DIY LED-Würfel - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:19

Der LED Cube ist nichts anderes als eine dreidimensionale Anordnung von LEDs, die in verschiedenen Formen und Mustern leuchten. Es ist ein interessantes Projekt, um Ihre Fähigkeiten in den Bereichen Löten, Schaltungsdesign, 3D-Druck und Programmierung zu erlernen oder zu verbessern. Obwohl ich gerne einen RGB-Würfel konstruieren möchte, denke ich, dass ich zunächst mit einem einfachen einfarbigen LED-Würfel beginnen werde, um Erfahrungen zu sammeln.

Ich war super beeindruckt und inspiriert von Chars Projekt von Instructables, Sie sollten es sich ansehen, wenn Sie die Zeit haben.

Ich werde einen 8x8x8 LED-Würfel konstruieren, der nichts anderes ist als 8 Reihen, 8 Spalten und 8 Schichten von LEDs. Das sind insgesamt 512 LEDs. Jetzt ist das wichtigste Element die LED, wählen Sie die kleinste Größe, damit der Würfel kompakt ist. Außerdem ist es besser, die diffusen LEDs über durchscheinende zu setzen, da die durchscheinenden das Licht streuen und nicht sehr ansprechend sind.

Schritt 1: Erforderliche Komponenten

LEDs - 512 Stück

Widerstände 1k, 220E - wenige

Taktiler Schalter - 1 Stück

Push-to-ON-Schalter - 1 Stück

Header M/W - Wenige

Arduino Pro Mini - 1 Stück

Kondensatoren 0.1uF - 9pc

Perfboard (15cm x 15cm) - 2 Stück

LED - 1 Stück

74HC594 - 8 Stück

2N2222 Transistor - 16 Stück

74LS138D - 1 Stück

IC-Sockel 20-polig - 9 Stück

IC-Sockel 16-polig - 1 Stück

Flachbandkabel - 5 Meter

UART-Programmierer

RPS

Zugriff auf 3D-Drucker

Schritt 2: Zusammenbau der Struktur des LED-Würfels

Ich habe eine Packung mit 1000 diffusen LEDs mitgenommen, von denen ich 512 verwenden werde. Jetzt müssen wir in der Lage sein, jede der LEDs unabhängig voneinander zu steuern, nur dann können wir interessante Muster erstellen.

Ich werde ein Arduino Pro Mini-Board verwenden, um die LEDs zu steuern, aber dieses Board hat nur 21 Pins, um die LEDs zu steuern. Aber ich kann einen Multiplexer verwenden, um alle 512 LEDs durch die 21 Pins zu treiben.

Bevor wir uns mit dem Design der Treiberschaltung befassen, bauen wir die Struktur für den LED-Würfel auf. Es ist sehr wichtig, dass die Symmetrie richtig ist, damit der Würfel gut aussieht, also lassen Sie uns zuerst einen Gig vorbereiten, der uns hilft, die Symmetrie beizubehalten.

Ich werde eine Basis von 120 x 120 x 2 mm in 3D drucken, um den Würfel zu konstruieren. Ich werde dies verwenden, um jede LED-Schicht zu erstellen, die etwa 64 LEDs pro Schicht beträgt. Jetzt muss ich die LEDs gleichmäßig über die Platine verteilen. Da die Kathode etwa 17 mm groß ist und 2 mm zum Löten übrig bleiben, werde ich die Löcher 15 mm voneinander beabstanden. Beginnen wir mit dem 3D-Druck.

Ich ordne zuerst die LEDs in einer Reihe an und schließe die Kathode kurz. Ebenso werde ich 8 Reihen von LEDs mit kurzgeschlossenen Kathoden anordnen. Sobald dies erledigt ist, habe ich 1 Kathodenstift und 64 Anodenstifte, dies bildet 1 Schicht.

Das Anordnen von 8 solcher Schichten übereinander macht es instabil und die Struktur verformt sich. Daher werde ich es zusätzlich unterstützen. Es gibt einige Möglichkeiten, und eine davon ist die Verwendung von versilbertem Kupferdraht, aber da ich diesen nicht bei mir habe, werde ich eine grobe Methode ausprobieren. Das Strecken des Lötdrahtes versteift ihn, also werde ich das zur Unterstützung verwenden. Wenden Sie etwas Löten an den Kathodenstiften an, bevor Sie den Draht zur Unterstützung verwenden. Hoffentlich sollte die Verwendung in der Mitte und an den Seiten dem Würfel die Stärke verleihen, die er benötigt. Wir benötigen ungefähr 16 Drähte und es ist sehr wichtig, dass wir dieses Teil richtig machen.

Ich werde die Anodenstifte begradigen, um sie symmetrisch zu machen.

Die LEDs können durch die Löthitze manchmal beschädigt werden, daher ist es besser, sie nach dem Aufbau jeder Schicht zu überprüfen. Danach können die Schichten übereinander montiert werden und diesmal können die Anodenstifte verlötet werden. Am Ende sollten Sie 64 Anodenstifte und einen Kathodenstift pro Schicht haben. Mit diesen 64 + 8 = 72 Pins sollten wir also jede der LEDs in diesem Würfel steuern können.

Jetzt brauchen wir eine Stützstruktur, um die Schichten übereinander zu montieren.

Ich machte einen Fehler. Ich war etwas zu begeistert und habe nicht überprüft, ob die Anodenstifte zueinander ausgerichtet sind. Ich hätte die Anodenstifte um 2mm biegen sollen, damit jede Lage miteinander verlötet werden kann und eine gerade Linie gebildet werden kann. Da ich dies nicht getan habe, muss ich alle Pins, die ich gelötet habe, manuell biegen, was am Ende meine Symmetrie beeinträchtigen könnte. Aber achten Sie beim Konstruieren darauf, dass Sie nicht den gleichen Fehler machen. Jetzt ist der Aufbau abgeschlossen, wir müssen an der Treiberschaltung arbeiten.

Schritt 3: Treiberschaltung - Anzahl der Pins reduzieren

Wie eingangs erwähnt, benötigen wir 72 IO-Pins vom Controller, aber das ist ein Luxus, den wir uns nicht leisten können. Lassen Sie uns also eine Multiplexschaltung aufbauen und die Anzahl der Pins reduzieren. Schauen wir uns ein Beispiel an, nehmen wir einen Flip-Flop-IC. Dies ist ein Flip-Flop vom Typ D, machen wir uns an dieser Stelle keine Gedanken über die technischen Details. Die grundlegende Aufgabe des ICs besteht darin, sich die 8 Pins zu merken, davon 2 für die Stromversorgung, D0 – D7 sind die Eingangspins zum Empfangen der Daten und Q0 – Q7 sind die Ausgangspins zum Senden der verarbeiteten Daten. Der Output-Enable-Pin ist ein aktiver Low-Pin, d.h. nur wenn wir ihn auf 0 setzen, erscheinen die Eingangsdaten in den Ausgangspins. Es gibt auch einen Uhrenstift, mal sehen, warum wir ihn brauchen.

Jetzt habe ich den IC auf einem Steckbrett befestigt und am Eingang die Werte auf 10101010 gesetzt, wobei 8 LEDs am Ausgang angeschlossen sind. Jetzt sind die LEDs je nach Eingang ein- oder ausgeschaltet. Lassen Sie mich die Eingabe auf 10101011 ändern und die Ausgabe überprüfen. Bei den LEDs sehe ich keine Veränderung. Wenn ich jedoch einen Low-to-High-Impuls durch den Taktstift sende, ändert sich der Ausgang basierend auf dem neuen Eingang.

Mit diesem Konzept werden wir unsere Treiberplatine entwickeln. Unser IC kann sich jedoch nur an 8 Eingangspindaten erinnern, daher werden wir insgesamt 8 solcher ICs verwenden, um 64 Eingänge zu unterstützen.

Schritt 4: Design der Treiberschaltung

Ich beginne damit, alle Eingangspins des ICs mit den 8 Datenpins des Mikrocontrollers zu multiplexen. Der Trick besteht darin, die 64-Bit-Daten der 8 Pins in 8 Datenbits aufzuteilen.

Wenn ich nun die 8 Datenbits an den ersten IC weitergebe, gefolgt von einem niedrigen bis hohen Impulssignal im Taktstift, sehe ich, dass sich die Eingangsdaten in den Ausgangsstiften widerspiegeln. In ähnlicher Weise kann ich 64 Datenbits an alle ICs senden, indem ich 8 Datenbits an den Rest der ICs sende und die Taktstifte steuere. Das andere Problem ist nun der Mangel an Taktpins im Controller. Ich werde also einen 3- bis 8-Zeilen-Decoder-IC verwenden, um die Taktstiftsteuerungen zu multiplexen. Mit den 3 Adresspins im Decoder in Kombination mit dem Mikrocontroller kann ich die 8 Ausgangspins des Decoders steuern. Diese 8 Ausgangspins müssen mit den Taktpins in den ICs verbunden werden. Jetzt müssen wir alle Output-Enable-Pins kurzschließen und mit einem Pin am Mikrocontroller verbinden. Damit sollten wir alle LEDs ein- oder ausschalten können.

Was wir bisher nur für eine einzelne Schicht gemacht haben, müssen wir jetzt per Programmierung auf andere Schichten ausdehnen. Eine LED verbraucht etwa 15 mA Strom, so dass wir bei dieser Zahl etwa 1 Ampere Strom für eine einzelne Schicht benötigen. Jetzt kann das Arduino Pro Mini-Board nur bis zu 200 mA Strom liefern oder ableiten. Da unser Schaltstrom zu hoch ist, müssen wir einen BJT oder MOSFET verwenden, um die LED-Schicht zu steuern. Ich habe nicht viele MOSFETs, aber ein paar NPN- und PNP-Transistoren. Theoretisch müssen wir möglicherweise bis zu 1 Ampere Strom pro Schicht schalten. Von den Transistoren, die ich bekommen habe, kann der höchste nur etwa 800 mA Strom schalten, der 2N22222-Transistor.

Nehmen wir also 2 Transistoren und erhöhen ihre Strombelastbarkeit, indem wir sie parallel schalten. Viele Leute verwenden bei dieser Methode nur den Basisbegrenzungswiderstand, aber das Problem besteht hier darin, dass der Strom durch die Transistoren aufgrund der Temperaturänderungen unausgeglichen wird und Stabilitätsprobleme verursacht. Um das Problem zu mildern, können wir auch im Emitter ähnliche 2 Widerstände verwenden, um den Strom auch bei Temperaturänderungen zu regulieren. Dieses Konzept wird als Emitterdegeneration bezeichnet. Der Emitterwiderstand liefert eine Art Rückkopplung, um die Verstärkung des Transistors zu stabilisieren.

Ich werde nur Widerstände nur in der Basis verwenden. Dies kann in Zukunft zu Problemen führen, aber da dies nur ein Prototyp ist, werde ich später damit umgehen.

Schritt 5: Löten der Komponenten

Lassen Sie uns nun die Schaltung auf einem Perfboard zusammenbauen. Beginnen wir mit den Flipflop-ICs und verwenden dafür einen IC-Halter. Beginnen Sie immer mit dem ersten und letzten Pin, prüfen Sie die Stabilität und löten Sie dann die restlichen PINs. Lassen Sie uns auch einige Stiftleisten verwenden, um die Strombegrenzungswiderstände Plug-and-Play zu ermöglichen und um die Verbindung zum Cube herzustellen. Schließen Sie nun die Entkopplungskondensatoren des ICs in der Nähe der Stromversorgungspins des ICs an.

Als nächstes arbeiten wir am Mikrocontroller. Um es Plug-and-Play zu machen, verwenden wir einen Halter und verbinden zuerst die weiblichen Pins und platzieren dann den Mikrocontroller.

Zeit, an den Transistoren zu arbeiten. Zur Verbindung mit der Basis der Transistoren werden 16 1K Ohm Widerstände benötigt. Um die gemeinsamen Kathodenstifte des LED-Würfels in einem logischen Standardzustand zu halten, werde ich einen 8-k-Ohm-Zip-Widerstand verwenden, der 8 Widerstände enthält. Lassen Sie uns schließlich am Adressdecoder-IC arbeiten. Nun wird die Schaltung analog zum Schaltungsentwurf fertig gestellt.

Schritt 6: 3D-Druck

Wir brauchen ein Gehäuse für die Unterbringung der Platine und des LED-Würfels, also verwenden wir ein 3D-gedrucktes. Ich werde es in 3 Teile machen, um den Zusammenbau zu erleichtern.

Zuerst eine Grundplatte zum Halten der LED-Struktur. Zweitens ein zentraler Körper für die Elektronik. Drittens ein Deckel zum Verschließen des Gehäuses.

Schritt 7: Einpacken

Beginnen wir mit der Montage der LED-Struktur. Sie können die Stifte durch die Löcher stecken und direkt an die Platine löten, aber aus Gründen der Stabilität werde ich zuerst eine Perf-Platine verwenden und sie dann an die Schaltung löten. Ich verwende ein Flachbandkabel, um an die LEDs zu löten, und verbinde dann das andere Ende mit den jeweiligen Flip-Flop-ICs-Ausgangspins.

Um eine Verbindung zwischen dem Transistor und den LED-Würfelschichten herzustellen, benötigen wir unabhängige Pins, um eine Verbindung zu den Kathodenpins herzustellen. Bevor wir es einschalten, ist es wichtig, den Durchgang und die Spannung zwischen den Punkten zu überprüfen. Sobald alles in Ordnung ist, können die ICs angeschlossen und dann eingeschaltet werden. Auch hier ist es gut zu überprüfen, ob alle LEDs leuchten, indem Sie sie direkt an die Stromversorgung anschließen, bevor Sie sie über den Stromkreis anschließen. Wenn alles für gut befunden wurde, können die LED-Kabel an die entsprechenden Flip-Flop-Punkte angeschlossen werden.

Machen wir ein bisschen Aufräumarbeiten – trennen Sie das Programmierkabel des Mikrocontrollers, schneiden Sie überstehende Stifte ab usw. Verbinden wir nun das Programmierkabel mit dem Gehäusekörper, befestigen Sie eine Status-LED, einen Netzschalter und schließlich einen Reset-Schalter. Wir sind kurz davor, es fertigzustellen, also lasst uns die 3 Teile zusammensetzen. Beginnen Sie mit der LED-Basis zum Körper, dann schließen Sie den Deckel an der Unterseite, sobald die Kabel gut sitzen.

Laden Sie den Code auf den Arduino Pro Mini herunter und das war's!

Vielen Dank an Chr https://www.instructables.com/id/Led-Cube-8x8x8/ für seine hervorragende Instructable und Code.