DIY LED Cube: 7 bước

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:34

Khối lập phương LED không là gì khác ngoài một dãy đèn LED 3 chiều để phát sáng ở các dạng và mẫu khác nhau. Đây là một dự án thú vị để học hoặc cải thiện kỹ năng hàn, thiết kế mạch, in 3D và lập trình của bạn. Mặc dù tôi muốn tạo một khối RGB, nhưng tôi nghĩ trước tiên tôi sẽ bắt đầu với một khối led một màu đơn giản để học hỏi kinh nghiệm.

Tôi cực kỳ ấn tượng và được truyền cảm hứng bởi dự án Char’s from Guiductables, bạn nên xem thử nếu có thời gian.

Tôi sẽ xây dựng một khối led 8x8x8, không có gì khác ngoài 8 hàng, 8 cột và 8 lớp đèn LED. Đó là tất cả 512 đèn LED. Bây giờ, mục quan trọng nhất là đèn LED, hãy chọn kích thước nhỏ nhất sao cho khối lập phương nhỏ gọn. Ngoài ra, tốt hơn nên chọn đèn LED khuếch tán thay vì đèn trong mờ vì đèn trong mờ phân tán ánh sáng và không hấp dẫn lắm.

Bước 1: Các thành phần bắt buộc

Đèn LED - 512 máy tính

Điện trở 1k, 220E - vài

Công tắc xúc giác - 1 cái

Đẩy sang Công tắc BẬT - 1 máy tính

Tiêu đề M / F - Ít

Arduino Pro Mini - 1pc

Tụ điện 0,1uF - 9pc

Bảng đục lỗ (15cm x 15cm) - 2pc

LED - 1pc

74HC594 - 8pc

Bóng bán dẫn 2N2222 - 16pc

74LS138D - 1pc

Ổ cắm IC 20 chân - 9pc

Ổ cắm IC 16 chân - 1pc

Cáp ruy-băng - 5 mét

Lập trình viên UART

RPS

Truy cập vào Máy in 3D

Bước 2: Lắp ráp cấu trúc của LED Cube

Tôi đã chọn một gói 1000 đèn LED khuếch tán trong đó tôi sẽ sử dụng 512. Bây giờ, chúng ta phải có thể điều khiển từng đèn LED một cách độc lập, chỉ khi đó chúng ta mới có thể tạo ra các mẫu thú vị.

Tôi sẽ sử dụng bảng Arduino Pro Mini để điều khiển đèn LED, nhưng bảng này chỉ có 21 chân để điều khiển đèn LED. Nhưng tôi có thể sử dụng một bộ ghép kênh để điều khiển tất cả 512 đèn LED thông qua 21 chân.

Trước khi đi vào thiết kế mạch trình điều khiển, chúng ta hãy xây dựng cấu trúc cho khối LED. Điều rất quan trọng là chúng ta phải có được sự đối xứng phù hợp để khối lập phương trông đẹp mắt, vì vậy trước tiên hãy chuẩn bị sẵn một buổi biểu diễn sẽ giúp chúng ta duy trì sự đối xứng.

Tôi sẽ in 3D một đế 120x120x2mm để tạo hình khối. Tôi sẽ sử dụng điều này để tạo từng lớp đèn LED, sẽ có khoảng 64 đèn LED cho mỗi lớp. Bây giờ, tôi cần bố trí các đèn LED đồng nhất trên bảng. Vì cực âm là khoảng 17mm, còn lại 2mm để hàn, tôi sẽ tạo khoảng trống cho các lỗ cách nhau 15mm. Hãy bắt đầu in 3d.

Đầu tiên tôi sắp xếp các đèn LED liên tiếp và nối tắt cực âm. Tương tự, tôi sẽ sắp xếp 8 hàng đèn LED với cực âm của chúng bị chập. Sau khi hoàn thành, tôi có 1 chân cực âm và 64 chân cực dương, điều này tạo thành 1 lớp.

Bố trí 8 lớp như vậy chồng lên nhau sẽ làm cho nó không ổn định và kết cấu sẽ bị biến dạng. Vì vậy, tôi sẽ cung cấp cho nó một số hỗ trợ bổ sung. Có khá nhiều cách để làm và một trong những cách đó là sử dụng dây đồng mạ bạc, nhưng vì tôi không mang theo bên mình nên tôi sẽ thử một phương pháp thô sơ. Kéo dài dây hàn làm cứng nó, vì vậy tôi sẽ sử dụng nó để hỗ trợ. Áp dụng một số hàn trên các chân cực âm trước khi sử dụng dây để hỗ trợ. Hy vọng rằng việc sử dụng nó ở trung tâm và các bên sẽ mang lại cho khối lập phương sức mạnh cần thiết. Chúng ta sẽ cần khoảng 16 dây và điều quan trọng là chúng ta làm đúng phần này.

Tôi sẽ làm thẳng các chân cực dương để làm cho chúng đối xứng.

Đôi khi đèn LED có thể bị hỏng do nhiệt hàn, vì vậy tốt hơn hết bạn nên kiểm tra chúng sau khi thi công mọi lớp. Sau khi hoàn thành, các lớp có thể được lắp ráp chồng lên nhau và lúc này các chân cực dương có thể được hàn. Cuối cùng, bạn sẽ có 64 chân cực dương và một chân cực âm cho mỗi lớp. Vì vậy, với 64 + 8 = 72 chân này, chúng ta sẽ có thể điều khiển từng đèn LED trong khối này.

Bây giờ, chúng ta cần một cấu trúc hỗ trợ để lắp ráp các lớp chồng lên nhau.

Tôi đã phạm một sai lầm. Tôi đã hơi quá nhiệt tình và không kiểm tra xem các chân cực dương có thẳng hàng với nhau hay không. Tôi nên uốn cong các chân cực dương thêm 2mm để mỗi lớp có thể được hàn với nhau và có thể tạo thành một đường thẳng. Vì tôi đã không làm điều này, tôi sẽ phải uốn theo cách thủ công tất cả các chân mà tôi đã hàn và điều này cuối cùng có thể ảnh hưởng đến sự đối xứng của tôi. Nhưng khi bạn xây dựng nó, hãy cẩn thận để không mắc phải sai lầm tương tự. Bây giờ việc xây dựng đã hoàn tất, chúng ta sẽ phải làm việc trên mạch trình điều khiển.

Bước 3: Mạch trình điều khiển - Giảm số lượng chân

Giống như tôi đã đề cập ở phần đầu, chúng tôi sẽ cần 72 chân IO từ bộ điều khiển, nhưng đó là điều xa xỉ mà chúng tôi không thể mua được. Vì vậy, chúng ta hãy xây dựng một mạch ghép kênh và giảm số lượng chân. Hãy xem một ví dụ, chúng ta hãy lấy một IC flip-flop. Đây là một flip-flop loại D, chúng ta đừng lo lắng về các tính năng kỹ thuật tại thời điểm này. Công việc cơ bản của IC là ghi nhớ 8 chân, trong đó 2 chân dùng để cấp nguồn, D0 - D7 là chân đầu vào để nhận dữ liệu và Q0 - Q7 là chân đầu ra để gửi dữ liệu đã xử lý ra ngoài. Chân cho phép đầu ra là chân thấp hoạt động, tức là chỉ khi chúng ta đặt nó về 0 thì dữ liệu đầu vào mới xuất hiện trong các chân đầu ra. Ngoài ra còn có một kim đồng hồ, chúng ta hãy xem tại sao chúng ta cần nó.

Bây giờ, tôi đã cố định IC trên breadboard và đặt giá trị đầu vào thành 10101010 với 8 đèn LED được kết nối với đầu ra. Bây giờ, đèn LED bật hoặc tắt dựa trên đầu vào. Hãy để tôi thay đổi đầu vào thành 10101011 và kiểm tra đầu ra. Tôi không thấy bất kỳ thay đổi nào với đèn LED. Nhưng khi tôi gửi một xung từ thấp đến cao qua chân đồng hồ, đầu ra sẽ thay đổi dựa trên đầu vào mới.

Chúng tôi sẽ sử dụng khái niệm này để phát triển bảng mạch trình điều khiển của chúng tôi. Nhưng vi mạch của chúng tôi chỉ có thể nhớ dữ liệu 8 chân đầu vào, vì vậy chúng tôi sẽ sử dụng tổng cộng 8 vi mạch như vậy để hỗ trợ 64 đầu vào.

Bước 4: Thiết kế mạch trình điều khiển

Tôi bắt đầu với việc ghép tất cả các chân đầu vào của IC với 8 chân dữ liệu của vi điều khiển. Mẹo ở đây là chia dữ liệu 64-bit của 8 chân thành 8 bit dữ liệu.

Bây giờ, khi tôi chuyển 8 bit dữ liệu đến IC đầu tiên, theo sau là tín hiệu xung từ thấp đến cao trong chân đồng hồ, tôi sẽ thấy dữ liệu đầu vào phản ánh trong các chân đầu ra. Tương tự, bằng cách gửi 8 bit dữ liệu đến phần còn lại của các IC và điều khiển các chân đồng hồ, tôi có thể gửi 64 bit dữ liệu đến tất cả các IC. Bây giờ vấn đề khác là sự thiếu hụt chân đồng hồ trong bộ điều khiển. Vì vậy, tôi sẽ sử dụng một IC giải mã 3 đến 8 dòng để ghép các điều khiển chân đồng hồ. Sử dụng 3 chân địa chỉ trong bộ giải mã kết hợp với vi điều khiển tôi có thể điều khiển 8 chân đầu ra của bộ giải mã. 8 chân đầu ra này phải được kết nối với các chân đồng hồ trong IC. Bây giờ chúng ta phải rút ngắn tất cả các chân cho phép đầu ra và kết nối với một chân trên bộ vi điều khiển, sử dụng điều này, chúng ta sẽ có thể bật hoặc tắt tất cả các đèn LED.

Những gì chúng tôi đã làm cho đến nay chỉ dành cho một lớp duy nhất, bây giờ chúng tôi cần mở rộng chức năng cho các lớp khác thông qua lập trình. Một Led tiêu thụ dòng điện khoảng 15mA, vì vậy nếu đi theo con số đó, chúng ta sẽ cần khoảng 1 Amp hiện tại cho một lớp duy nhất. Bây giờ bo mạch mini Arduino pro chỉ có thể cấp nguồn hoặc chìm dòng điện lên đến 200 mA. Vì dòng chuyển mạch của chúng ta quá nhiều, chúng ta sẽ phải sử dụng BJT hoặc MOSFET để điều khiển lớp đèn LED. Tôi không có nhiều MOSFET, nhưng tôi có một vài bóng bán dẫn NPN và PNP. Về mặt lý thuyết, chúng ta có thể phải chuyển đổi tối đa 1 amp hiện tại cho mỗi lớp. Trong số các bóng bán dẫn tôi nhận được, bóng bán dẫn cao nhất chỉ có thể chuyển đổi dòng điện khoảng 800mA, bóng bán dẫn 2N22222.

Vì vậy, chúng ta hãy lấy 2 bóng bán dẫn và tăng khả năng hiện tại của chúng bằng cách kết nối chúng song song. Rất nhiều người khi họ áp dụng phương pháp này chỉ sử dụng điện trở giới hạn cơ bản, nhưng vấn đề ở đây là khi nhiệt độ thay đổi, dòng điện qua các bóng bán dẫn trở nên mất cân bằng và gây ra các vấn đề ổn định. Để giảm thiểu vấn đề, chúng ta có thể sử dụng 2 điện trở tương tự trong bộ phát cũng như để điều chỉnh dòng điện ngay cả khi nhiệt độ thay đổi. Khái niệm này được gọi là suy giảm chất phát. Điện trở phát cung cấp một loại phản hồi để ổn định độ lợi của bóng bán dẫn.

Tôi sẽ chỉ sử dụng điện trở chỉ trong cơ sở. Điều này có thể gây ra vấn đề trong tương lai, nhưng vì đây chỉ là nguyên mẫu nên tôi sẽ xử lý sau.

Bước 5: Hàn các thành phần

Bây giờ, chúng ta hãy lắp ráp mạch trên bảng điều khiển. Hãy bắt đầu với IC flipflop và sử dụng một giá đỡ IC cho mục đích này. Luôn bắt đầu với chân đầu tiên và chân cuối cùng, kiểm tra độ ổn định, sau đó hàn phần còn lại của các mã PIN. Hãy cũng sử dụng một số tiêu đề đực để cắm và chạy các điện trở hạn chế hiện tại và để kết nối với Khối lập phương. Bây giờ, hãy kết nối các tụ điện tách rời của IC gần với các chân cấp nguồn của IC.

Tiếp theo, chúng ta hãy làm việc trên vi điều khiển. Để làm cho nó cắm và chạy, trước tiên hãy sử dụng một giá đỡ và kết nối các chân cái, sau đó đặt bộ vi điều khiển.

Thời gian để làm việc trên các bóng bán dẫn. 16 điện trở 1K ohm được yêu cầu để kết nối với đế của bóng bán dẫn. Để giữ các chân cathode chung của Khối lập phương LED ở trạng thái logic mặc định, tôi sẽ sử dụng một điện trở zip 8 K ohm, chứa 8 điện trở. Cuối cùng cho phép làm việc trên IC giải mã địa chỉ. Bây giờ mạch đã sẵn sàng tương tự như thiết kế mạch.

Bước 6: In 3D

Chúng ta cần một vỏ bọc để chứa bảng mạch và khối đèn led, vì vậy hãy sử dụng một hộp được in 3d. Tôi sẽ làm nó thành 3 phần để dễ lắp ráp.

Đầu tiên, một tấm đế để giữ cấu trúc dẫn. Thứ hai, một cơ quan trung tâm cho các thiết bị điện tử. Thứ ba, một nắp để đóng nhà ở.

Bước 7: Kết thúc

Hãy bắt đầu với việc lắp cấu trúc đèn led. Bạn có thể đẩy các chân cắm qua các lỗ và hàn trực tiếp vào bảng mạch, nhưng để ổn định, trước tiên tôi sẽ sử dụng bảng điều chỉnh lỗ, sau đó hàn nó vào mạch. Tôi đang sử dụng cáp ruy-băng để hàn vào các đèn LED, sau đó kết nối đầu kia với các chân đầu ra của IC flip-flop tương ứng.

Để kết nối giữa transistor và các lớp khối LED, chúng ta cần có các chân độc lập để kết nối với các chân catốt. Trước khi bật nguồn, điều quan trọng là phải kiểm tra tính liên tục và điện áp giữa các điểm. Khi mọi thứ đều tốt, các IC có thể được kết nối và sau đó bật nguồn. Một lần nữa, tốt nhất là bạn nên kiểm tra xem tất cả các đèn LED có phát sáng hay không bằng cách kết nối trực tiếp với nguồn điện trước khi kết nối qua mạch. Nếu tất cả được tìm thấy là tốt, thì các dây cáp dẫn có thể được kết nối với các điểm lật tương ứng.

Hãy thực hiện một số công việc dọn dẹp - ngắt kết nối cáp lập trình vi điều khiển, cắt các chân nhô ra, v.v. Bây giờ chúng ta hãy kết nối cáp lập trình với thân vỏ, sửa đèn led trạng thái, công tắc nguồn và cuối cùng là công tắc thiết lập lại. Chúng ta sắp hoàn thành nó, vì vậy chúng ta hãy tập hợp 3 phần lại với nhau. Bắt đầu với đế đèn LED vào thân, sau đó khi các dây cáp đã ổn định, hãy đóng nắp ở phía dưới.

Tải mã xuống Arduino Pro Mini và thế là xong!

Cảm ơn Chr https://www.instructables.com/id/Led-Cube-8x8x8/ vì Mã và Mã tuyệt vời của anh ấy.