DIY LED Cube: 7 ขั้นตอน

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:06

LED Cube เป็นเพียงอาร์เรย์ 3 มิติของ LED ที่จะให้แสงสว่างในรูปแบบและรูปแบบที่แตกต่างกัน เป็นโครงการที่น่าสนใจในการเรียนรู้หรือปรับปรุงทักษะการบัดกรี การออกแบบวงจร การพิมพ์ 3 มิติ และทักษะการเขียนโปรแกรม แม้ว่าฉันต้องการสร้างคิวบ์ RGB แต่ฉันคิดว่าฉันจะเริ่มต้นด้วยลูกบาศก์สีเดียวที่เรียบง่ายเพื่อให้ได้ประสบการณ์

ฉันประทับใจมากและได้รับแรงบันดาลใจจากโครงการของ Char จาก Instructables คุณควรลองดูถ้าคุณมีเวลา

ฉันจะสร้างคิวบ์นำ 8x8x8 ซึ่งไม่มีอะไรเลยนอกจาก 8 แถว 8 คอลัมน์และไฟ LED 8 ชั้น นั่นคือ 512 LEDs ทั้งหมด ตอนนี้ รายการที่สำคัญที่สุดคือ LED เลือกขนาดที่เล็กที่สุดเพื่อให้ลูกบาศก์มีขนาดกะทัดรัด นอกจากนี้ ควรใช้ไฟ LED แบบกระจายเหนือหลอดโปร่งแสง เนื่องจากหลอดแบบโปร่งแสงจะกระจายแสงและไม่น่าสนใจมากนัก

ขั้นตอนที่ 1: ส่วนประกอบที่จำเป็น

ไฟ LED - 512 ชิ้น

ตัวต้านทาน 1k, 220E - น้อย

สวิตช์สัมผัส - 1 ชิ้น

Push to ON Switch - 1 ชิ้น

ส่วนหัว M/F - Few

Arduino Pro Mini - 1 ชิ้น

ตัวเก็บประจุ 0.1uF - 9pc

Perfboard (15 ซม. x 15 ซม.) - 2 ชิ้น

LED - 1pc

74HC594 - 8 ชิ้น

2N2222 ทรานซิสเตอร์ - 16pc

74LS138D - 1 ชิ้น

ซ็อกเก็ต IC 20 พิน - 9pc

ซ็อกเก็ตไอซี 16 พิน - 1pc

สายริบบิ้น - 5 เมตร

โปรแกรมเมอร์ UART

RPS

เข้าถึงเครื่องพิมพ์ 3 มิติ

ขั้นตอนที่ 2: การประกอบโครงสร้างของ LED Cube

ฉันได้เลือก LED แบบกระจายจำนวน 1,000 ดวง ซึ่งฉันจะใช้ 512 ตอนนี้ เราต้องสามารถควบคุมไฟ LED แต่ละดวงแยกจากกัน จากนั้นเราจะสามารถสร้างรูปแบบที่น่าสนใจได้

ฉันจะใช้บอร์ด Arduino Pro Mini เพื่อควบคุม LED แต่บอร์ดนี้มีเพียง 21 พินสำหรับควบคุม LED แต่ฉันสามารถใช้มัลติเพล็กเซอร์เพื่อขับเคลื่อนไฟ LED 512 ดวงทั้งหมดผ่าน 21 พินได้

ก่อนที่เราจะเข้าสู่การออกแบบวงจรขับ เรามาสร้างโครงสร้างสำหรับ LED cube กันก่อน เป็นสิ่งสำคัญมากที่เราจะต้องสมมาตรที่เหมาะสมเพื่อให้ลูกบาศก์ดูดี ดังนั้นก่อนอื่นให้เตรียมพร้อมที่จะช่วยให้เรารักษาความสมมาตรได้

ฉันจะพิมพ์ 3 มิติฐาน 120x120x2 มม. เพื่อสร้างลูกบาศก์ ฉันจะใช้สิ่งนี้เพื่อสร้าง LED แต่ละชั้น ซึ่งจะอยู่ที่ประมาณ 64 LEDs ต่อเลเยอร์ ตอนนี้ ฉันต้องเว้นระยะ LED ให้ทั่วกระดานอย่างสม่ำเสมอ เนื่องจากแคโทดประมาณ 17 มม. เหลือ 2 มม. สำหรับการบัดกรี ฉันจะเว้นช่องว่างให้รูห่างกัน 15 มม. มาเริ่มการพิมพ์ 3 มิติกัน

อันดับแรก ฉันกำลังจัดเรียงไฟ LED เรียงกันและทำให้แคโทดลัดวงจร ในทำนองเดียวกัน ฉันจะจัดเรียง LED 8 แถวโดยให้ขั้วแคโทดสั้นลง เมื่อเสร็จแล้วฉันมี 1 แคโทดพินและ 64 พินแอโนดซึ่งเป็น 1 เลเยอร์

การจัดวางซ้อนกัน 8 ชั้นจะทำให้ไม่เสถียรและโครงสร้างจะเสียรูป ดังนั้นฉันจะให้การสนับสนุนเพิ่มเติม มีหลายวิธีในการทำและวิธีหนึ่งคือการใช้ลวดทองแดงชุบเงิน แต่เนื่องจากฉันไม่มีสิ่งนี้กับฉัน ฉันจะลองใช้วิธีการแบบคร่าวๆ การยืดลวดบัดกรีจะทำให้แข็งขึ้น ดังนั้นฉันจะใช้มันเพื่อรองรับ ใช้การบัดกรีบนพินแคโทดก่อนใช้ลวดเพื่อรองรับ หวังว่าการใช้ตรงกลางและด้านข้างจะทำให้ลูกบาศก์มีความแข็งแรงตามต้องการ เราต้องการสายไฟประมาณ 16 เส้น และสำคัญมากที่จะต้องทำให้ส่วนนี้ถูกต้อง

ฉันจะยืดหมุดขั้วบวกให้ตรงเพื่อให้สมมาตร

ไฟ LED อาจได้รับความเสียหายในบางครั้งเนื่องจากความร้อนจากการบัดกรี ดังนั้นจึงควรตรวจสอบหลังจากสร้างทุกชั้นแล้ว เมื่อเสร็จแล้ว เลเยอร์ต่างๆ สามารถประกอบเข้าด้วยกัน และคราวนี้สามารถบัดกรีหมุดขั้วบวกได้ ในท้ายที่สุด คุณควรมีพินแอโนด 64 พินและแคโทดพินหนึ่งพินต่อเลเยอร์ ดังนั้นด้วยพิน 64 + 8 = 72 พิน เราน่าจะสามารถควบคุมไฟ LED แต่ละดวงในคิวบ์นี้ได้

ตอนนี้ เราต้องการโครงสร้างรองรับสำหรับประกอบเลเยอร์ที่ทับซ้อนกัน

ฉันทำผิดพลาด ฉันค่อนข้างกระตือรือร้นเกินไปและไม่ได้ตรวจสอบว่าหมุดขั้วบวกอยู่ในแนวเดียวกันหรือไม่ ฉันควรจะงอหมุดขั้วบวก 2 มม. เพื่อให้แต่ละชั้นสามารถบัดกรีซึ่งกันและกันและสามารถสร้างเส้นตรงได้ เนื่องจากฉันไม่ได้ทำเช่นนี้ ฉันจะต้องงอหมุดทั้งหมดที่ฉันบัดกรีด้วยตนเอง ซึ่งอาจส่งผลต่อความสมมาตรของฉันในตอนท้าย แต่เมื่อคุณสร้างมันขึ้นมา ให้ระมัดระวังไม่ให้ผิดพลาดแบบเดียวกัน ตอนนี้การก่อสร้างเสร็จสมบูรณ์แล้ว เราจะต้องทำงานในวงจรคนขับ

ขั้นตอนที่ 3: วงจรขับ - ลดจำนวนพิน

อย่างที่ฉันพูดไปในตอนต้น เราต้องใช้พิน IO 72 พินจากคอนโทรลเลอร์ แต่นั่นก็เป็นสิ่งที่หรูหราที่เราไม่สามารถจ่ายได้ มาสร้างวงจรมัลติเพล็กซ์และลดจำนวนพินกัน ลองดูตัวอย่าง ลองใช้ไอซีแบบฟลิปฟล็อป นี่คือฟลิปฟล็อปชนิด D ไม่ต้องกังวลเกี่ยวกับคุณสมบัติทางเทคนิคในตอนนี้ งานพื้นฐานของ IC คือการจำ 8 พิน โดย 2 พินใช้สำหรับจ่ายไฟ D0 – D7 เป็นพินอินพุตสำหรับรับข้อมูล และ Q0 – Q7 เป็นพินเอาต์พุตสำหรับส่งข้อมูลที่ประมวลผล พินเปิดใช้งานเอาต์พุตเป็นพินต่ำที่ใช้งานอยู่ กล่าวคือเมื่อเราทำให้เป็น 0 เท่านั้นที่ข้อมูลอินพุตจะปรากฏในพินเอาต์พุต มีเข็มนาฬิกาด้วย มาดูกันว่าทำไมถึงต้องใช้

ตอนนี้ฉันได้แก้ไข IC บนเขียงหั่นขนมและตั้งค่าอินพุตเป็น 10101010 โดยมีไฟ LED 8 ดวงเชื่อมต่อกับเอาต์พุต ตอนนี้ไฟ LED เปิดหรือปิดตามอินพุต ให้ฉันเปลี่ยนอินพุตเป็น 10101011 และตรวจสอบผลลัพธ์ ฉันไม่เห็นการเปลี่ยนแปลงใด ๆ กับไฟ LED แต่เมื่อฉันส่งพัลส์ต่ำไปสูงผ่านพินนาฬิกา เอาต์พุตจะเปลี่ยนตามอินพุตใหม่

เราจะใช้แนวคิดนี้เพื่อพัฒนาแผงวงจรควบคุมของเรา แต่ไอซีของเราสามารถจำข้อมูลพินอินพุทได้เพียง 8 อัน ดังนั้นเราจะใช้ไอซีดังกล่าวทั้งหมด 8 ตัวเพื่อรองรับอินพุต 64 ตัว

ขั้นตอนที่ 4: การออกแบบวงจรไดรเวอร์

ฉันเริ่มต้นด้วยการมัลติเพล็กซ์พินอินพุตทั้งหมดของ IC กับ 8 ดาต้าพินของไมโครคอนโทรลเลอร์ เคล็ดลับที่นี่คือการแบ่งข้อมูล 64 บิตของ 8 พินเป็นข้อมูล 8 บิต

ตอนนี้ เมื่อฉันส่งข้อมูล 8 บิตไปยัง IC ตัวแรก ตามด้วยสัญญาณพัลส์ต่ำไปสูงในพินนาฬิกา ฉันจะเห็นว่าข้อมูลอินพุตสะท้อนให้เห็นในพินเอาต์พุต ในทำนองเดียวกัน ด้วยการส่งข้อมูล 8 บิตไปยังไอซีที่เหลือและควบคุมพินนาฬิกา ฉันสามารถส่งข้อมูล 64 บิตไปยังไอซีทั้งหมดได้ ตอนนี้ปัญหาอีกประการหนึ่งคือการขาดแคลนหมุดนาฬิกาในคอนโทรลเลอร์ ดังนั้นฉันจะใช้ IC ตัวถอดรหัส 3 ถึง 8 บรรทัดเพื่อมัลติเพล็กซ์ตัวควบคุมพินนาฬิกา การใช้หมุดที่อยู่ 3 ตัวในตัวถอดรหัสร่วมกับไมโครคอนโทรลเลอร์ ฉันสามารถควบคุมพินเอาต์พุต 8 ตัวของตัวถอดรหัสได้ พินเอาท์พุต 8 อันเหล่านี้ต้องเชื่อมต่อกับพินนาฬิกาในไอซี ตอนนี้ เราต้องย่อเอาต์พุตทั้งหมดที่เปิดใช้งานพิน และเชื่อมต่อกับพินบนไมโครคอนโทรลเลอร์ โดยใช้สิ่งนี้ เราควรจะสามารถเปิดหรือปิดไฟ LED ทั้งหมดได้

สิ่งที่เราทำจนถึงตอนนี้เป็นเพียงเลเยอร์เดียวเท่านั้น ตอนนี้เราจำเป็นต้องขยายฟังก์ชันการทำงานไปยังเลเยอร์อื่นๆ ผ่านการเขียนโปรแกรม หนึ่ง Led กินกระแสประมาณ 15mA ดังนั้นเราจะต้องใช้กระแสไฟฟ้าประมาณ 1 แอมป์สำหรับเลเยอร์เดียวตามจำนวนนั้น ตอนนี้บอร์ด Arduino pro mini สามารถจ่ายกระแสไฟได้สูงสุด 200 mA เท่านั้น เนื่องจากกระแสไฟสลับของเรามากเกินไป เราจึงต้องใช้ BJT หรือ MOSFET เพื่อควบคุมเลเยอร์ของ LED ฉันไม่มี MOSFET จำนวนมาก แต่ฉันมีทรานซิสเตอร์ NPN และ PNP สองสามตัว ในทางทฤษฎี เราอาจต้องเปลี่ยนกระแสไฟสูงสุด 1 แอมป์ต่อเลเยอร์ จากทรานซิสเตอร์ที่ฉันได้รับ สูงสุดสามารถสลับกระแสประมาณ 800mA เท่านั้น ทรานซิสเตอร์ 2N22222

ลองใช้ทรานซิสเตอร์ 2 ตัวและเพิ่มความสามารถในปัจจุบันโดยเชื่อมต่อแบบขนาน ผู้คนจำนวนมากเมื่อพวกเขาใช้วิธีนี้ใช้ตัวต้านทานขีดจำกัดฐานเท่านั้น แต่ปัญหาที่นี่คือเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง กระแสผ่านทรานซิสเตอร์จะไม่สมดุลและทำให้เกิดปัญหาด้านความเสถียร เพื่อลดปัญหา เราสามารถใช้ตัวต้านทาน 2 ตัวที่คล้ายกันในตัวปล่อยได้เช่นกัน เพื่อควบคุมกระแสไฟแม้ว่าอุณหภูมิจะเปลี่ยนแปลง แนวคิดนี้เรียกว่าการเสื่อมสภาพของอีซีแอล ตัวต้านทานอีซีแอลให้ผลป้อนกลับเพื่อรักษาอัตราขยายของทรานซิสเตอร์ให้คงที่

ฉันจะใช้ตัวต้านทานเฉพาะในฐานเท่านั้น สิ่งนี้อาจทำให้เกิดปัญหาในอนาคต แต่เนื่องจากนี่เป็นเพียงต้นแบบ ฉันจะจัดการกับมันในภายหลัง

ขั้นตอนที่ 5: การบัดกรีส่วนประกอบ

ตอนนี้ มาประกอบวงจรบนแผ่นไม้อัดกัน เริ่มต้นด้วยไอซี flipflop และใช้ที่ยึด IC เพื่อจุดประสงค์นี้ เริ่มต้นด้วยหมุดตัวแรกและตัวสุดท้ายเสมอ ตรวจสอบความเสถียร จากนั้นประสาน PIN ที่เหลือ ลองใช้ส่วนหัวของตัวผู้เพื่อเสียบปลั๊กและเล่นตัวต้านทานกระแสไฟที่ จำกัด และสำหรับการเชื่อมต่อกับ Cube ตอนนี้เชื่อมต่อตัวเก็บประจุแยกตัวของ IC ใกล้กับพินแหล่งจ่ายไฟของ IC

ต่อไป มาทำงานกับไมโครคอนโทรลเลอร์กัน เพื่อให้เป็นปลั๊กแอนด์เพลย์ ให้ใช้ที่ยึดและต่อหมุดตัวเมียก่อน แล้วจึงวางไมโครคอนโทรลเลอร์

ได้เวลาทำงานกับทรานซิสเตอร์ ต้องใช้ตัวต้านทาน 16 1K ohm เพื่อเชื่อมต่อกับฐานของทรานซิสเตอร์ เพื่อให้พินแคโทดทั่วไปของ LED Cube อยู่ในสถานะลอจิกเริ่มต้น ฉันจะใช้ตัวต้านทาน zip 8 K ohm ซึ่งมีตัวต้านทาน 8 ตัว สุดท้ายให้ทำงานกับตัวถอดรหัสที่อยู่ IC ตอนนี้วงจรพร้อมแล้วคล้ายกับการออกแบบวงจร

ขั้นตอนที่ 6: การพิมพ์ 3 มิติ

เราต้องการกล่องหุ้มสำหรับใส่แผงวงจรและลูกบาศก์ LED ดังนั้นให้ใช้แบบพิมพ์ 3 มิติ ผมจะทำเป็น 3 ส่วนนะครับ เพื่อความสะดวกในการประกอบ

ขั้นแรก แผ่นฐานสำหรับยึดโครงสร้างนำ ประการที่สอง ตัวเครื่องส่วนกลางสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ประการที่สามฝาปิดเพื่อปิดตัวเรือน

ขั้นตอนที่ 7: สรุป

เริ่มต้นด้วยการติดตั้งโครงสร้างนำ คุณสามารถดันหมุดผ่านรูและประสานเข้ากับแผงวงจรได้โดยตรง แต่เพื่อความมั่นคง ฉันจะใช้บอร์ดที่สมบูรณ์แบบก่อน จากนั้นจึงบัดกรีเข้ากับวงจร ฉันใช้สายแพเพื่อบัดกรีกับ LED จากนั้นเชื่อมต่อปลายอีกด้านกับพินเอาต์พุตไอซีฟลิปฟล็อปตามลำดับ

ในการเชื่อมต่อระหว่างทรานซิสเตอร์กับเลเยอร์คิวบ์ LED เราจำเป็นต้องมีพินอิสระเพื่อเชื่อมต่อกับพินแคโทด ก่อนที่เราจะเปิดเครื่อง สิ่งสำคัญคือต้องตรวจสอบความต่อเนื่องและแรงดันไฟฟ้าระหว่างจุดต่างๆ เมื่อทุกอย่างเรียบร้อยดี ไอซีสามารถเชื่อมต่อและเปิดเครื่องได้ อีกครั้ง เป็นการดีที่จะตรวจสอบว่าไฟ LED ทั้งหมดติดสว่างหรือไม่โดยเชื่อมต่อโดยตรงกับแหล่งจ่ายไฟก่อนที่จะเชื่อมต่อผ่านวงจร หากพบว่าทุกอย่างดีแล้ว สายเคเบิลแบบ LED สามารถเชื่อมต่อกับจุดฟลิปฟล็อปตามลำดับได้

มาทำความสะอาดกันเถอะ - ถอดสายการเขียนโปรแกรมไมโครคอนโทรลเลอร์ ตัดหมุดที่ยื่นออกมา ฯลฯ ตอนนี้ มาต่อสายโปรแกรมกับตัวเครื่อง แก้ไขไฟ LED แสดงสถานะ สวิตช์เปิดปิด และสุดท้ายคือสวิตช์รีเซ็ต ใกล้จะเสร็จแล้ว เลยเอาทั้ง 3 ส่วนมารวมกัน เริ่มต้นด้วยฐาน LED เข้ากับตัวเครื่อง จากนั้นเมื่อสายเคเบิลเข้าที่แล้ว ให้ปิดฝาที่ด้านล่าง

ดาวน์โหลดโค้ดลงใน Arduino Pro Mini เท่านี้ก็เรียบร้อย!

ขอบคุณ Chr https://www.instructables.com/id/Led-Cube-8x8x8/ สำหรับ Instructable และ Code ที่ยอดเยี่ยมของเขา