: 7 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:03

Il LED Cube non è altro che una serie tridimensionale di LED da illuminare in diverse forme e modelli. È un progetto interessante per apprendere o migliorare le tue abilità di saldatura, progettazione di circuiti, stampa 3D e programmazione. Anche se mi piacerebbe costruire un cubo RGB, penso che inizierò prima con un semplice cubo led a un colore per acquisire esperienza.

Sono rimasto molto colpito e ispirato dal progetto di Char di Instructables, dovresti dare un'occhiata se hai tempo.

Ho intenzione di costruire un cubo led 8x8x8, che non è altro che 8 righe, 8 colonne e 8 strati di LED. Sono 512 LED in tutto. Ora, l'elemento più importante è il LED, scegli la dimensione più piccola in modo che il cubo sia compatto. Inoltre, è meglio mettere i LED diffusi su quelli traslucidi perché quelli traslucidi diffondono la luce e non sono molto accattivanti.

Passaggio 1: componenti necessari

LED - 512 pz

Resistori 1k, 220E - pochi

Interruttore tattile - 1 pz

Interruttore a pressione su ON - 1 pz

Intestazioni M/F - Poche

Arduino Pro Mini - 1 pz

Condensatori 0.1uF - 9pc

Perfboard (15 cm x 15 cm) - 2 pezzi

LED - 1 pz

74HC594 - 8 pezzi

Transistor 2N2222 - 16 pezzi

74LS138D - 1 pz

Prese CI 20 pin - 9pz

Prese CI 16 pin - 1 pz

Cavi a nastro - 5 metri

Programmatore UART

RPS

Accesso alla stampante 3D

Passaggio 2: assemblaggio della struttura del cubo LED

Ho preso un pacchetto di 1000 LED diffusi di cui userò 512. Ora, dobbiamo essere in grado di controllare ciascuno dei LED in modo indipendente, solo così possiamo creare modelli interessanti.

Userò una scheda Arduino Pro Mini per controllare i LED, ma questa scheda ha solo 21 pin per controllare i LED. Ma posso usare un multiplexer per pilotare tutti i 512 LED attraverso i 21 pin.

Prima di entrare nel design del circuito di pilotaggio, costruiamo la struttura per il cubo LED. È molto importante ottenere la simmetria giusta affinché il cubo abbia un bell'aspetto, quindi prima prepariamo un concerto che ci aiuterà a mantenere la simmetria.

Stamperò in 3D una base 120x120x2mm per costruire il cubo. Lo userò per creare ogni strato di LED, che sarà di circa 64 LED per strato. Ora, ho bisogno di distanziare i LED in modo uniforme su tutta la scheda. Poiché il catodo è di circa 17 mm, lasciando 2 mm per la saldatura, distanziare i fori di 15 mm. Iniziamo la stampa 3D.

Per prima cosa sto disponendo i LED in fila e cortocircuitando il catodo. Allo stesso modo, organizzerò 8 file di LED con i loro catodi in cortocircuito. Una volta fatto, ho 1 pin del catodo e 64 pin dell'anodo, questo forma 1 strato.

La disposizione di 8 di questi strati uno sopra l'altro lo renderà instabile e la struttura si deformerà. Quindi ho intenzione di dargli un ulteriore supporto. Ci sono molti modi per farlo e uno di questi è usare il filo di rame placcato argento, ma dal momento che non ho questo con me proverò un metodo rozzo. L'allungamento del filo di saldatura lo irrigidisce, quindi lo userò come supporto. Applicare alcune saldature sui pin del catodo prima di utilizzare il filo per dare supporto. Si spera che usarlo al centro e ai lati dovrebbe dare al cubo la forza di cui ha bisogno. Avremo bisogno di circa 16 fili ed è molto importante che questa parte sia corretta.

Ho intenzione di raddrizzare i pin dell'anodo per renderli simmetrici.

I LED possono a volte danneggiarsi a causa del calore di saldatura, quindi è meglio controllarli dopo aver costruito ogni strato. Una volta fatto, gli strati possono essere assemblati uno sopra l'altro e questa volta i pin dell'anodo possono essere saldati. Alla fine, dovresti avere 64 pin anodici e un pin catodico per strato. Quindi con questi 64 + 8 = 72 pin, dovremmo essere in grado di controllare ciascuno dei LED in questo cubo.

Ora, abbiamo bisogno di una struttura di supporto per assemblare gli strati uno sopra l'altro.

Ho fatto un errore. Ero un po' troppo entusiasta e non ho controllato se i pin dell'anodo erano allineati tra loro. Avrei dovuto piegare i pin dell'anodo di 2 mm in modo che ogni strato possa essere saldato l'uno all'altro e si possa formare una linea retta. Dato che non l'ho fatto, dovrò piegare manualmente tutti i pin che ho saldato e questo potrebbe influenzare la mia simmetria alla fine. Ma quando lo costruisci, fai la dovuta attenzione a non commettere lo stesso errore. Ora che la costruzione è completa, dovremo lavorare sul circuito pilota.

Passaggio 3: circuito driver: ridurre il numero di pin

Come ho detto all'inizio, avremo bisogno di 72 pin IO dal controller, ma questo è un lusso che non possiamo permetterci. Quindi costruiamo un circuito multiplexing e riduciamo il numero di pin. Diamo un'occhiata a un esempio, prendiamo un IC flip-flop. Questo è un flip-flop di tipo D, non preoccupiamoci dei tecnicismi a questo punto. Il compito fondamentale dell'IC è quello di ricordare gli 8 pin, di cui 2 per l'alimentazione, D0 – D7 sono i pin di input per ricevere i dati e Q0 – Q7 sono i pin di output per inviare i dati elaborati. Il pin di abilitazione dell'uscita è un pin basso attivo, cioè solo quando lo rendiamo 0 i dati di input appariranno nei pin di output. C'è anche un pin dell'orologio, vediamo perché ne abbiamo bisogno.

Ora, ho fissato l'IC su una breadboard e impostato i valori di input su 10101010 con 8 LED collegati all'output. Ora, i LED sono accesi o spenti in base all'ingresso. Fammi cambiare l'input in 10101011 e controllare l'output. Non vedo alcun cambiamento con i LED. Ma quando invio un impulso da basso ad alto attraverso il pin dell'orologio, l'uscita cambia in base al nuovo ingresso.

Useremo questo concetto per sviluppare il nostro circuito di pilotaggio. Ma il nostro IC può ricordare solo 8 dati pin di input, quindi useremo un totale di 8 di questi circuiti integrati per supportare 64 input.

Passaggio 4: progettazione del circuito del driver

Comincio con il multiplexing di tutti i pin di input dell'IC agli 8 pin di dati del microcontrollore. Il trucco qui è dividere i dati a 64 bit degli 8 pin in 8 bit di dati.

Ora, quando passo gli 8 bit di dati al primo IC seguito da un segnale di impulso da basso ad alto nel pin dell'orologio, vedrò i dati di ingresso riflettere nei pin di uscita. Allo stesso modo, inviando 8 bit di dati al resto dei circuiti integrati e controllando i pin di clock, posso inviare 64 bit di dati a tutti i circuiti integrati. Ora l'altro problema è la carenza di pin di clock nel controller. Quindi userò un decodificatore IC da 3 a 8 linee per multiplexare i controlli del pin dell'orologio. Utilizzando i 3 pin di indirizzo nel decoder in combinazione con il microcontrollore posso controllare gli 8 pin di uscita del decoder. Questi 8 pin di uscita devono essere collegati ai pin di clock nei circuiti integrati. Ora dobbiamo cortocircuitare tutti i pin di abilitazione dell'uscita e collegarci a un pin sul microcontrollore, usando questo dovremmo essere in grado di accendere o spegnere tutti i LED.

Quello che abbiamo fatto finora è solo per un singolo livello, ora dobbiamo estendere la funzionalità ad altri livelli tramite la programmazione. Un Led consuma circa 15mA di corrente, quindi andando da quel numero avremo bisogno di circa 1 Amp di corrente per un singolo strato. Ora la mini scheda Arduino pro può generare o assorbire solo fino a 200 mA di corrente. Poiché la nostra corrente di commutazione è eccessiva, dovremo utilizzare un BJT o un MOSFET per controllare lo strato di LED. Non ho molti MOSFET, ma ho alcuni transistor NPN e PNP. In teoria, potremmo dover commutare fino a 1 amp di corrente per strato. Dei transistor che ho ottenuto, il più alto può commutare solo circa 800 mA di corrente, il transistor 2N22222.

Quindi prendiamo 2 transistor e aumentiamo la loro capacità di corrente collegandoli in parallelo. Molte persone quando adottano questo metodo utilizzano solo il resistore limite di base, ma il problema qui è che quando la temperatura cambia, la corrente attraverso i transistor diventa squilibrata e causa problemi di stabilità. Per mitigare il problema, possiamo utilizzare 2 resistori simili anche nell'emettitore per regolare la corrente anche quando la temperatura cambia. Questo concetto è chiamato degenerazione dell'emettitore. Il resistore di emettitore fornisce una sorta di feedback per stabilizzare il guadagno del transistor.

Userò solo resistori nella base. Ciò potrebbe causare problemi in futuro, ma poiché questo è solo un prototipo lo gestirò in seguito.

Passaggio 5: saldatura dei componenti

Ora, assembliamo il circuito su una perfboard. Iniziamo con i circuiti integrati flipflop e utilizziamo un supporto per circuiti integrati per questo scopo. Inizia sempre con il primo e l'ultimo pin, verifica la stabilità, quindi salda il resto dei pin. Usiamo anche un'intestazione maschio per motivi di plug and play dei resistori di limitazione di corrente e per la connettività al Cube. Ora collega i condensatori di disaccoppiamento dell'IC vicino ai pin di alimentazione dell'IC.

Quindi, lavoriamo sul microcontrollore. Per renderlo plug and play, utilizziamo un supporto e colleghiamo prima i pin femmina, quindi posizioniamo il microcontrollore.

È ora di lavorare sui transistor. Sono necessari 16 resistori da 1K ohm per il collegamento alla base dei transistor. Per mantenere i pin del catodo comune del LED Cube in uno stato logico predefinito, utilizzerò un resistore zip da 8 K ohm, che contiene 8 resistori. Infine, lavoriamo sull'IC del decodificatore di indirizzi. Ora il circuito è pronto in modo simile al design del circuito.

Passaggio 6: stampa 3D

Abbiamo bisogno di un involucro per alloggiare il circuito stampato e il cubo led, quindi usiamo uno stampato in 3d. Lo farò in 3 parti per facilitare il montaggio.

Innanzitutto, una piastra di base per contenere la struttura a led. In secondo luogo, un corpo centrale per l'elettronica. Terzo, un coperchio per chiudere l'alloggiamento.

Passaggio 7: concludere

Iniziamo con il montaggio della struttura led. Puoi spingere i pin attraverso i fori e saldarli direttamente al circuito, ma per motivi di stabilità, userò prima una scheda perf, quindi la salderò al circuito. Sto usando un cavo a nastro per saldare ai LED, quindi collegare l'altra estremità ai rispettivi pin di uscita dei circuiti integrati flip-flop.

Per connettere il transistor e gli strati del cubo LED, abbiamo bisogno di pin indipendenti da connettere ai pin del catodo. Prima di accenderlo, è importante verificare la continuità e la tensione tra i punti. Una volta che tutto è a posto, i circuiti integrati possono essere collegati e quindi accesi. Ancora una volta, è bene verificare se tutti i LED si accendono collegandolo direttamente all'alimentazione prima di collegarlo attraverso il circuito. Se tutto risulta a posto, i cavi led possono essere collegati ai rispettivi punti flip-flop.

Facciamo un po' di pulizia: scollegare il cavo di programmazione del microcontrollore, tagliare i pin sporgenti, ecc. Ora colleghiamo il cavo di programmazione al corpo dell'alloggiamento, fissiamo un led di stato, un interruttore di alimentazione e infine un interruttore di ripristino. Siamo vicini alla fine, quindi mettiamo insieme le 3 parti. Inizia con la base del LED al corpo, quindi una volta che i cavi sono ben posizionati, chiudi il coperchio nella parte inferiore.

Scarica il codice su Arduino Pro Mini e il gioco è fatto!

Grazie a Chr https://www.instructables.com/id/Led-Cube-8x8x8/ per il suo eccellente Instructable e Code.