Светодиодный куб своими руками: 7 шагов

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

Светодиодный куб - это не что иное, как трехмерный массив светодиодов, которые загораются в разных формах и узорах. Это интересный проект, позволяющий изучить или улучшить свои навыки пайки, проектирования схем, 3D-печати и программирования. Хотя я хотел бы построить куб RGB, я думаю, что сначала я начну с простого куба с одноцветной светодиодной подсветкой, чтобы получить опыт.

Я был очень впечатлен и вдохновлен проектом Чара от Instructables, вы должны проверить его, если у вас есть время.

Я собираюсь построить светодиодный куб 8x8x8, который представляет собой не что иное, как 8 рядов, 8 столбцов и 8 слоев светодиодов. Всего 512 светодиодов. Теперь самый важный элемент - это светодиод, выбирайте наименьшего размера, чтобы куб был компактным. Кроме того, лучше разместить рассеянные светодиоды над полупрозрачными, потому что полупрозрачные рассеивают свет и не очень привлекательны.

Шаг 1. Необходимые компоненты

Светодиоды - 512 шт.

Резисторы 1к, 220Е - мало

Тактильный переключатель - 1 шт.

Переключатель включения - 1 шт.

Заголовки M / F - несколько

Arduino Pro Mini - 1 шт.

Конденсаторы 0.1uF - 9шт.

Перфорированный картон (15см х 15см) - 2шт.

Светодиод - 1шт

74HC594 - 8шт

2Н2222 Транзистор - 16шт.

74LS138D - 1шт

Разъемы для микросхем 20 контактов - 9 шт.

Разъемы IC 16 pin - 1шт.

Ленточные кабели - 5 метров

Программист UART

RPS

Доступ к 3D-принтеру

Шаг 2: Сборка конструкции светодиодного куба

Я взял пакет из 1000 рассеянных светодиодов, из которых я буду использовать 512. Теперь мы должны иметь возможность управлять каждым из светодиодов независимо, только тогда мы сможем создавать интересные узоры.

Я собираюсь использовать плату Arduino Pro Mini для управления светодиодами, но на этой плате всего 21 контакт для управления светодиодами. Но я могу использовать мультиплексор, чтобы пропустить все 512 светодиодов через 21 контакт.

Прежде чем мы перейдем к проектированию схемы драйвера, давайте построим структуру светодиодного куба. Очень важно добиться правильной симметрии, чтобы куб выглядел хорошо, поэтому давайте сначала подготовим концерт, который поможет нам сохранить симметрию.

Я собираюсь напечатать на 3D-принтере основу размером 120x120x2 мм для построения куба. Я собираюсь использовать это для создания каждого слоя светодиодов, что будет примерно 64 светодиода на слой. Теперь мне нужно равномерно расположить светодиоды по всей плате. Поскольку размер катода составляет около 17 мм, оставив 2 мм для пайки, я собираюсь расположить отверстия на расстоянии 15 мм друг от друга. Приступим к 3D-печати.

Сначала располагаю светодиоды в ряд и закорачиваю катод. Точно так же я собираюсь расположить 8 рядов светодиодов с закороченными катодами. После этого у меня есть 1 катодный контакт и 64 анодных контакта, это формирует 1 слой.

Размещение 8 таких слоев друг на друге сделает ее нестабильной, а конструкция деформируется. Так что я собираюсь оказать ему дополнительную поддержку. Есть несколько способов сделать это, и один из них - использовать посеребренную медную проволоку, но, поскольку у меня ее нет с собой, я собираюсь опробовать грубый метод. Растягивание паяльной проволоки делает ее жестче, поэтому я буду использовать ее в качестве опоры. Нанесите припой на катодные штыри, прежде чем использовать провод в качестве опоры. Надеюсь, использование его в центре и по бокам должно дать кубу необходимую ему силу. Нам понадобится около 16 проводов, и очень важно правильно выполнить эту часть.

Я собираюсь выпрямить анодные штыри, чтобы сделать их симметричными.

Светодиоды могут иногда быть повреждены из-за высокой температуры пайки, поэтому лучше проверять их после создания каждого слоя. После этого слои можно собрать друг на друга, и на этот раз анодные штыри можно припаять. В итоге у вас должно быть 64 анодных вывода и по одному катодному выводу на слой. Таким образом, с этими 64 + 8 = 72 контактами мы сможем управлять каждым из светодиодов в этом кубе.

Теперь нам нужна опорная конструкция для сборки слоев друг на друга.

Я допустил ошибку. Я был слишком полон энтузиазма и не стал проверять, совмещены ли анодные штыри друг с другом. Я должен был согнуть анодные штыри на 2 мм, чтобы каждый слой можно было припаять друг к другу и образовалась прямая линия. Поскольку я этого не делал, мне придется вручную согнуть все контакты, которые я припаял, и в конечном итоге это может повлиять на мою симметрию. Но когда вы его строите, будьте осторожны, чтобы не повторить ту же ошибку. Теперь конструкция завершена, нам предстоит поработать над схемой драйвера.

Шаг 3: Схема драйвера - Уменьшите количество контактов

Как я уже упоминал в начале, нам потребуется 72 контакта ввода-вывода от контроллера, но это роскошь, которую мы не можем себе позволить. Итак, давайте построим схему мультиплексирования и уменьшим количество выводов. Давайте посмотрим на пример, возьмем микросхему триггера. Это триггер типа D. Давайте не будем сейчас беспокоиться о технических деталях. Основная задача ИС - запоминать 8 контактов, из которых 2 предназначены для питания, D0 - D7 - входные контакты для приема данных, а Q0 - Q7 - выходные контакты для отправки обработанных данных. Вывод разрешения вывода является активным нижним выводом, то есть только когда мы сделаем его равным 0, входные данные появятся на выводах вывода. Еще есть тактовый штифт, давайте разберемся, зачем он нам нужен.

Теперь я закрепил ИС на макетной плате и установил на входе значения 10101010 с 8 светодиодами, подключенными к выходу. Теперь светодиоды горят или выключаются в зависимости от входа. Позвольте мне изменить ввод на 10101011 и проверить вывод. Я не вижу никаких изменений со светодиодами. Но когда я посылаю импульс от низкого к высокому через тактовый вывод, выходной сигнал изменяется в зависимости от нового входа.

Мы собираемся использовать эту концепцию для разработки нашей печатной платы драйвера. Но наша ИС может запомнить данные только о 8 входных контактах, поэтому мы собираемся использовать в общей сложности 8 таких ИС для поддержки 64 входов.

Шаг 4: Проектирование схемы драйвера

Я начинаю с мультиплексирования всех входных контактов ИС на 8 контактов данных микроконтроллера. Уловка здесь состоит в том, чтобы разделить 64-битные данные 8 контактов на 8 бит данных.

Теперь, когда я передаю 8 бит данных в первую микросхему, за которыми следует импульсный сигнал от низкого к высокому на тактовом контакте, я увижу, как входные данные отражаются на выходных контактах. Точно так же, отправив 8 бит данных на остальные микросхемы и управляя выводами синхронизации, я могу отправить 64 бита данных на все микросхемы. Теперь другая проблема - нехватка выводов часов в контроллере. Итак, я собираюсь использовать микросхему декодера от 3 до 8 строк для мультиплексирования элементов управления выводами синхронизации. Используя 3 адресных контакта в декодере в сочетании с микроконтроллером, я могу управлять 8 выходными контактами декодера. Эти 8 выходных контактов должны быть подключены к тактовым контактам в микросхемах. Теперь нам нужно замкнуть все контакты разрешения выхода и подключиться к контакту на микроконтроллере, используя это, мы сможем включать или выключать все светодиоды.

То, что мы сделали до сих пор, касается только одного уровня, теперь нам нужно расширить функциональность на другие уровни с помощью программирования. Один светодиод потребляет около 15 мА тока, поэтому, исходя из этого числа, нам понадобится около 1 А тока для одного слоя. Теперь мини-плата Arduino pro может подавать или потреблять ток до 200 мА. Поскольку наш коммутируемый ток слишком велик, нам придется использовать BJT или MOSFET для управления слоем светодиодов. У меня не так много полевых МОП-транзисторов, но есть несколько транзисторов NPN и PNP. Теоретически нам может потребоваться переключить до 1 А тока на слой. Из полученных мной транзисторов самый высокий может переключать только ток около 800 мА, транзистор 2N22222.

Итак, давайте возьмем 2 транзистора и увеличим их токи, подключив их параллельно. Многие люди, применяющие этот метод, используют только ограничительный резистор базы, но проблема здесь в том, что из-за изменения температуры ток через транзисторы становится несбалансированным и вызывает проблемы со стабильностью. Чтобы смягчить проблему, мы можем использовать 2 одинаковых резистора в эмиттере, а также для регулирования тока даже при изменении температуры. Это понятие называется эмиттерным вырождением. Эмиттерный резистор обеспечивает своего рода обратную связь для стабилизации усиления транзистора.

Я просто собираюсь использовать резисторы только в базе. Это может вызвать проблемы в будущем, но поскольку это только прототип, я займусь этим позже.

Шаг 5: Пайка компонентов

Теперь соберем схему на перфокарт. Начнем с микросхем триггера и воспользуемся для этой цели держателем микросхемы. Всегда начинайте с первого и последнего контактов, проверяйте стабильность, затем припаивайте остальные контакты. Давайте также воспользуемся штыревым разъемом для подключения токоограничивающих резисторов и для подключения к кубу. Теперь подключите развязывающие конденсаторы ИС рядом с выводами источника питания ИС.

Далее поработаем над микроконтроллером. Чтобы он работал по принципу «включай и работай», давайте сначала воспользуемся держателем и подключим женские контакты, а затем разместим микроконтроллер.

Пора поработать над транзисторами. Для подключения к базе транзисторов требуется 16 резисторов 1 кОм. Чтобы сохранить общие катодные выводы светодиодного куба в логическом состоянии по умолчанию, я собираюсь использовать zip-резистор 8 кОм, который содержит 8 резисторов. Наконец, давайте поработаем над микросхемой адресного декодера. Теперь схема сделана аналогично схемотехнике.

Шаг 6: 3D-печать

Нам нужен корпус для размещения печатной платы и светодиодного куба, поэтому давайте возьмем напечатанный на 3D-принтере. Я собираюсь разделить его на 3 части для удобства сборки.

Во-первых, опорная пластина для крепления светодиодной конструкции. Во-вторых, центральный корпус для электроники. В-третьих, крышка для закрытия корпуса.

Шаг 7: Подведение итогов

Начнем с монтажа светодиодной конструкции. Вы можете протолкнуть штыри через отверстия и припаять его непосредственно к печатной плате, но для стабильности я собираюсь сначала использовать перфорированную плату, а затем припаять ее к схеме. Я использую ленточный кабель для пайки светодиодов, а затем подключаю другой конец к соответствующим выходным контактам микросхемы триггера.

Чтобы соединить транзистор и слои светодиодного куба, нам нужны независимые контакты для подключения к катодным контактам. Прежде чем мы включим его, важно проверить целостность цепи и напряжение между точками. Как только все будет хорошо, микросхемы можно подключить, а затем включить. Опять же, полезно проверить, все ли светодиоды светятся, подключив его напрямую к источнику питания, прежде чем подключать его по цепи. Если все в порядке, кабели светодиодов можно подключить к соответствующим точкам триггера.

Давайте сделаем некоторую работу по очистке - отключим кабель программирования микроконтроллера, срежем выступающие штыри и т. Д. Теперь давайте подключим кабель программирования к корпусу корпуса, закрепим индикатор состояния, выключатель питания и, наконец, выключатель сброса. Мы близки к завершению, поэтому давайте соберем три части. Начните с основания светодиода к корпусу, затем, как только кабели будут надежно закреплены, закройте крышку внизу.

Загрузите код в Arduino Pro Mini и готово!

Спасибо Chr https://www.instructables.com/id/Led-Cube-8x8x8/ за его отличные инструкции и код.