GlassCube - Khối LED 4x4x4 trên PCB bằng kính: 11 bước (có hình ảnh)

2025 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2025-01-23 15:14

Hướng dẫn đầu tiên của tôi trên trang web này là Khối lập phương LED 4x4x4 sử dụng PCB bằng thủy tinh. Thông thường, tôi không thích làm cùng một dự án hai lần nhưng gần đây tôi đã xem video này của nhà sản xuất người Pháp Heliox, video này đã truyền cảm hứng cho tôi để tạo ra một phiên bản lớn hơn của khối lập phương ban đầu của mình. Trong video của mình, Heliox đưa ra một quy trình đơn giản hơn nhiều để sản xuất PCB bằng thủy tinh mà không cần đến quá trình khắc mà thay vào đó, cô ấy sử dụng một máy vẽ để cắt các dấu vết từ một lá đồng tự dính, sau đó được chuyển sang một chất nền thủy tinh. Vì máy vẽ không đắt như vậy và cũng có thể hữu ích cho các dự án khác nên tôi chỉ có một chiếc để thử quy trình cho chính mình.

Ngoài việc là một phiên bản lớn hơn của khối lập phương ban đầu của tôi, phiên bản này còn sử dụng PCB tùy chỉnh dựa trên vi điều khiển SAMD21 và vỏ được làm từ nhựa acrylic. Khối lập phương có thể được lập trình với Arduino IDE và cũng tương thích với CircuitPython.

Bộ GlassCube hiện cũng có sẵn trên Tindie.

Trong trường hợp bạn đã mua bộ phụ kiện, bạn chỉ phải hàn các đèn LED (bước 5), lắp ráp vỏ (bước 8) và kết nối các lớp với nhau (bước 9)

Quân nhu

• 64 chiếc - WS2812B 5050 LED SMD (ví dụ: aliexpress)
• 4 chiếc - tấm kính 100 x 100 x 2 mm (Tôi thấy nhà cung cấp này thực sự rẻ của Đức chỉ tính phí 0,20 EUR / chiếc)
• 2 chiếc - Tờ A4 lá đồng tự dính (ví dụ: amazon)
• 1 cuộn - giấy chuyển máy vẽ (ví dụ: amazon)
• 1 bộ - lasercut acrylic (xem bên dưới)
• 1 PCB tùy chỉnh (xem bên dưới)
• 4 cái vít M2x8 + đai ốc

Tổng chi phí của tất cả các vật liệu bao gồm cả dịch vụ lasercut và sản xuất PCB là khoảng 100 EUR.

Công cụ

• Máy vẽ đồ họa Silhouette Portrait 2 (ví dụ: amazon)
• máy cắt laser hoặc dịch vụ cắt laser trực tuyến (tôi đang sử dụng snijlab.nl)
• mỏ hàn
• tấm nhiệt hoặc lò nung lại để hàn SMD (hoặc kỹ năng hàn tay nâng cao

Bước 1: Thiết kế CAD

Kích thước vỏ và PCB của GlassCube được thiết kế trong Fusion360, tôi đã đính kèm thiết kế bên dưới.

Các cột cạnh và tấm trên cùng được làm từ acrylic trong suốt dày 3 mm. Các lớp với đèn LED được làm từ kính nổi dày 2 mm. Tấm dưới cùng là một PCB được sản xuất tùy chỉnh.

Bước 2: Thiết kế PCB LED

Tôi đã sử dụng Eagle để thiết kế bố cục của PCB bằng kính. Vì việc cắt vết bằng máy vẽ không chính xác bằng việc khắc chúng bằng phương pháp truyền mực nên độ rộng vết tối thiểu bị hạn chế. Tôi đã thử các độ rộng vết khác nhau và thấy rằng 32 mil là kích thước tối thiểu mà tôi có thể sử dụng vì các vết mỏng hơn thường bị bong tróc trong quá trình vẽ biểu đồ.

Để có thể cắt các dấu vết từ lá đồng, bố cục bảng phải được chuyển đổi sang dxf. Tôi đã mất một lúc để tìm ra cách thực hiện việc này một cách chính xác, vì vậy hãy để tôi đi qua các bước một cách chi tiết

1. bố cục bảng mở trong Eagle
2. ẩn tất cả các lớp ngoại trừ lớp trên cùng
3. nhấp vào Tệp-> In rồi chọn In thành tệp (pdf)
4. mở pdf trong Inkscape
5. sử dụng công cụ chỉnh sửa đường dẫn để đánh dấu một dấu vết sau đó nhấp vào E dit-> Chọn Same-> Stroke Style, thao tác này sẽ đánh dấu tất cả các dấu vết (nhưng không đánh dấu các miếng đệm)
6. nhấp vào P Ath-> Stroke to Path, điều này sẽ chuyển đổi đường phác thảo thành các đường dẫn mới
7. đánh dấu tất cả các đường dẫn (bao gồm cả các miếng đệm) bằng cách chọn công cụ chọn đường dẫn và sau đó nhấn ctrl + a
8. nhấp vào P sports-> Liên kết điều này sẽ kết hợp tất cả các đường dẫn và loại bỏ bất kỳ đường cắt nào bên trong các khu vực "được lấp đầy"
9. nhấp vào Tệp-> Lưu dưới dạng và chọn *.dxf làm định dạng tệp

Tệp dxf có thể được tìm thấy tại đây trên GitHub của tôi.

Bước 3: Cắt lá đồng

Tệp dxf được cắt từ các tờ giấy bạc đồng tự dính A4 bằng máy vẽ Silhouette Portrait 2. Các tấm đồng lần đầu tiên được gắn vào tấm cắt tự dính đi kèm. Các cài đặt phần mềm mà tôi đã sử dụng để cắt có thể được nhìn thấy trong hình đính kèm.

Sau khi cắt giấy bạc thừa phải được loại bỏ cẩn thận. Để không làm hỏng tờ giấy đã cắt, tôi để nguyên tờ A4 trên thảm cắt cho các bước sau.

Bước 4: Chuyển lá đồng

Giấy bạc đã cắt được chuyển lên tấm thủy tinh bằng cách sử dụng giấy chuyển chỉ là một loại giấy tự dính khác. Giấy chuyển nhượng được gắn vào lá đồng và sau đó từ từ bóc ra để lá đồng tiếp tục dính vào tờ giấy chuyển nhượng. Sau đó, nó được gắn vào đế thủy tinh và giấy chuyển từ từ được bóc ra để lúc này lá đồng dính vào tấm thủy tinh.

Bố cục bảng có hai điểm đánh dấu ở góc trên bên trái và bên phải giúp căn chỉnh chính xác giấy bạc trên tấm kính. Sau khi gắn các điểm đánh dấu một lần nữa có thể được lấy ra khỏi tấm kính.

Bước 5: Hàn các đèn LED

Các đèn LED SMD được hàn vào tấm kính bằng tay. Tôi cũng đã cố gắng gắn chúng bằng cách sử dụng một tấm nhiệt (thực sự là bếp của tôi) nhưng như hình ảnh cho thấy điều này hóa ra không phải là một ý tưởng hay. Nếu bạn có một lò nung nóng thích hợp thì có thể đáng để thử nhưng tùy thuộc vào loại thủy tinh được sử dụng, có nguy cơ nghiêm trọng là nó sẽ bị vỡ trong quá trình gia nhiệt.

Liên quan đến hướng của đèn LED có hai cách bố trí khác nhau. Đối với lớp thứ nhất và thứ ba của khối lập phương, hướng sẽ khác với lớp thứ hai và thứ tư. Bằng cách này, việc kết nối các lớp sau này sẽ dễ dàng hơn.

Bước 6: PCB vi điều khiển

Thay vì dựa vào một bảng phát triển thương mại như Arduino Nano, tôi đã thiết kế một PCB tùy chỉnh trong Eagle để điều khiển đèn LED. Điểm đặc biệt là tôi có thể định hình bảng sao cho nó vừa vặn với khối lập phương. Bo mạch này dựa trên vi điều khiển ATSAMD21E18, giống vi điều khiển được sử dụng trong Trinklet M0 của Adafruit. Tôi chọn MCU này vì nó có USB riêng và không yêu cầu chip FTDI để lập trình. Ngoài ra Adafruit còn cung cấp các bộ nạp khởi động tương thích với Arduino IDE cũng như CircuitPython.

Một lưu ý về bo mạch là nó hoạt động với logic 3.3V trong khi WS2812B nên được sử dụng với 5V, tuy nhiên, nhiều người đã chỉ ra rằng hoạt động với 3.3V cũng có thể.

Tôi đã nhận PCB của mình từ PCBWay.com. Các tệp Gerber và BoM có thể được tìm thấy trên tài khoản GitHub của tôi.

Với một số kỹ năng, các thành phần SMD trên PCB này có thể được hàn bằng tay mặc dù tấm nhiệt hoặc lò nung lại tất nhiên sẽ hoạt động tốt hơn.

Bước 7: Nhấp nháy Bootloader

Tôi đã sử dụng bộ nạp khởi động UF2 do Adafruit cung cấp cho bảng Trinket M0 của họ. MCU được tạo ra nhờ sự trợ giúp của công cụ J-Link. Có thể tìm thấy hướng dẫn chi tiết về cách flash bộ nạp khởi động trên trang web Adafruit. Điều tuyệt vời về bộ nạp khởi động Adafruits UF2-SAMD là sau khi cài đặt lần đầu, MCU xuất hiện dưới dạng ổ đĩa flash và bạn chỉ cần kéo tệp UF2 vào ổ đĩa di động để flash lại. Điều này làm cho nó rất dễ dàng để ví dụ: chuyển đổi giữa Arduino IDE và CircuitPython.

Bước 8: Nhà ở Lasercut

Vỏ của khối lập phương được cắt từ acrylic trong suốt dày 3 mm. Tôi đã sử dụng dịch vụ cắt laser trực tuyến (snijlab.nl). Các tệp dxf tương ứng cũng có thể được tìm thấy trên tài khoản GitHub của tôi. Vỏ bao gồm 4 trụ và một tấm trên cùng. Các bài viết được gắn vào PCB chính ở phía dưới bằng cách sử dụng 4 chiếc vít và đai ốc M2x8.

Bước 9: Kết nối các lớp

Sau khi vỏ được lắp ráp, tôi kết nối các lớp bằng cách hàn dây vào các miếng đệm trên PCB bằng kính. Đây hóa ra là một thủ tục khá tinh vi và có nguy cơ làm cháy acrylic hoặc làm rách các miếng đồng. Lưu ý rằng các chân GND và VCC chuyển đổi vị trí trên mọi lớp vì vậy các dây phải được bắt chéo. Để tránh dây bị bung ra khỏi miếng đệm đồng, tôi đã cố định chúng bằng một giọt keo nóng nhỏ sau khi hàn. Lớp đầu tiên được kết nối với PCB dưới cùng bằng đầu nối Dupont nhưng các dây cũng có thể được hàn trực tiếp vào PCB.

Bước 10: Tải lên mã

Tôi đã sử dụng CircuitPython (phiên bản 4.x) để lập trình khối lập phương. Khi bạn đã cài đặt bộ nạp khởi động CircuitPython, bạn có thể chạy mã bằng cách lưu trực tiếp vào ổ đĩa flash MCU. Bạn cũng có thể không cần biên dịch, ví dụ: mở lại mã và chỉnh sửa nó.

Cho đến nay tôi mới chỉ tạo một số hoạt ảnh cơ bản nhưng sẽ tương đối dễ dàng cho bất kỳ ai mở rộng mã. Có thể tìm thấy mã trên GitHub của tôi, để chạy nó cần có thư viện Adafruit Neopixel và favouriteLED được tìm thấy tại đây.

Bước 11: Hoàn thành khối lập phương

Tôi khá hài lòng với giao diện của khối lập phương, PCB bằng thủy tinh và vỏ acrylic hoạt động hài hòa với nhau. Lần đầu tiên tôi tạo ra bảng MCU của riêng mình cũng rất thú vị và tôi gần như ngạc nhiên vì nó hoạt động hiệu quả trong lần thử đầu tiên. Vì tôi có một số PCB và các bộ phận acrylic dự phòng, tôi muốn làm cho khối lập phương này có sẵn như một bộ phụ kiện DIY trên Tindie. Vì vậy, nếu bạn quan tâm, hãy tiếp tục tìm kiếm nó hoặc chỉ cần viết cho tôi một tin nhắn riêng.

Ngoài ra, nếu bạn thích hướng dẫn này, hãy bình chọn cho tôi trong Cuộc thi Make It Glow.

Về nhì trong cuộc thi Make it Glow