Cubo LED 3x3 basato su Arduino: 7 passaggi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:04

Ciao e benvenuto nel mio primo Instructable.

Vi presento un design semplice e pulito per un cubo LED 3x3x3 per principianti. Per semplificare la costruzione, fornisco i dettagli di un PCB personalizzato, che puoi realizzare o acquistare, istruzioni e puoi, come me, riutilizzare il software da questa fantastica libreria Arduino LED Cube e arduino lib.

Uno degli obiettivi del design era quello di utilizzare solo parti con foro passante, sono più facili da saldare per i principianti e tutto è prontamente disponibile via Internet sui tuoi siti di aste/acquisti preferiti.

Il design può essere alimentato da un cavo USB o da un adattatore di alimentazione CC da 7,5-12 V.

Il circuito utilizza un design di base Arduino ridotto e puoi programmarlo in circuito utilizzando un programmatore In Circuit System Programmable (ICSP) economico o un adattatore da USB a TTL facilmente disponibile. L'unico software di cui hai bisogno è il venerabile IDE Arduino.

Questo design non è rivoluzionario, si basa solo su alcuni lavori precedenti e l'ho confezionato in modo ordinato. Spero che vi piaccia.

Passaggio 1: parti necessarie

Questo design utilizza parti con foro passante ampiamente disponibili. Il tuo distributore locale preferito dovrebbe immagazzinare le parti di cui hai bisogno.

Hai bisogno di un Atmega 168p o Atmega 328p con il bootloader Arduino installato. Puoi trovarli su Ebay, cerca "arduino bootloader", assicurati di acquistare la variante Dual In Line (DIL). Hai anche bisogno di una presa USB di tipo B, quella normale, più vecchia, grassa. Ho scelto questo perché è facile da saldare. I transistor, T1-T3 sono transistor NPN per uso generale, così come i tipi elencati, puoi usare BC108, 2N2222, 2N3904 ecc.

Per i LED più importanti, assicurati di acquistare LED ad alta luminosità o ultra luminosi. Ho usato LED 10000-12000mcd da un venditore su Ebay per il cubo di esempio mostrato qui. Vuoi quelli luminosi in modo da poter ancora vedere il cubo nella normale illuminazione della stanza. Se la descrizione dell'articolo descrive in dettaglio l'angolo di visione, in genere è di 20 gradi, ma puoi trovarne uno con un angolo di visione più ampio, prendi in considerazione. Questi LED ultraluminosi non sono i più chiari se visti di lato. Potrebbe essere necessario provare alcuni LED di fornitori diversi prima di trovare quelli adatti alle proprie esigenze.

Elenco completo delle parti:

Descrizione valore partePCB Il simpatico PCB verde, realizzalo o acquistalo.27 LED da 3 mm, colore a scelta. C1 Condensatore ceramico 100n 100nF, 25V, passo 7,5mm C2 Condensatore ceramico 22p 22pF, 25V, passo 4,4mm

C3 Condensatore ceramico 22p 22pF, 25V, passo 4.4mm C4 Condensatore ceramico 100n 100nF, 25V, passo 7.5mm C5 Condensatore ceramico 100n 100nF, 25V, passo 7.5mm C6 10u 10uF 16V, contenitore 5.5mm Condensatore elettrolitico, 16V C7 22u 10uF 16V, Case 5,5mm Condensatore elettrolitico, 16V IC1 ATMEGA ATEMEGA168 o ATMEGA328 con bootloader Arduino IC2 L7805T L7805CV 5V, regolatore lineare 100mA, contenitore TO92 ICSP ICSP Pin header strip, passo 0,1", 2x3 vie. J1 DCJ0202 Presa DC, diametro interno 2,1mm. JP1 Pin header strip, passo 0,1", 1x3 vie. Q2 16MHz 16MHz, HC49 case crystal, 50ppm, basso profilo R1 10k 10K 1/4W resistore a film metallico 1% R2 1k 1K 1/4W resistore a film metallico 1% R3 1k 1K 1/4W resistore a film metallico 1% R4 1k 1K 1/ Resistenza a film metallico 4W 1% R5 470 470 Resistenza a film metallico 1/4W 1% R6 Resistenza a film metallico 1k 1K 1/4W 1% R8 100 100R Resistenza a film metallico 1/4W 1% R9 100 100R Resistenza a film metallico 1/4W 1% R10 470 470R Resistenza a film metallico 1/4W 1% R11 470 470R Resistenza a film metallico 1/4W 1% R12 470 470R Resistenza a film metallico 1/4W 1% R13 470 470R Resistenza a film metallico 1/4W 1% R14 470 470R 1/4W resistenza a film metallico 1% R15 470 470R 1/4W resistenza a film metallico 1% R16 470 470R 1/4W resistenza a film metallico 1% R17 470 470R 1/4W resistenza a film metallico 1% R18 1k 1K 1/4W resistenza a film metallico 1% R19 LDR Interruttore PTH opzionale per montaggio su PCB LDR S1 S1 4 pin, 6x6mm. T1 BC547 BC547/BC548 transistor NPN a bassa potenza, TO92 T2 BC547 BC547/BC548 transistor NPN a bassa potenza, TO92 T3 BC547 BC547/BC548 transistor NPN a bassa potenza, TO92 X4 Presa USB tipo B, foro passante per montaggio su PCB.4 x 3-5 mm di altezza attaccare su piedini di gomma.

Passaggio 2: schema elettrico e spiegazione del funzionamento

Lo schema è mostrato sopra.

Il design si basa sullo schema Arduino Duemilanove, ridotto all'essenziale. Il dispositivo da USB a seriale è stato rimosso ma è presente un'intestazione seriale, JP1, che consente a un adattatore da USB a TTL di programmare il dispositivo, ulteriori informazioni sulla programmazione in seguito. C'è anche l'intestazione ICSP.

La scheda può funzionare dalla presa USB, utilizzando la comoda alimentazione da 5 V nel PC o un pacchetto di caricabatterie per telefoni cellulari a buon mercato da un negozio di sterline/dollari. L'altra opzione utilizza l'ingresso della spina CC, questo accetta un ingresso CC da 7-15 V in modo da poter utilizzare qualsiasi adattatore per spina che possiedi. Il circuito utilizza solo 30 mA, quindi l'adattatore scartato da un gadget morto dovrebbe funzionare, controlla la tua casella di posta indesiderata.

I resistori da R12 a R17 impostano la corrente, che imposta la luminosità dei LED. Con i led ROSSI e le resistenze 470R mostrate, la corrente è ~5mA per LED. Per calcolare la corrente del LED è necessaria la tensione di uscita del dispositivo Atmega (4,2V) e la caduta di tensione diretta del LED, per un LED rosso è 1,7V. La formula è:

Corrente LED = (Tensione di uscita Atmega - Tensione LED)/I Led

Con le parti che ho usato: Corrente LED = (4,2-1,7)/470 Corrente LED = 5,31 mA

Limitare la corrente dall'Atmega 168/328 a 10mA

Alcune cadute di tensione comuni dei LED:

Rosso 1.7VGiallo 2.1VOarancione 2.1VVerde 2.2VBlu 3.2VSuper blu 3.6VBianco freddo 3.6V

Quindi puoi usare un LED blu ad alta luminosità, il resistore scenderebbe a 270R. Puoi aumentare la corrente a 10 mA, nei miei test ho trovato che 5 mA erano sufficienti.

I transistor T1-T3 sono comuni transistor NPN BJT, BC547/BC548/2N2222 ecc. Controllano la commutazione di ciascuno dei tre strati. I resistori R2-R4 limitano la corrente di base del resistore.

R6 e il LED PWR sono opzionali, copiati da Arduino, è ovvio se il cubo LED è acceso.

C2, C3 e Q2 formano il circuito di clock per il dispositivo Atmega 168/328p, preprogrammato con il bootloader. Assicurati di montare i condensatori da 22 pF qui e non altrove, il chip non si avvia. C1, C4 e C5 sono disaccoppiamento dell'alimentazione. IC2, C6 e C7 formano un semplice circuito regolatore lineare. Non c'è molto da dire su questo, ma assicurati di montare i condensatori nel modo corretto. Ci sono + simboli sul disegno del PCB e sulla serigrafia.

SK1 e R8 e R9 sono l'interfaccia seriale. Utilizzando un adattatore da USB a TTL, è possibile programmare il dispositivo, utilizzando l'esempio qui

Passaggio 3: ottenere i file di progettazione e realizzare il PCB

I dati di progettazione PCB possono essere scaricati da Github all'indirizzo

Sono presenti file Gerber elaborati per l'invio a un produttore di PCB, schemi e overlay PCB in formato-p.webp

Il PCB potrebbe essere fabbricato a casa, l'avrei fatto ma ho finito Etchant. Il design può essere realizzato utilizzando un PCB a lato singolo e lo strato superiore (ROSSO nelle immagini) può essere implementato utilizzando collegamenti in filo di rame stagnato. Ho usato https://pcbshopper.com/ per trovare un fornitore adatto, per i prototipi ho usato Elecrow.

Il design del PCB su Github ha 3 modifiche al design del prototipo mostrato qui:

1. Il regolatore 7805CV è stato sostituito da un regolatore 78L05 più piccolo.
2. Il PCB si è ridotto di 5 mm.
3. Ho rimosso il polyfuse dall'alimentazione USB +5V.

Passaggio 4: assemblaggio del PCB

Il PCB è ragionevolmente semplice da assemblare. Ho aggiunto una foto del PCB assemblato e il layout sopra per riferimento. Comincio sempre montando prima le parti più piccole e procedendo verso l'alto, particolarmente importante se non si dispone di un supporto per PCB.

1. Inizia inserendo prima le resistenze, non saldarle ancora. Assicurati di inserire il componente corretto nel posto giusto. Per facilitare il controllo, montarli con la fascia di tolleranza a destra/in basso, facilita il controllo successivo. Guarda qui se hai bisogno di aiuto per identificare i codici colore dei resistori. Dopo aver verificato che le parti corrette sono nel posto giusto, saldare le parti.
2. Saldare il cristallo Q2 in posizione e i condensatori C2 e C3.
3. Saldare la presa a 28 pin per l'Atmega168/328 in posizione, assicurarsi di avere la tacca del pin 1 più in alto, questo aiuta a prevenire l'inserimento del dispositivo all'indietro.
4. Montare i connettori ICSP e JP1.
5. Montare i condensatori C1, C4 e C5, tutti 100nF (codice articolo 104).
6. Il regolatore lineare IC2.
7. Montare i transistor T1, T2 e T3. Assicurati di non aver scambiato T1/T2/T23 e IC1 poiché sono tutti nello stesso pacchetto.
8. Fit S1, l'orientamento non ha importanza.
9. Monta C6 e C7, assicurati di ottenere la polarità corretta!
10. Montare il connettore USB X4.
11. Montare la spina di alimentazione CC J1.

L'ultimo pezzo da assemblare è l'intestazione del pin tornito SIL. Uso un paio di tronchesi per rimuovere con cura la plastica da ogni pin della striscia, lo ripeto fino a quando non ho 12 zoccoli girati, quindi usando un paio di pinze e 3 mani, saldare ciascuno a turno al PCB. Poiché la maggior parte delle persone non ha 3 mani, stagna ogni foro con un po' di saldatura, per coprire il pad, lascialo raffreddare. Quindi applicare il saldatore per fondere la saldatura e inserire il perno, rimuovere il saldatore per un giunto. Potrebbe essere necessario un po' di saldatura fresca se si dispone di un giunto asciutto.

Prima di controllare la saldatura, prenditi una breve pausa, magari per una bevanda?Ispeziona la tua saldatura, controlla il connettore USB poiché i pin sono molto vicini e i pin sul dispositivo Atmega168/328.

Una volta che sei soddisfatto della tua saldatura, fissa i piedini autoadesivi alla parte inferiore del PCB.

Passaggio 5: assemblaggio del cubo LED

Questa è la parte più difficile dell'assemblaggio. Prenditi il tuo tempo, non aver paura.

Ho aggiunto delle note alle immagini sopra poiché un'immagine dice più di mille parole.

Alcuni punti importanti.

1. Assicurati che il cavo positivo (gamba più lunga) sia rivolto verso il basso mentre il design passa da +V ai 9 LED su ogni strato.
2. Assicurati che il cavo negativo sia piegato a 90 gradi rispetto al LED, per creare le barre orizzontali.
3. Costruisci ogni livello individualmente e controlla due volte o tre volte la build.
4. Assicurati che il filo di rame stagnato, quando usato, sia a metà strada tra ogni fila di LED, questo rende più facile attaccare il filo dell'interruttore di livello.

Passaggio 6: test e assemblaggio finale del cubo

Prima di collegare l'assieme cubo LED o il dispositivo Atmega168/328, puoi eseguire alcuni semplici controlli.

Se hai un multimetro digitale (dovresti averne uno se costruisci un progetto come questo), misura la resistenza tra i pin 7 (positivo) e 8 (negativo) della presa a 28 pin, dovresti avere> 1K. Se è inferiore a questo, controlla la saldatura.

Quindi applica un ingresso 7-15 V a J1, tornando ai pin 7 e 8 della presa a 28 pin, misura la tensione, dovresti vedere 5 V ma potrebbe essere compreso tra 4,90 V e 5,1 V, va bene. Se hai installato R6 e il LED PWR, questo dovrebbe essere acceso.

Scollegare J1, collegare un cavo USB a X4, collegare il cavo a un hub o a un adattatore USB da 5 V, ripetere la lettura della tensione sui pin 7 e 8 della presa a 28 pin, la lettura è intorno a 5 V?

I controlli di cui sopra erano per garantire che le tensioni di alimentazione fossero corrette e della giusta polarità.

Quindi, inserisci con attenzione il dispositivo Atmega168p/328p. Se necessario, piega leggermente i pin per adattarli alla presa. Usando J1 e il tuo alimentatore da 7-15 V, accendi l'alimentazione, verifica se IC2 si surriscalda subito dopo l'accensione. In caso affermativo, spegnere l'alimentazione e controllare l'orientamento di IC1.

Quindi inserire con attenzione la prima riga dell'array di LED. Assicurati che una delle barre di supporto del filo di rame stagnato sia vicina a PADL1, PADL2 e PADL3, ne avrai bisogno in seguito quando salderai il filo per ogni strato. È meglio iniziare con un perno angolare e, utilizzando un paio di pinze ad ago, piegare leggermente ciascun perno, riga per riga, per adattarlo alla presa sul PCB. Ho aggiunto una foto del primo livello assemblato sopra. Usando un pezzo di filo 1/0.6 a singolo trefolo, tagliarlo a una lunghezza adatta a passare da PADL1/PADL2 o PADL3 a ogni strato del cubo. Ho trovato più facile inserire la prima fila di LED nel PCB e saldare il filo di controllo del primo strato (mostrato in bianco), quindi tornare al passaggio precedente, creare un'altra riga, quindi assemblare ogni strato sul PCB in quanto ciò ha fornito una stabilità base.

Inizia saldando lo strato successivo saldando uno dei LED angolari, quindi salda l'angolo opposto. Ora controlla che lo strato sia livellato prima di saldare ulteriormente. Dopo aver regolato lo strato, saldare gli altri due LED angolari, l'array dovrebbe essere livellato ma ricontrollarlo. Saldare i LED rimanenti. Ripeti l'assemblaggio del livello per il livello finale.

Passaggio 7: programmazione

A seconda del tuo dispositivo Atmega, potresti dover programmare il bootloader o semplicemente scaricare il codice. Se hai un chip con il bootloader già programmato, puoi utilizzare un adattatore da USB a TTL. Segui questa guida:

www.instructables.com/id/Program-Arduino-Mini-05-with-FTDI-Basic/

Puoi anche usare il connettore In Circuit System Programmable (ICSP) 2x3 pin, puoi usare un altro Arduino per fare questo:

www.instructables.com/id/How-to-use-Arduino-Mega-2560-as-Arduino-isp/

Uso un programmatore Usbasp che funziona con l'IDE Arduino, configuralo tramite il menu Strumenti-> Programmatore. Puoi scegliere i programmatori Arduino/Atmel AVR a buon mercato tramite Ebay o altri siti di aste.

Scarica la libreria del cubo LED da https://github.com/gzip/arduino-ledcube, segui le istruzioni su Github e cerca nella directory degli esempi "arduino-led-cube->ledcube".

Se stai utilizzando il programmatore ICSP, tieni premuto Maiusc prima di fare clic su Carica per indicare all'IDE di Arduino di utilizzare il programmatore. Se stai utilizzando l'adattatore da USB a TTL, premi e rilascia reset una volta che l'IDE ha terminato la compilazione.

Una volta che il codice di esempio è stato programmato, dovresti avere un cubo LED con dei bei motivi.

Questo è il mio primo istruibile, commenti e feedback sono i benvenuti.