Интерактивная периодическая таблица светодиодов: 12 шагов (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:52

By Bees Knees Следуйте дальше от автора:

У нас с девушкой есть коллекция элементов - образцы уникальных кусочков материи, из которых состоит все во Вселенной! Для такой интересной коллекции я решил построить витрину, которая демонстрирует образцы во всей их миростроительной славе.

Я знаю, что не у многих есть коллекция элементов, но у каждого есть что показать! Цель этого руководства - дать вам достаточное представление о процессе строительства, электронике и коде, чтобы создать свой собственный индивидуальный дисплей для всего, что вы хотите.

Интерактивность дисплея делает его отличным учебным пособием для учителей, демонстрирующим особенности периодической таблицы Менделеева и то, как различные элементы соотносятся друг с другом. И вообще, на это просто весело смотреть!

Шаг 1. Что вам нужно

Все, что покупается в местном хозяйственном магазине, если не указано иное.

Вся электроника куплена на Али Экспресс (ссылки даны). Али Экспресс - это место, где можно купить дешевую электронику, обычно удивительно высокого качества.

Материалы

Рамка - Ключ: (длина x ширина x высота) x количество

• Доски сосновые (2400x60x10мм) x7
• Лист МДФ (1200x600x4,5мм) x2
• Наждачная бумага (зернистость 120)
• Клей для дерева
• Наполнитель для дерева
• Белая акриловая краска --- Художественный магазин
• Карандаш
• Декоративный плинтус (2400мм) x2
• Бальзовое дерево (1000x10x2мм) x6 --- Художественный магазин

Электроника

• Светодиоды (Neopixels / ws2812b) x90 --- Ali Express Link «1 м 100 IP30» предоставит вам 100 неводонепроницаемых светодиодов.
• Проволока (5 м рулонов калибра 22 или аналогичных. Предпочтительны разные цвета) x3 --- Ali Express Link
• Arduino Nano --- Али Экспресс Ссылка
• Модуль Bluetooth (HC05) --- Ali Express Link
• Блок питания (5V 4A) --- Ali Express Link
• Сетевой шнур питания --- Магазин бывших в употреблении товаров
• Припой --- Али Экспресс Ссылка
• Прототип точечной доски --- Али Экспресс Ссылка
• Заголовки женских контактов --- Али Экспресс Ссылка
• Винтовые клеммы --- Али Экспресс Линк

Инструменты

• Паяльник
• Мультиметр --- Али Экспресс Ссылка
• Ручная пила (или настольная пила)
• Горячий клеевой пистолет (с клеевыми стержнями)
• Дрель
• Сверло (3-8 мм)
• Зажимы
• Рулетка
• Инструмент для зачистки проводов --- Ali Express Link

Шаг 2: планирование

Функции

• Дисплей имеет форму таблицы Менделеева. Таким образом, светодиоды могут показать особенности и тенденции периодической таблицы Менделеева.
• Каждая позиция в таблице Менделеева - это закрытая полка, на которую может опираться образец элемента.
• Я использовал светодиоды WS2812B, которые я могу индивидуально зажечь любым цветом.
• Дисплей имеет функцию Bluetooth и телефонное приложение для управления им. Главное, чего я хотел от этого дисплея, - чтобы он был интерактивным. С приложением для телефона так весело играть!

Строительство

Витрина сделана из сосновых досок 60х10мм. Я купил свой длиной 2,4 м, но было доступно много разных длин. Все необходимые детали легко умещаются в 7 кусках по 2,4 м. Осталась почти одна длина - на случай, если я ошибусь!

Я нарисовал «План кадрирования», которому вы должны следовать. Используйте это вместе с параметром «Длина и количество обрамления», который показывает, сколько частей каждой длины необходимо обрезать. Обе диаграммы имеют цветовую кодировку и обозначены буквами, чтобы вы знали, какая часть и куда идет. Все части будут вырезаны и склеены столярным клеем.

На последней схеме показаны формы передней и задней панели, которые будут вырезаны из МДФ и приклеены на место. Я рекомендую просто разместить рамку поверх МДФ и обвести формы карандашом. Формы панелей призваны дать вам представление о том, как они выглядят.

Лантаноиды и актиниды

В настоящее время у меня нет образцов лантаноидов и актинидов, поэтому я не составлял ту часть таблицы Менделеева, которая их содержит. Но я сделаю это в будущем!

Электроника

Планирование электроники задокументировано позже в Instructable.

Шаг 3: резка дерева

Следуя плану, куски сосны 60х10 мм нужно было измерить и отрезать до определенной длины. Я с помощью рулетки и карандаша отметила длину каждого куска дерева, а затем с помощью квадрата нарисовала линию поперек дерева. После каждой отмеченной линии я пил пилой, чтобы пропилить ее сразу за линией. Не пилите прямо по линии, иначе вы получите кусок дерева, который будет немного слишком маленьким из-за толщины пильного полотна. Я зачистил неровные края каждой детали наждачной бумагой. После каждого отрезания полезно пометить его карандашом в соответствии с планом, чтобы упростить сборку.

Примечание: точность очень важна. Мои разрезы не были идеальными, поэтому у меня было довольно много пробелов, которые нужно было заполнить древесиной позже. Настольная или торцовочная пила с упором или стопорным блоком соответственно сделает пропил намного более точным.

Шаг 4: Сборка рамы

Я хотел, чтобы все 60-миллиметровые вертикальные секции были выровнены так, чтобы их измерить, пометить и выровнять в квадрате, где каждая из них должна быть приклеена к горизонтальным доскам. Например, нижняя планка «J» имеет отметку 10 мм (чтобы было место для вертикальной боковой доски), затем я считаю 60 и делаю отметку 70, затем считаю 10 для вертикального сечения, затем еще 60 и отмечаю 140 и т. Д..

Чтобы соединить детали, я нанес столярный клей на соединяемые поверхности, аккуратно разместил их в правильном положении и закрепил зажимами. Я склеивал только несколько штук за раз и давал им высохнуть из-за ограниченного количества зажимов и потому, что в противном случае было сложно все удерживать прямо. Я обнаружил, что это помогает уложить все на плоской поверхности и затянуть зажимы ровно настолько, чтобы я мог по-прежнему возиться с позиционированием, чтобы все части не падали. Как только детали были на месте, я полностью затянул зажимы. Когда рама была полностью собрана, она оказалась намного прочнее, чем я ожидал, из-за большого количества различных клеевых соединений. Если вам нужен более мощный дисплей, вы можете использовать маленькие винты или вырезать прорези, чтобы соединить части вместе.

Примечание. Склеивая такую конструкцию вместе, можно получить как можно больше зажимов. Возможно, вы сможете одолжить немного у друзей или найти дешевое подержанное.

Шаг 5: границы

Чтобы дисплей лучше смотрелся на стене, я решил его обрамить. Я принес декоративную лепнину (тип профилированной древесины, из которой делают рамы для картин) и приклеил ее по бокам дисплея, стараясь зафиксировать ее на месте, пока клей высыхает. Сложная часть этого заключалась в том, чтобы вырезать углы в 45 градусов в молдинге, чтобы углы хорошо сочетались друг с другом. Мой метод заключался в том, чтобы сложить лист бумаги формата А4 коротким и длинным краем, чтобы получился угол 45 градусов, и по нему провести линию на нижней (плоской) стороне лепного украшения. Чтобы выровнять молдинги, измерьте длину стороны дисплея, на которую вы надеваете молдинг, и отметьте эту длину на внутреннем крае молдинга. Обязательно начните примерно с 30 мм и отметьте также начальную точку. Затем линии под углом 45 градусов выходят наружу от двух отмеченных точек.

Шаг 6: Подложка и передняя панель

Поддержка

Дисплею нужна подложка, чтобы светодиоды могли отражаться, сделать дисплей более безопасным и скрыть все провода, которые будут там находиться. Для изготовления основы я использовал два листа МДФ размером 1200x600x4,5 мм. Я разместил листы МДФ на плоской поверхности в альбомной ориентации рядом друг с другом и поместил рамку дисплея поверх них. Я перемещал раму до тех пор, пока шов не скрывался одной из вертикальных досок рамы. Затем я провел карандашом по внешней стороне дисплея на МДФ и вырезал его с помощью пилы. Я перевернул дисплей и приклеил основание к задней части дисплея столярным клеем. Я накрыл основу тяжелыми предметами, чтобы она не поднималась или не двигалась во время высыхания.

Опорные отверстия

В подложке должны быть отверстия в каждой ячейке для пропускания проводов светодиодов. Я использовал аккумуляторную дрель и сверло диаметром 6 мм, чтобы просверлить по два отверстия в каждой ячейке. По одному отверстию в каждом верхнем углу. С отверстиями и проводами в верхних углах их труднее увидеть при просмотре дисплея.

Передняя панель

Я хотел, чтобы дисплей был более прямоугольным, поэтому я поместил кусок МДФ толщиной 4,5 мм под рамку и обрисовал неправильную форму ячеек 16x3 на МДФ. Затем я использовал пилу, чтобы вырезать форму и приклеил ее к раме с помощью столярного клея.

Вкладки

Я вырезал небольшие квадраты из МДФ с одним отрезанным уголком, чтобы приклеить его на место, чтобы закрепить переднюю панель и раму вместе немного более надежно. (Фото этих вкладок можно увидеть в разделе электроники).

Шаг 7: завершающие штрихи

Рисование

Окрашивать дерево или красить было непросто. В конце концов, я покрасил весь дисплей в белый цвет дешевой акриловой краской. Я решил, что белый цвет будет хорошо отражать светодиодное освещение и действительно освещать клетки. Это определенно сработало в мою пользу!

Лазерная резка букв

Недавно мне посчастливилось иметь доступ к лазерному резчику, который вырезал несколько черных акриловых букв для дисплея. Я думаю, что это действительно завершает эстетику дисплея. Прежде чем у меня появился доступ к лазерному резаку, я думал о покупке дешевой деревянной надписи и покраске ее. (Найдите файл, который я использовал, прикрепленный).

Шаг 8: Электроника - Планирование

Светодиоды

Я использовал светодиоды WS2812B из-за простоты подключения и кодирования. Изначально я планировал установку мультиплексированных светодиодов и регистров сдвига. WS2812B делают жизнь намного проще! Даже если вы не собираете дисплей, я рекомендую поиграть с этими светодиодами, потому что они невероятные (и дешевые от Ali Express)!

Власть

Для дисплея я использовал 90 светодиодов WS2812B. Каждый светодиод имеет 3 цвета (красный, зеленый и синий), каждый из которых потребляет до 20 мА при полной яркости. Если все 3 цвета имеют максимальную яркость, светодиод потребляет до 60 мА.

60 мА x 90 светодиодов = 5400 мА (5,4 А)

Я нашел на Али Экспресс дешевый блок питания на 5 вольт, который может обеспечивать ток 4 А, поэтому я его принес. Этого блока питания будет достаточно, если у меня не будет слишком много светодиодов на полной яркости одновременно. У меня была проблема с мерцающими светодиодами, но в основном это было из-за падения напряжения (которое я объясню позже). Я бы рекомендовал рассчитать максимальное потребление тока, как это сделал я, и купить блок питания не менее этого значения.

Светодиоды WS2812B работают от 5V, поэтому убедитесь, что у вас есть источник питания 5V.

блютуз

Я хотел, чтобы дисплей был интерактивным. Подключение по Bluetooth к телефонному приложению было самым простым способом сделать это. Модуль Bluetooth HC05 прост в использовании. Вы просто относитесь к этому как к последовательному соединению.

Шаг 9: Электроника

Карта подключений

Прочтите соединения на изображении электрической схемы или написанном ниже:

(Arduino) D9 - DIN (начало светодиодной цепочки)

(Arduino) GND - GND (Источник питания)

(Arduino) + 5В - + 5В (питание)

(Arduino) TX - резистор 1 кОм - резистор 2 кОм - GND (источник питания)

Центральная точка двух резисторов - RX (модуль Bluetooth)

(Arduino) RX - TX (модуль Bluetooth)

(Питание) + 5В - + 5В (начало светодиодной цепочки)

(Источник питания) GND - GND (начало светодиодной цепочки)

(Питание) + 5В - + 5В (модуль Bluetooth)

(Электропитание) GND - GND (модуль Bluetooth)

Подключение светодиодов

Подключение светодиодов WS2812B довольно простое, но их МНОГОЕ! Есть 90 светодиодов, каждый с 6 паяными соединениями. Это 540 паяных соединений! Я принес WS2812B на маленьких круглых печатных платах, что немного раздражало, так как мне приходилось горячим клеем их к верхней части каждой полки. Я бы порекомендовал приобрести светодиодные ленты WS2812B, которые я связал в разделе «Что вам нужно», потому что они уже имеют липкую основу и имеют большую площадь поверхности, поэтому с ними легче работать. Если вы все же выбираете полосы, каждый светодиод нужно вырезать, разрезав линии между контактными площадками.

Каждый WS2812B имеет 6 подключений. 2 + 5V, 2 GND, DIN и DOUT. DIN и DOUT обозначают ввод данных и вывод данных. Провод данных должен пройти от предыдущих светодиодов DOUT к следующим светодиодам DIN. Провода питания и заземления следуют этому примеру до тех пор, пока все светодиоды не соединятся в цепочку. На схеме подключения показано, как подключены светодиоды, если мое объяснение не имело смысла!

Примечание. На светодиодах есть стрелка, чтобы вы знали, в каком направлении они должны быть обращены в цепи. Это хороший индикатор, а не просто смотреть на DIN и DOUT.

Я приклеил светодиоды к верхней части каждой полки в направлении, указанном на схеме «Расположение светодиодов».

Снова следуя схеме «расположение светодиодов», я перерезал провода, которые проходили между каждым светодиодом в цепи через отверстия, просверленные в подложке из ДВП. Я использовал другой цвет провода для линий + 5V, GND и Data, чтобы убедиться, что нет путаницы в том, какой провод к какому светодиоду припаивается. Мне пришлось зачистить каждый провод с помощью инструмента для зачистки проводов, прежде чем паять их вместе, как описано в 3 абзацах выше.

Подключение источника питания

ВНИМАНИЕ: СЕТЬ МОЖЕТ УБИТЬ. СОБЛЮДАЙТЕ ОСТОРОЖНО ПРИ ПОДКЛЮЧЕНИИ ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ ИЛИ ПОКУПАЙТЕ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ С УЖЕ ПРИСОЕДИНЕННЫМ КАБЕЛЕМ.

К блоку питания, который я принес, не был подключен сетевой кабель. Я нашел сетевой кабель в местном магазине подержанных товаров для моей страны. Блок питания, который я связал в разделе «Что вам нужно», рассчитан на входное напряжение 110/240 В, поэтому должен работать в большинстве стран.

ПРИМЕЧАНИЕ. ЦВЕТОВАЯ КОДИРОВКА СЕТЕВЫХ ПРОВОДОВ НИЖЕ МОЖЕТ ОТЛИЧАТЬСЯ В РАЗНЫХ СТРАНАХ.

Я снял шнур питания, чтобы обнажить 3 цветных провода. Зеленый - земля, синий - нейтраль, коричневый - фаза. Эти провода я подключил к винтовым клеммам блока питания.

(Провод) Зеленый -> GND (Электропитание)

(Провод) Синий -> N (Электропитание)

(Провод) Коричневый -> L (Электропитание)

ПРИМЕЧАНИЕ: ЕСЛИ ВЫ ПОПЫТАЕТЕСЬ ПОДКЛЮЧИТЬ СЕТЬ - ПОСМОТРИТЕ ВАШУ МЕСТНУЮ ЦВЕТОВУЮ КОДИРОВКУ.

Модуль Arduino и Bluetooth

Я использовал прототип платы, чтобы припаять компоненты. Я вставил Arduino Nano в две полосы разъемов с гнездовыми выводами, обрезанных по размеру, а затем вставил разъемы с Arduino в прототип платы. Затем я припаял разъемы снизу к макетной плате. Это позволяет нам иметь съемный Arduino для программирования. На самом деле я использовал для своего дисплея нано-терминал Arduino, но если бы сделал это снова, то использовал бы заголовки.

Я сделал то же самое с модулем Bluetooth, но без заголовков (он не должен быть съемным).

Винтовые клеммы были припаяны, чтобы упростить подключение к светодиодной цепи и источнику питания (проводка такая же, как на схеме, но провода источника питания и провода светодиодной цепочки соединены винтовой клеммой.

Затем модуль Bluetooth, Arduino, источник питания и начальный конец светодиодной цепочки были спаяны вместе отрезанными по размеру и зачищенными проводами в соответствии со схемой подключения.

Обеспечение безопасности электроники

Затем макетная плата и блок питания были прикреплены к задней части таблицы Менделеева с помощью горячего клея.

Шаг 10: Код

Я попытался описательно прокомментировать и упростить выполнение кода.

Вот краткое описание того, как это работает:

Определения

Верхняя часть кода заполнена массивами для хранения информации о периодической таблице и преобразования между тем, как организована цепочка светодиодов, и тем, как должны быть организованы элементы.

блютуз

Единственный код в цикле - это код для чтения данных из последовательного соединения (к которому подключен модуль Bluetooth) и вызова функции, которая выбирает, что делать с командами, которые она получает.

Команды

Большинство команд - это просто отдельные слова. У некоторых есть префикс и суффикс, например: select23 включает элемент 23. Есть функция, которая работает, если заданная команда имеет префикс, и возвращает его суффикс, если он есть.

Функции

Каждая анимация или функциональность - это функция. Вы увидите, что их довольно много, если посмотрите на код! Когда функции вызываются с правильными параметрами, дисплей загорается и делает что-то!

Ресурсы

Я основал свой код подключения Bluetooth на этом руководстве: Руководство по Bluetooth и Arduino

Библиотеку FastLED для управления WS2812B можно скачать здесь: Библиотека FastLED

Информацию о том, как использовать библиотеку FastLED, можно найти здесь: Информация о FastLED

Шаг 11. Приложение "Телефон"

MIT App Inventor - отличный онлайн-инструмент, который позволяет относительно легко создавать приложения для Android. У него есть несколько способов просмотреть ваше приложение по мере его создания, чтобы убедиться в его правильности. Он использует простое в освоении блочное программирование.

Основная причина, по которой я люблю App Inventor, заключается в том, что он может использовать мои телефоны по Bluetooth для подключения к Arduino с модулем Bluetooth!

Для начала есть множество руководств. Вот отличное руководство для App Inventor с Arduino.

Моя девушка внесла свой вклад в создание приложения для управления дисплеем. Есть список с возможностью поиска для выбора отдельных элементов, ползунки для функций температуры и даты и кнопки для всего остального. Он также имеет верхнее меню с возможностью прокрутки!

Файл App Inventor прилагается, если вы хотите его просмотреть. Имейте в виду, что мы все еще работаем над некоторыми ошибками.

Шаг 12: советы

Вот несколько советов для любого проекта в области электроники

Всякий раз, когда вы создаете сложный проект, состоящий из множества взаимодействующих частей, начинайте с небольших отдельных компонентов.

Что касается дисплея, я начал с руководства по подключению модуля Bluetooth к Arduino и отправке данных с помощью готового приложения терминала Bluetooth.

После этого я заставил светодиоды WS2812B работать самостоятельно, затем подключил, а затем добавил модуль Bluetooth.

После добавления нескольких различных функций моя девушка сделала мне приложение с App Inventor 2 для автоматической отправки команд при нажатии кнопок.

Не делайте все сразу. Начните с малого, затем стройте масштабно.

Мерцающие светодиоды

У меня была большая проблема с мерцанием светодиодов, когда я сделал слишком много светодиодов белыми одновременно.

Было ли это потому, что мой блок питания был недооценен для количества светодиодов? Наверное. Но еще одним фактором, способствующим этому, является падение напряжения на длинных кабелях.

Для устранения падения напряжения я подключил провода питания + 5V и GND непосредственно к концу и центру светодиодной цепочки. Это устранило мою проблему.

Обратите внимание, что к концу и центру должны быть подключены только провода + 5V и GND. Цепь может быть соединена только одним проводом передачи данных.

Нарезка и наполнение

Будьте осторожны при разрезании кусков, чтобы получить точные разрезы. Торцовочная пила со стопорным блоком, вероятно, поможет скопить мелкие детали. Мои пропилы были не идеальными, что привело к появлению зазоров, которые привели к большому количеству шпатлевки и шлифовки древесины.

Спасибо за чтение, надеюсь, вам понравился процесс