Taula periòdica LED interactiva: 12 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:14

Per Bees Knees Segueix-ne més per l'autor:

La meva xicota i jo tenim una col·lecció d’elements: mostres de les matèries úniques que formen tot l’univers. Per a una col·lecció tan interessant, vaig decidir construir una vitrina que mostri les mostres amb tota la seva glòria mundial.

Sé que no hi ha molta gent que tingui una col·lecció d’elements, però tothom té alguna cosa que mostrar. L'objectiu d'aquest instructiu és proporcionar-vos una comprensió suficient del procés de construcció, l'electrònica i el codi per crear la vostra pròpia pantalla personalitzada per al que vulgueu.

La interactivitat de la pantalla el converteix en un gran ajut didàctic per als professors per demostrar les característiques de la taula periòdica i la relació entre els diferents elements. També és molt divertit veure-ho en general.

Pas 1: el que necessiteu

Tot el comprat a la ferreteria local tret que s’indiqui el contrari.

Tots els aparells electrònics comprats a Ali Express (enllaços donats). Ali Express és un lloc on obtenir productes electrònics econòmics que solen tenir una qualitat sorprenent.

Materials

Marc: clau: (longitud x amplada x alçada) x quantitat

• Taulers de pi (2400x60x10mm) x7
• Full MDF (1200x600x4,5mm) x2
• Paper de vidre (120 gra)
• Cola de fusta
• Farcidor de fusta
• Pintura acrílica blanca --- Botiga d'art
• Llapis
• Motlle decoratiu (2400mm) x2
• Fusta de balsa (1000x10x2mm) x6 --- Botiga d'art

Electrònica

• LEDs (Neopixels / ws2812b) x90 --- Ali Express Link "1m 100 IP30" us proporcionarà 100 LED no impermeables
• Filferro (rotllos de 5 m de calibre 22 o similar. Preferibles diferents colors) x3 --- Ali Express Link
• Arduino Nano --- Enllaç Ali Express
• Mòdul Bluetooth (HC05) --- Ali Express Link
• Font d'alimentació (5V 4A) --- Ali Express Link
• Cable d'alimentació --- Botiga d'articles usats
• Soldadura --- Enllaç Ali Express
• Prototip de tauler de punts --- Ali Express Link
• Capçaleres femenines: enllaç Ali Express
• Terminals de cargol --- Ali Express Link

Eines

• Soldador
• Multímetre --- Ali Express Link
• Serra de mà (o serra de taula)
• Pistola de cola calenta (amb pals de cola)
• Trepant
• Broca (3-8 mm)
• Pinces
• Cinta mètrica
• Decapant de filferro --- Ali Express Link

Pas 2: planificació

Característiques

• La pantalla té la forma de la taula periòdica. D'aquesta manera, els LED poden mostrar característiques i tendències de la taula periòdica.
• Cada posició de la taula periòdica és un prestatge tancat on pot recolzar-se la mostra de l’element.
• He utilitzat LEDs WS2812B que puc il·luminar individualment qualsevol color.
• La pantalla té una funcionalitat Bluetooth i una aplicació per a telèfon per controlar-la. El principal que volia amb aquesta pantalla era que fos interactiva. L’aplicació del telèfon fa que sigui molt divertit de jugar.

Construcció

La pantalla està feta amb taulons de pi de 60x10mm. Vaig obtenir la meva en longituds de 2,4 m, però hi havia moltes longituds disponibles. Totes les peces necessàries per tallar s’adapten fàcilment en 7 longituds de 2,4 m. Quedava gairebé una longitud sencera, per si cometia alguns errors.

He dibuixat un "pla d'enquadrament" que seguiu. Utilitzeu aquesta opció amb les "longituds i quantitats de marc" que mostren quantes de cada longitud cal tallar. Els dos diagrames estan codificats per colors i estan etiquetats amb lletres, de manera que sàpiga quina peça va cap a on. Totes les peces es retallaran i s’enganxaran amb cola per a fusta.

L'últim diagrama mostra les formes del tauler frontal i posterior que es retallaran de MDF i s'enganxaran al seu lloc. Us recomano col·locar el marc a sobre del MDF i traçar les formes amb un llapis. Les formes dels panells són només per donar-vos una idea de com són.

Lantànids i Actínids

Actualment no tinc cap mostra de lantànids i actínids, de manera que no he format la part de la taula periòdica que els conté. Però ho faré en el futur!

Electrònica

La planificació de l’electrònica es documenta més endavant a l’Instruible.

Pas 3: tallar la fusta

Seguint el pla, calia mesurar i tallar les peces de pi de 60x10 mm a la seva longitud específica. Vaig fer servir una cinta mètrica i un llapis per marcar el temps que calia fer cada tros de fusta i després fer servir un quadrat per dibuixar una línia a través de la fusta. Després de cada línia marcada, he utilitzat una serra per tallar just darrere de la línia. No talleu directament sobre la línia o acabareu amb un tros de fusta lleugerament petit a causa del gruix de la fulla de la serra. Vaig suavitzar les vores rugoses de cada peça amb paper de vidre. Després de cada peça tallada, és útil etiquetar-la amb un llapis segons el pla per facilitar el muntatge.

Nota: la precisió és molt important. Els meus talls no eren perfectes, de manera que vaig tenir molts buits per omplir amb farcit de fusta més tard. Una serra de taula o serra de mitra amb una tanca o un bloc de parada, respectivament, faria que els talls fossin molt més precisos.

Pas 4: Muntatge del marc

Volia que totes les seccions verticals de 60 mm estiguessin alineades de manera que es mesuressin, es marquessin i es quadressin allà on s’haurien d’enganxar cadascuna d’elles a les taules horitzontals. Per exemple, el tauler inferior "J" està marcat a 10 mm (per deixar espai per al tauler lateral vertical), després compto 60 i marco a 70, després compto 10 per a la secció vertical, després un altre 60 i marca a 140, etc..

Per ajuntar les peces, vaig aplicar cola de fusta a les superfícies que s’unirien i les vaig col·locar amb cura en les seves posicions correctes i les vaig fixar amb pinces. Només vaig enganxar algunes peces a la vegada i les vaig deixar assecar a causa del meu nombre limitat de pinces i perquè, en cas contrari, era difícil mantenir-ho tot dret. Em va semblar que ajudava a col·locar-ho tot de forma plana sobre una superfície plana i a estrènyer les pinces el suficient per poder jugar amb el posicionament sense que caiguessin totes les peces. Un cop les peces estaven a la seva posició, vaig apretar completament les pinces. Quan el marc es va muntar completament, era molt més fort del que esperava a causa del nombre de juntes de cola diferents. Si volíeu una pantalla més forta, podríeu utilitzar cargols petits o tallar ranures per encaixar les peces.

Nota: Enganxar una estructura com aquesta ajuda a tenir tantes pinces com sigui possible. És possible que en pugueu agafar en préstec d’alguns amics o que els trobeu barats de segona mà.

Pas 5: Vores

Per fer que la pantalla sembli una mica més agradable per penjar-la a la paret, vaig decidir emmarcar-la. Vaig portar algunes motllures decoratives (el tipus de fusta contorneada que fabrica marcs d’imatge) i la fusta l’enganxava als costats de la pantalla assegurant-me de fixar-la en posició mentre s’assecava la cola. La part més complicada d’això era tallar els angles de 45 graus de la motllura perquè les cantonades encaixessin bé. El meu mètode consistia a plegar un tros de paper A4 de vora curta a vora llarga per fer un angle de 45 graus i utilitzar-lo per traçar una línia a la part inferior (cara plana) de l'emmotllament. Per alinear les motllures, mesureu la longitud del costat de la pantalla on esteu posant el motlle i marqueu la vora interior del motlle amb aquesta longitud. Assegureu-vos d’iniciar uns 30 mm i marqueu també el punt de partida. A continuació, les línies de 45 graus surten cap als dos punts marcats.

Pas 6: Còpia de seguretat i tauler frontal

Suport

La pantalla necessita un suport per donar als LEDs alguna cosa que es reflecteixi, fer la pantalla més segura i amagar tots els cables que hi tornaran. Per fer el suport he utilitzat dos fulls de MDF de 1200x600x4,5mm. Vaig col·locar els fulls de MDF sobre una superfície plana en orientació horitzontal al costat de l’altre i vaig col·locar el marc de la pantalla a sobre. Vaig moure el marc fins que una de les taules verticals del marc va amagar la costura. Després vaig traçar l'exterior de la pantalla al MDF amb un llapis i el vaig retallar amb una serra. Vaig capgirar la pantalla i vaig enganxar la part posterior de la pantalla amb cola de fusta. Vaig tapar el respatller amb objectes pesats per evitar que s’aixequés o es mogués mentre s’assecava.

Forats de recolzament

El suport necessita forats a cada cel·la perquè passin els cables dels LED. He utilitzat un trepant sense fil i una broca de 6 mm per perforar dos forats a cada cel·la. Un forat a cada cantonada superior. Amb els forats i els cables de les cantonades superiors són més difícils de veure quan es visualitza la pantalla.

Panell frontal

Volia que la pantalla fos més rectangular, de manera que vaig col·locar un tros de MDF de 4,5 mm a sota del marc i vaig traçar la forma irregular de la cel·la de 16x3 al MDF. Després vaig utilitzar una serra per retallar la forma i la vaig enganxar al marc amb cola de fusta.

Pestanyes

Vaig tallar quadradets de MDF amb una cantonada tallada per enganxar-la al seu lloc per mantenir el tauler frontal i el marc junts una mica més segurs. (Es poden veure fotos d’aquestes pestanyes a la secció d’electrònica).

Pas 7: Acabat de tocs

Pintura

Va ser una decisió difícil si tenyir la fusta o pintar-la. Al final, vaig pintar tota la pantalla de blanc amb pintura acrílica barata. Vaig decidir que el blanc reflectiria bé la il·luminació LED i que realment il·luminaria les cel·les. Definitivament, va funcionar al meu favor.

Lletres tallades amb làser

Recentment he tingut la sort de tenir accés a un tallador làser per escriure algunes cartes acríliques negres personalitzades per a la pantalla. Crec que realment completa l'estètica de la pantalla. Abans d’accedir a la talladora làser, pensava a comprar unes lletres barates de fusta i pintar-les. (Cerqueu adjunt el fitxer que he utilitzat).

Pas 8: electrònica: planificació

LEDs

He utilitzat LEDs WS2812B per la seva facilitat de cablejat i codificació. Originalment, planejava una configuració de LEDs multiplexats i registres de desplaçament. Els WS2812B faciliten molt la vida. Fins i tot si no construïu la pantalla, us recomano jugar amb aquests LED perquè són increïbles (i barats d’Ali Express).

Potència

He utilitzat 90 LED WS2812B per a la pantalla. Cada LED té 3 colors (vermell verd i blau) que aconsegueixen fins a 20 mA a la màxima brillantor. Si els 3 colors tenen una brillantor màxima, el LED arribarà a 60 mA.

60 mA x 90 LEDs = 5400 mA (5.4A)

Vaig trobar una font d’alimentació de 5 volts econòmica a Ali Express que podia subministrar 4A, així que la vaig portar. Aquesta font d’alimentació serà suficient sempre que no tingui massa LEDs a plena brillantor al mateix temps. Vaig tenir un problema amb els LED parpellejants, però es va deure principalment a la caiguda de tensió (que explicaré més endavant). Recomanaria calcular el màxim consum de corrent com he fet i comprar una font d'alimentació d'almenys aquest valor.

Els LED WS2812B funcionen a 5V, així que assegureu-vos d’obtenir una font d’alimentació de 5V.

Bluetooth

Volia que la pantalla fos interactiva. La connectivitat Bluetooth amb una aplicació de telèfon era la manera més senzilla de fer-ho. El mòdul Bluetooth HC05 és fàcil d’utilitzar. Simplement el tracteu com una connexió en sèrie.

Pas 9: electrònica

Mapa de connexió

Llegiu les connexions de la imatge del diagrama de cablejat o escrites a continuació:

(Arduino) D9 - DIN (Inici de la cadena LED)

(Arduino) GND - GND (font d'alimentació)

(Arduino) + 5V - + 5V (font d'alimentació)

(Arduino) TX - Resistència 1K - Resistència 2K - GND (font d'alimentació)

Punt central de les dues resistències: RX (mòdul Bluetooth)

(Arduino) RX - TX (mòdul Bluetooth)

(Font d'alimentació) + 5V - + 5V (Inici de la cadena LED)

(Font d'alimentació) GND - GND (Inici de la cadena LED)

(Font d'alimentació) + 5V - + 5V (mòdul Bluetooth)

(Font d'alimentació) GND - GND (mòdul Bluetooth)

Cablatge dels LED

El cablejat dels LED WS2812B és bastant senzill, però n'hi ha MOLT! Hi ha 90 LED cadascun amb 6 connexions de soldadura cadascun. Són 540 juntes de soldadura. Vaig portar WS2812Bs a petites plaques de circuits circulars, cosa que era una mica molest ja que vaig haver d’enganxar-les a la part superior de cada prestatge. Recomanaria obtenir les tires LED WS2812B que he enllaçat a la secció "El que necessiteu" perquè ja tenen un suport adhesiu i tenen una superfície més gran, de manera que són més fàcils de treballar. Si escolliu les tires, cal tallar tots els LED tallant les línies entre els coixinets de contacte.

Cada WS2812B té 6 connexions. 2 + 5V, 2 GND, DIN i DOUT. DIN i DOUT signifiquen Data In i Data Out. El cable de dades ha de viatjar des dels LED anteriors DOUT fins als següents LED DIN. Els cables d’alimentació i de terra segueixen el mateix fins que tots els LED es connecten junts com una cadena. El diagrama de cablejat mostra com es connecten els LED si la meva explicació no tenia sentit.

Nota: els LED tenen una fletxa que us indica la direcció que han d’afrontar a la cadena. Aquest és un bon indicador en lloc de mirar només DIN i DOUT.

Vaig enganxar en calent els LEDs a la part superior de cada prestatge mirant en la direcció que es mostra al diagrama "Disposició dels LED".

Un cop més, seguint el diagrama "Disposició LED", vaig tallar els cables que arribaven entre cada LED de la cadena a través dels forats perforats al suport del MDF. He utilitzat un color de filferro diferent per a les línies de + 5V, GND i Data per assegurar-me que no hi hagi confusió quant a quin fil es solda amb quin LED. Vaig haver de despullar cada filferro amb un separador de filferro abans de soldar-los junts, tal com es descriu 3 paràgrafs anteriors.

Cablatge de la font d'alimentació

ADVERTÈNCIA: LA POTÈNCIA PRINCIPAL POT MATAR. ÚS DE PRECAUCIÓ AL CONNEXAR EL SUBMINISTRAMENT D'ALIMENTACIÓ O COMPREU UN ALIMENTACIÓ D'ALIMENTACIÓ AMB UN CABLE JA COL·LOCAT.

La font d'alimentació que vaig portar no tenia connectat cap cable de xarxa. Vaig trobar un cable d'alimentació d'una botiga local de productes usats del meu país. La font d'alimentació que he enllaçat a "Què necessiteu" té una entrada de 110 / 240V, de manera que hauria de funcionar a la majoria de països.

NOTA: ELS CABLES PRINCIPALS DE CODIFICACIÓ DE COLORS SOTA PODEN SER DIFERENTS A DIFERENTS PA COUNSOS.

Vaig despullar el cable d’alimentació per deixar al descobert els 3 cables de colors. Verd per a terra, blau per neutre i marró per fase. Vaig connectar aquests cables als terminals de cargol de la font d'alimentació.

(Cable) Verd -> GND (font d'alimentació)

(Cable) Blau -> N (font d'alimentació)

(Filferro) Marró -> L (font d'alimentació)

NOTA: SI INTENTEU CONNEXAR ELS CONNEXIONS: BUSQUEU LA CODIFICACIÓ LOCAL DE COLORS.

Mòdul Arduino i Bluetooth

Vaig utilitzar un prototip de placa per soldar els components. Vaig incloure l'Arduino Nano en dues tires de capçaleres de pin femelles tallades a mida i després vaig incloure les capçaleres amb Arduino a la placa prototip. Després vaig soldar les capçaleres al tauler prototip de sota. Això ens permet tenir un Arduino extraïble per a la programació. De fet, feia servir un terminal nano Arduino per a la meva pantalla, però faria servir capçaleres si ho tornés a fer.

Vaig fer el mateix amb el mòdul Bluetooth però sense les capçaleres (no cal que es puguin treure).

Es van soldar terminals de cargol per facilitar les connexions a la cadena LED i a la font d'alimentació (el cablejat continua sent el mateix que el diagrama, però els cables de la font d'alimentació i els cables de la cadena LED estan interceptats amb un terminal cargol.

El mòdul Bluetooth, Arduino, la font d’alimentació i l’extrem inicial de la cadena LED es van soldar junt amb cables tallats a mida i separats segons el diagrama de cablejat.

Assegurar l'electrònica

El prototip de placa i la font d'alimentació es van fixar a la part posterior de la taula periòdica mitjançant cola calenta.

Pas 10: Codi

He intentat comentar de manera descriptiva i facilitar el seguiment del codi.

A continuació, es descriu ràpidament el seu funcionament:

Definicions

La part superior del codi s’omple de matrius per emmagatzemar informació sobre la taula periòdica i convertir entre la forma en què s’organitza la cadena de LED i com s’han d’organitzar els elements.

Bluetooth

L'únic codi del bucle és el codi per llegir dades de la connexió sèrie (a la qual està connectat el mòdul Bluetooth) i trucar a una funció que tria què fer amb les ordres que rep.

Ordres

La majoria d’ordres són només paraules simples. Alguns tenen un prefix i un sufix per exemple: select23 activarà l'element 23. Hi ha una funció que funciona si l'ordre donada té un prefix i retorna el seu sufix si ho fa.

Funcions

Totes les animacions o funcionalitats tenen una funció. Veureu que n’hi ha força si observeu el codi. Quan es criden les funcions amb els paràmetres correctes, la pantalla s'encén i fa coses.

Recursos

He basat el meu codi de connexió Bluetooth en aquest tutorial: tutorial Bluetooth i Arduino

La biblioteca FastLED per controlar els WS2812B es pot descarregar aquí: Biblioteca FastLED

Podeu trobar informació sobre com utilitzar la biblioteca FastLED aquí: informació FastLED

Pas 11: aplicació de telèfon

MIT App Inventor és una gran eina en línia que facilita la creació d'aplicacions d'Android. Té diverses maneres de veure l'aplicació mentre la creeu per assegurar-vos que sigui correcta. Utilitza programació basada en blocs fàcil d’aprendre.

La raó principal per la qual m’encanta App Inventor és que pot utilitzar els meus telèfons Bluetooth per connectar-me a un Arduino amb un mòdul Bluetooth.

Hi ha un munt de tutorials per començar. Aquí teniu una gran instrucció per a App Inventor amb Arduino.

La meva xicota va contribuir aquí creant l'aplicació que s'utilitzava per controlar la pantalla. Hi ha una llista de cerca per seleccionar elements individuals, barres lliscants per a les funcions de temperatura i data i botons per a la resta. També té un menú superior amb capacitat de desplaçament.

S'adjunta el fitxer App Inventor si voleu veure'l. Tingueu en compte que encara estem treballant alguns errors.

Pas 12: consells

Aquí teniu alguns consells per a qualsevol projecte electrònic

Sempre que feu un projecte complex amb moltes parts que interactuen, comenceu pels petits components individuals.

Per a la pantalla, vaig començar seguint un tutorial per connectar el mòdul Bluetooth a un Arduino i enviar dades amb una aplicació de terminal Bluetooth ja preparada.

Després de treballar, vaig aconseguir que els LED WS2812B funcionessin sols, i després vaig connectar-me i vaig afegir el mòdul Bluetooth.

Després d'afegir algunes funcions diferents, la meva xicota em va crear l'aplicació amb App Inventor 2 per enviar les ordres automàticament quan es premen els botons.

No ho facis tot alhora. Comenceu petit i construïu gran.

LED parpellejants

Vaig tenir un gran problema amb els LED que parpellejaven quan feia massa LED blancs al mateix temps.

Va ser això perquè la meva font d'alimentació estava infravalorada pel nombre de LEDs? Probablement. Però un altre factor que contribueix és la caiguda de tensió sobre cables de llarga distància.

Per solucionar la caiguda de tensió, vaig connectar els cables de font d'alimentació + 5V i GND directament a l'extrem i al centre de la cadena LED. Això va solucionar el meu problema.

Tingueu en compte que només els cables + 5V i GND s’han de connectar al final i al centre. Només hi hauria d’haver 1 cable de dades que connectés la cadena.

Tall i farciment

Tingueu cura mentre talleu les peces per obtenir talls precisos. Una serra de mitra amb un bloc de parada probablement ajudaria a munts per a les petites peces. Els meus talls no eren perfectes, cosa que conduïa a buits que conduïen a omplir i polir fusta.

Gràcies per llegir, espero que us hagi agradat el procés