Cub LED de bricolatge: 7 passos

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

El LED Cube no és res més que un conjunt tridimensional de LED per il·luminar-se en diferents formes i patrons. És un projecte interessant per aprendre o millorar les vostres habilitats de soldadura, disseny de circuits, impressió 3D i programació. Tot i que m'agradaria construir un cub RGB, crec que primer començaré amb un cub senzill de color únic per guanyar experiència.

M’ha impressionat molt i m’ha inspirat el projecte de Char d’Instructables; hauríeu de comprovar-ho si teniu temps.

Vaig a construir un cub led de 8x8x8, que no és res més que 8 files, 8 columnes i 8 capes de LEDs. Són 512 LED en total. Ara, l’element més important és el LED, trieu la mida més petita perquè el cub sigui compacte. A més, és millor obtenir els LED difusos sobre uns translúcids perquè els translúcids dispersen llum i són poc atractius.

Pas 1: components necessaris

LED: 512 unitats

Resistències 1k, 220E: poques

Interruptor tàctil - 1 unitat

Premeu l'interruptor ON - 1 unitat

Capçaleres M / F: poques

Arduino Pro Mini - 1 unid

Condensadors 0.1uF - 9pc

Perfboard (15cm x 15cm) - 2 unitats

LED - 1 unid

74HC594 - 8 unitats

Transistor 2N2222 - 16 unitats

74LS138D - 1pc

Preses IC 20 pins - 9pc

Preses IC 16 pins - 1 unid

Cables de cinta: 5 metres

Programador UART

RPS

Accés a la impressora 3D

Pas 2: Muntatge de l'estructura del cub LED

He agafat un paquet de 1000 LED difusos dels quals faré servir 512. Ara, hem de ser capaços de controlar cadascun dels LED de manera independent, només així podrem fer patrons interessants.

Vaig a utilitzar una placa Arduino Pro Mini per controlar els LED, però aquesta placa només té 21 pins per controlar els LED. Però puc utilitzar un multiplexor per conduir tots els 512 LED a través dels 21 pins.

Abans d’entrar en el disseny del circuit del controlador, construïm l’estructura del cub LED. És molt important que la simetria sigui correcta perquè el cub quedi bé, de manera que primer preparem un concert que ens ajudi a mantenir la simetria.

Vaig a imprimir en 3D una base de 120x120x2mm per construir el cub. Vaig a utilitzar-ho per crear cada capa de LED, que tindrà uns 64 LED per capa. Ara, necessito espaiar els LED de manera uniforme a través del tauler. Com que el càtode fa uns 17 mm, deixant 2 mm per soldar, espaciaré els forats de 15 mm. Comencem la impressió en 3D.

Primer estic arreglant els LED seguits i fent un curtcircuit del càtode. De la mateixa manera, vaig a organitzar 8 files de LEDs amb els seus càtodes en curtcircuit. Un cop fet, tinc 1 pin de càtode i 64 pins d'ànode, que formen 1 capa.

Disposar 8 capes d’aquest tipus una sobre l’altra farà que sigui inestable i l’estructura es deformarà. Així que vaig a donar-li una mica de suport addicional. Hi ha força maneres de fer-ho i una d’aquestes maneres és fer servir filferro de coure platejat, però com que no tinc això amb mi, provaré un mètode cru. Estirar el filferro de soldadura l’endureix, així que ho faré servir com a suport. Apliqueu una mica de soldadura als passadors del càtode abans d’utilitzar el cable per donar suport. Tant de bo utilitzar-lo al centre i als laterals hauria de donar al cub la força que necessita. Necessitarem uns 16 cables i és molt important que encertem aquesta peça.

Vaig a redreçar els passadors de l’ànode perquè siguin simètrics.

De vegades, els LED es poden malmetre a causa de la calor de soldadura, de manera que és millor comprovar-los després de construir cada capa. Un cop fet, es poden muntar les capes una sobre l’altra i aquesta vegada es poden soldar els passadors de l’ànode. Al final, hauríeu de tenir 64 pins d'ànode i un pin de càtode per capa. Per tant, amb aquests 64 + 8 = 72 pins, hauríem de poder controlar cadascun dels LED d’aquest cub.

Ara necessitem una estructura de suport per muntar les capes les unes sobre les altres.

Vaig cometre un error. Estava una mica massa entusiasta i no vaig comprovar si els passadors d'ànode estaven alineats entre si. Hauria d’haver doblegat els passadors de l’ànode 2 mm de manera que cada capa es pogués soldar entre si i es pogués formar una línia recta. Com que no ho vaig fer, hauré de doblar manualment tots els pins que heu soldat i això podria afectar la meva simetria al final. Però quan el construïu, tingueu la precaució de no cometre el mateix error. Ara la construcció està acabada, haurem de treballar al circuit del conductor.

Pas 3: Circuit del conductor: reduïu el nombre de pins

Com he esmentat al principi, necessitarem 72 pins d'E / S del controlador, però això és un luxe que no ens podem permetre. Per tant, construïm un circuit de multiplexació i reduïm el nombre de pins. Vegem un exemple, prenem un IC de xancletes. Es tracta d’un xanclet de tipus D, en aquest moment no ens preocupem pels aspectes tècnics. El treball fonamental de l'IC és recordar els 8 pins, dels quals 2 són per a alimentació, D0 - D7 són els pins d'entrada per rebre les dades i Q0 - Q7 són els pins de sortida per enviar les dades processades. El pin d'activació de sortida és un pin actiu baix, és a dir, només quan el fem 0, apareixeran les dades d'entrada als pins de sortida. També hi ha un passador de rellotge, a veure per què el necessitem.

Ara, he fixat l'IC en una placa de configuració i he establert els valors d'entrada a 10101010 amb 8 LED connectats a la sortida. Ara, els LED s’encenen o s’apaguen segons l’entrada. Permeteu-me canviar l'entrada a 10101011 i comprovar la sortida. No veig cap canvi amb els LED. Però quan envio un pols de baix a alt a través del pin del rellotge, la sortida canvia en funció de la nova entrada.

Utilitzarem aquest concepte per desenvolupar la nostra placa de circuits de controladors. Però la nostra IC només pot recordar 8 dades de pin d'entrada, de manera que farem servir un total de 8 IC per admetre 64 entrades.

Pas 4: disseny del circuit de controladors

Començo per multiplexar tots els pins d'entrada de l'IC als 8 pins de dades del microcontrolador. El truc aquí és dividir les dades de 64 bits dels 8 pins en 8 bits de dades.

Ara, quan passo els 8 bits de dades al primer CI seguit d’un senyal de pols de baix a alt al pin del rellotge, veuré que les dades d’entrada es reflecteixen als pins de sortida. De la mateixa manera, enviant 8 bits de dades a la resta de circuits integrats i controlant els pins del rellotge, puc enviar 64 bits de dades a tots els circuits integrats. Ara l’altre problema és l’escassetat de pins de rellotge al controlador. Així que faré servir un descodificador de 3 a 8 línies IC per multiplexar els controls del pin del rellotge. Mitjançant els 3 pins d'adreces del descodificador en combinació amb el microcontrolador puc controlar els 8 pins de sortida del descodificador. Aquests 8 pins de sortida s'han de connectar als pins de rellotge dels circuits integrats. Ara hem de reduir tots els pins d’activació de la sortida i connectar-nos a un pin del microcontrolador, amb això hauríem de poder encendre o apagar tots els LED.

El que hem fet fins ara és només per a una sola capa, ara hem d’estendre la funcionalitat a altres capes mitjançant la programació. Un led consumeix aproximadament 15 mA de corrent, de manera que, passant aquest nombre, necessitarem aproximadament 1 Amp de corrent per a una sola capa. Ara, la mini placa Arduino pro només pot generar o enfonsar fins a 200 mA de corrent. Com que el nostre corrent de commutació és excessiu, haurem d’utilitzar un BJT o MOSFET per controlar la capa de LED. No tinc molts MOSFET, però tinc uns quants transistors NPN i PNP. Teòricament, potser haurem de canviar fins a 1 amp de corrent per capa. Dels transistors que tinc, el més alt només pot canviar uns 800 mA de corrent, el transistor 2N22222.

Prenem dos transistors i augmentem la seva capacitat actual connectant-los en paral·lel. Molta gent quan adopta aquest mètode només utilitza la resistència límit base, però el problema aquí és que la temperatura canvia el corrent a través dels transistors que es desequilibren i causen problemes d’estabilitat. Per mitigar el problema, també podem utilitzar 2 resistències similars a l’emissor per regular el corrent fins i tot quan canvia la temperatura. Aquest concepte s’anomena degeneració de l’emissor. La resistència de l'emissor proporciona una mena de retroalimentació per estabilitzar el guany del transistor.

Només utilitzaré resistències només a la base. Això pot causar problemes en el futur, però com que aquest és només un prototip, me n’ocuparé més endavant.

Pas 5: soldar els components

Ara, muntem el circuit en un perfboard. Comencem amb els CI de flipflop i fem servir un suport IC per a aquest propòsit. Comenceu sempre amb el primer i l'últim passador, comproveu l'estabilitat i, a continuació, soldeu la resta de PIN. Utilitzem també algunes capçaleres masculines pel bé de connectar i reproduir les resistències limitants de corrent i per connectar-nos al cub. Ara connecteu els condensadors de desacoblament de l’IC a prop dels pins d’alimentació de l’IC.

A continuació, anem a treballar amb el microcontrolador. Per connectar-lo i reproduir-lo, fem servir un suport i connectem primer els pins femelles i, a continuació, col·loquem el microcontrolador.

Temps de treballar sobre els transistors. Es necessiten 16 resistències de 1K ohm per connectar-se a la base dels transistors. Per tal de mantenir els pins de càtode comuns del LED Cube en un estat lògic per defecte, faré servir una resistència zip de 8 K ohm, que conté 8 resistències. Finalment, es pot treballar al CI del descodificador d’adreces. Ara el circuit es prepara de manera similar al disseny del circuit.

Pas 6: impressió 3D

Necessitem una carcassa per allotjar la placa de circuits i el cub led, de manera que puguem utilitzar-ne un d’imprès en 3D. Vaig a fer-lo en 3 parts per facilitar el muntatge.

En primer lloc, una placa base per subjectar l'estructura led. En segon lloc, un cos central per a l'electrònica. En tercer lloc, una tapa per tancar la carcassa.

Pas 7: acabant

Comencem per muntar l'estructura led. Podeu empènyer els passadors pels forats i soldar-los directament a la placa de circuits, però per motius d’estabilitat, primer faré servir una placa perf, i després la soldaré al circuit. Estic fent servir un cable de cinta per soldar els LED i, a continuació, connecto l’altre extrem als respectius pins de sortida dels circuits integrats de flip-flop.

Per connectar-nos entre el transistor i les capes de cubs LED, hem de tenir pins independents per connectar-los als pins del càtode. Abans d’engegar-lo, és important comprovar la continuïtat i la tensió entre punts. Un cop tot estigui bé, els circuits integrats es poden connectar i encendre. De nou, és bo comprovar si tots els LED brillen connectant-lo directament a l’alimentació abans de connectar-lo a través del circuit. Si tot és bo, els cables LED es poden connectar als respectius xancles.

Fem una tasca de neteja: desconnecteu el cable de programació del microcontrolador, talleu els pins que sobresurten, etc. Ara connectem el cable de programació al cos de la carcassa, fixem un led d’estat, un interruptor d’alimentació i, finalment, un interruptor de reinici. Estem a punt d’acabar-lo, així que ajuntem les 3 parts. Comenceu amb la base del LED cap al cos i, a continuació, un cop assegurats els cables, tanqueu la tapa a la part inferior.

Baixeu-vos el codi a l'Arduino Pro Mini i ja està!

Gràcies a Chr https://www.instructables.com/id/Led-Cube-8x8x8/ per la seva excel·lent instrucció i codi.