Úvod
LED kostky existují již dlouhou dobu, existuje mnoho příkladů jejich výroby. Na internetu najdete různé, od velkých objemových 3D LED obrazovek. Nejoptimálnější velikost, od které je možné začít se zvládáním jejich stavby a programování pro začátečníky, je 8x8x8 (512 LED), kostky menších rozměrů nevykazují světelné efekty tak zřetelně a kostky od 16x16x16 jsou pro začátečníky poměrně náročné na výrobu.
V tomto článku vám chci říci o vytvoření LED Cube o velikosti 8x8x8 s využitím desky Arduino Pro Mini jako řídicího mikrokontroléru. Tento model kostky může pracovat ve dvou režimech: světelné efekty a režim hodin. To bylo možné díky integraci modulu RTC do obvodu.
Princip fungování
Světelná kostka 512 LED je řízena tranzistory MOSFET, 64 tranzistorů má na starosti dodávání kladného napětí do sloupců a 8 tranzistorů má na starosti přivádění záporného napětí do vrstev. Proud (a tedy i jas) LED je regulován 64 odpory (R011-R641) umístěnými za výstupem tranzistorů na sloupcích. Otevírání a zavírání tranzistorů se provádí pomocí posuvných registrů, které jsou zase řízeny přes dvě linky (samostatné sloupce a vrstvy) deskou Arduino.
Celá struktura kostky je rozdělena na části:
Napájení je vybráno s ohledem na napájení LED, protože najednou může svítit pouze jedna vrstva, to znamená 64 LED. Pokud vezmeme proud jedné LED rovný 30mA, pak dostaneme: 30mA*64=1920mA, to znamená, že k napájení celé konstrukce bude stačit zdroj 3A.
Návrh obvodu
Hlavní deska je tedy převážně přepínacího charakteru, propojuje všechny moduly a řídí vrstvy. Pro přehlednost to rozdělíme na dvě části: přepínání a správa vrstev.
Schéma č. 1, hlavní řídicí deska:
Spínací část dodává hlavní napájení zařízení (J6). Pro flashování desky Arduino Pro Mini použijte modul USB to TTL, který je připojen přes J6-1, piny J6-J1 a J6-J2, slouží k připojení napájení desky Arduino z modulu (toto napájení je vyžadováno pro firmware pokud není použit napájecí zdroj). Konektor J4 se používá pro připojení SD karty a J5 se používá pro připojení RTC modulu. Deska Arduino Pro Mini se připojuje přes skupinu konektorů J1 (1-1, 1-3, 1-4). Skupiny konektorů J2 a J3 slouží k připojení signálových linek k řídicím deskám řízení výkonu sloupu (schéma 2) a napájení. Skupina konektorů J7 slouží k připojení klávesnice (schéma 3). A konečně, skupina J8 je zodpovědná za připojení druhé části schématu 1 (správa vrstev):
Druhá část okruhu 1 je extrémně jednoduchá: posuvný registr dává příkazy tranzistorům MOSFET (1 - otevření tranzistoru, 0 - zavření), posuvný registr přijímá příkazy z první části okruhu 1 přes datovou linku.
Uvažujme schéma 2, je rozděleno na dvě stejné části, každá s 32 sloupci pro ovládání. Protože jsou naprosto totožné, uvažujme pouze jeden:
Stejně jako v předchozím obvodu, posuvný registr dává příkazy (které přijímá přes datovou linku z desky Arduino Pro Mini) tranzistorům MOSFET (kromě nyní, 0 otevírá tranzistor a 1 jej zavře). Na výstupu tranzistoru jsou také rezistory 250 Ohm, které slouží k řízení proudu LED a lze je nahradit hodnotou vhodnější pro nepříliš jasné svitu (v závislosti na použitých LED).
A poslední, schéma 3, je panel s tlačítky, kde je vše extrémně jednoduché:
Kontrola každé vrstvy před pájením:
Firmware pro desku Arduino Pro Mini (náčrt)
Náčrt zabírá více než 500 řádků, bude připojen na konci článku, ale zde se jej pokusím stručně popsat.
Pro správu posuvných registrů existují dvě hlavní funkce ("column" - plnění sloupců a "layer_column" - výběr vrstvy a volání funkce "column"), obě jsou implementovány pomocí funkce shiftOut. Toto je nejjednodušší způsob správy registrů, ale nemusí být nejrychlejší. Následuje hlavní funkce malování celé krychle "kostka", smyslem funkce je, že postupně a v cyklu (cyklus se sám od sebe) vybarvuje každou vrstvu krychle. Díky této implementaci kostka bliká, je to znát díky rychlému mikroprocesoru.
K dispozici jsou dva provozní režimy kostky: „Ukázka světelných efektů“ a „Zobrazení času“. Změna se provádí pomocí tlačítka "Mode". V prvním režimu jsou data postupně načítána z SD karty a následně přenášena do výše uvedených funkcí. Implementace druhého režimu je mnohem složitější, protože všechna data pro tento režim jsou uložena v mikroprocesoru (to vysvětluje počet řádků kódu). Zkrátka se načtou data z RTC modulu a na základě toho se opět pošlou odpovídající bitové proměnné do výše uvedených funkcí pro zobrazení na LED. Hodiny je také možné nastavit pomocí ovládacích tlačítek, k tomu stačí stisknout tlačítko „Setup“ v režimu hodin, poté pomocí tlačítka „Change“ změnit režim (hodiny, minuty, dny atd.) a konfigurovat pomocí tlačítek "Nahoru" a "Dolů". Nakonec kliknutím na tlačítko „Reset“ můžete nastavení uložit.
Umístění tlačítek podle obrázku 3:
Lighting Effects Creator (C++ Builder 6)
Aby byla tvorba efektů zjednodušená a funkční, stejně jako zobrazení předprojektovaných efektů před jejich záznamem na SD, bylo rozhodnuto napsat program v C++ pomocí Open GL.
Zdrojový kód pro Borland C++ Builder 6 je přiložen k článku.
Závěr
Snažil jsem se prezentovat informace týkající se schématu realizace projektu a jeho elektrické části. Softwarová část projektu je poměrně rozsáhlá a vše lze nalézt ve zdrojových souborech. Pokud máte nějaké dotazy, napište a domluvíme se.
Samotný projekt byl koncipován pro malé procvičení práce s mikrokontroléry, při realizaci bylo zjištěno:
| Označení | Typ | Označení | Množství | Poznámka | Prodejna | Můj poznámkový blok | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Schéma č. 1, hlavní deska | |||||||
| Deska Arduino | Arduino Pro Mini | 1 | 5V, 16MHz | Do poznámkového bloku | |||
| USB na TTL modul | CP2102 | 1 | Do poznámkového bloku | ||||
| Hodiny reálného času (RTC) | DS1307 | 1 | Do poznámkového bloku | ||||
| modul SD karty | SD karta | 1 | Do poznámkového bloku | ||||
| U1 | Posunový registr | SN74HC595 | 1 | Do poznámkového bloku | |||
| Q1-Q8 | MOSFET tranzistor | IRLR024N | 8 | Do poznámkového bloku | |||
| R1-R8 | Rezistor | 10 kOhm | 8 | Do poznámkového bloku | |||
| R1-R8 | Rezistor | 3 kOhm | 8 | Do poznámkového bloku | |||
| C1-C2 | Elektrolytický kondenzátor | 1uF | 1 | Do poznámkového bloku | |||
| Schéma č. 2, kontaktní deska | |||||||
| U1-U8 | Posunový registr | SN74HC595 | 9 | Do poznámkového bloku | |||
| Q1-Q64 | MOSFET tranzistor | IRLML6302TR | 64 | ||||
Speciálně pro tento projekt jsme vytvořili knihovnu pro jazyk WIRING.
MP1051.Init() - počáteční inicializace
MP1051.Brightness(B) - nastavení jasu LED, B=0...32
MP1051.Set(D1,D2,D3,D4,D5,D6,D7,D8) - ovládání LED vrstva po vrstvě, D1-D2 - první vrstva (A1), D7-D8 - 4. vrstva (A4)
MP1051.IR(T) - čekání na povel IR dálkového ovládání po dobu T ms. Vrací: 0 – nebyl žádný příkaz, 1 – příkaz přijat, 2 – opakování přijato
MP1051.IRAdr() - vrací adresu IR odeslání
MP1051.IRData() - vrací příkaz IR send
Nejprve je třeba připravit LED vodiče.
Krok 1. Ohněte krátký o 90 stupňů.
Krok 2. Pomocí pinzety vytvarujte krátkou tak, aby měla 3 mm. rozteč mezi svorkami se zvětšila.
Krok 3. Nyní ohněte dlouhý na stranu.
Pro usnadnění následných akcí najděte 4 šrouby M3 s maticemi a zajistěte je v rohových otvorech řídicí desky. No, pokud nejsou žádné šrouby, zachrání vás čtyři stejné kolíčky na prádlo připevněné v rozích desky.
Nainstalujte lisované LED do otvorů na desce. První řada.
Připájejte dlouhé vodiče k sobě.
Poté druhá vrstva.
Dlouhé připájejte ve druhé řadě. Ve třetím a čtvrtém.
Dlouhé vodiče od krajních LED diod každé řady vyčnívají za okraj desky. Opatrně je ohněte podél desky a připájejte k sobě
Ukázalo se, že je to jedna vrstva 4 x 4.
Můžete jej vyrovnat pomocí dalších kusů drátu.
Děláme čtyři vrstvy. Opatrně nainstalujeme první vrstvu na řídicí desku, zasuneme vodiče LED do otvorů L11-L14, L21-L24, L31-L34, L41-L44. Nejprve připájeme rohové vývody. Vrstvu v rozích zarovnáme do jedné roviny, vývody nahřejeme páječkou a pohybujeme jimi nahoru a dolů (v případě potřeby). Jakmile jste si jisti, že rohové LED diody jsou ve stejné rovině, připájejte zbývající vodiče.
Druhá vrstva je připájena k první. Krátké vedení ke krátkému. Podívejte se na obr. 10 na pravé straně, pájecí body jsou jasně viditelné v krajním sloupci.
Jak funguje LED dekorativní socha? Je možné si to sestavit svépomocí? Kolik LED diod potřebujete a co potřebujete kromě nich? Na všechny tyto otázky najdete odpověď v tomto článku.
Pokud se věnujete DIY projektům nebo si rádi pohráváte s elektronickými obvody, zkuste si sestavit LED kostku vlastníma rukama. Nejprve se musíte rozhodnout o velikostech. Jakmile pochopíte, jak zařízení funguje, můžete obvod upgradovat buď více LED, nebo méně LED.
LED kostka s čely pro 8 diod
Podívejme se, jak to funguje na příkladu krychle se stranou 8 LED. Tato kostka může být pro začátečníky odstrašující, ale pokud budete při studiu materiálů opatrní, snadno ji zvládnete.
K sestavení led kostky 8x8x8 budete potřebovat:
Malé 5mm LED diody odebírají zanedbatelný proud 20mA, ale budete jich svítit poměrně hodně. K tomu je ideální zdroj 12V a 2A.
Nebudete moci zapojit všech 512 LED jednotlivě, protože je nepravděpodobné, že byste našli mikrokontrolér (MK) s tolika piny. Nejčastěji existují modely v pouzdrech s počtem nohou od 8 do 64. Samozřejmě můžete najít možnosti s velkým počtem nohou.
Jak zapojit tolik LED? Základní! Posuvný registr je čip, který dokáže převádět informace z paralelního na sériový a naopak - ze sériového na paralelní. Převedením sériového na paralelní získáte 8 nebo více signálových pinů z jednoho signálního pinu v závislosti na kapacitě registru.
Níže je schéma znázorňující princip činnosti posuvného registru.
Když do sériového datového vstupu přivedete bitovou hodnotu, konkrétně nulu nebo jedničku, přenese se po hraně hodinového signálu na paralelní výstup číslo 0 (nezapomeňte, že v digitální elektronice začíná číslování od nuly).
Pokud v prvním okamžiku byl jeden a pak během tří hodinových impulsů nastavíte vstup na nulový potenciál, v důsledku toho dostanete stav vstupu „0001“. Můžete to vidět na diagramu na řádcích Q0-Q3 - to jsou čtyři bity paralelního výstupu.
Jak tyto znalosti uplatnit při stavbě LED kostky? Faktem je, že můžete použít ne úplně obyčejný posuvný registr, ale specializovaný ovladač pro LED obrazovky - STP16CPS05MTR. Funguje na stejném principu.
Použití ovladače samozřejmě úplně nevyřeší problémy spojené s připojením velkého množství LED. Pro připojení 512 LED budete potřebovat 32 takových ovladačů a ještě více ovládacích nohou z mikrokontroléru.
Půjdeme tedy na druhou stranu a spojíme LED diody do řádků a sloupců, takže dostaneme dvourozměrnou matici. Kostka ledu zabírá všechny tři osy. Po dokončení myšlenky zkombinovat kostku 8x8x8 LED, ve které jsou LED diody sloučeny do skupin, můžeme dospět k následujícímu závěru:
Spojte vrstvy LED (podlahy) do obvodů se společnou anodou (katodou) a sloupce do obvodů se společnou katodou (nebo anodou, pokud byly katody na patrech kombinovány).
K ovládání takového návrhu potřebujete 8 x 8 = 16 ovládacích kolíků na sloupy a jeden pro každé patro, celkem je také 8 pater, celkem potřebujete 24 ovládacích kanálů.
Vstupní blok přijímá signál ze tří pinů mikrokontroléru.
Pro rozsvícení požadované LED diody, například umístěné v prvním patře, třetí v první řadě, je třeba u sloupce číslo 3 uplatnit mínus a u podlaží číslo 1 plus. To platí, pokud máte sestavené podlahy s společná anoda a sloupy - katoda. Pokud je tomu naopak, musí být řídicí napětí odpovídajícím způsobem invertována.
Aby pro vás bylo pohodlné pájení kostky LED, potřebujete:
Aby kostka LED správně fungovala, musíte ji sestavit ve vrstvách se společnou katodou a sloupce s anodou. Připojte k pinům Arduino to, co je uvedeno na schématu jako vstup v následujícím pořadí:
| Arduino pin č. | Název řetězce |
|---|---|
| 2 | L.E. |
| 3 | SDI |
| 5 | CLK |
Pokud si nejste jisti svými schopnostmi a znalostmi elektroniky, ale chcete takovou dekoraci na plochu, můžete si koupit hotovou kostku. Pro ty, kteří rádi dělají jednoduchá elektronická řemesla, existují vynikající jednodušší možnosti s hranami 4x4x4.
Kostka s diodami velikosti 4 Hotové sestavy pro montáž lze zakoupit v obchodech s rádiovými komponenty a také obrovský výběr na Aliexpress.
Sestavení takové kostky rozvine začínajícího radioamatéra pájecí schopnosti, přesnost, správnost a kvalitu spojů. Dovednosti v práci s mikrokontroléry se vám budou hodit pro další projekty a s pomocí Arduina se můžete naučit programovat jednoduché hračky, ale i automatizační nástroje pro každodenní život a výrobu.
Bohužel, kvůli zvláštnostem programovacího jazyka Arduino - sketch, existují určitá omezení z hlediska výkonu, ale věřte, že když narazíte na strop schopností této platformy, pravděpodobně zvládnutí práce s „čistými“ MK bude nezpůsobí vám žádné výrazné potíže.
Publikováno 08.05.2011
Další jednoduchá LED hračka, ale neméně působivá než LED kostka resp. Na video, co se stalo, se můžete podívat přímo zde.
Na Youtube najdete mnoho podobných a cool věcí. Nejcennější částí je kostka sestavená z LED diod. Budeme stavět jednoduchou kostku o rozměrech 4x4x4 LED. Tito. potřebujeme 4x4x4=64 jasných LED libovolné barvy. Chtěl jsem udělat kostku 8x8x8, ale pak bych potřeboval 512 LED. Vzhledem k ceně LED je to pro jednoduchou hračku trochu drahé, začněme s jednoduchým 4x4x4.
Nemůžeme rozsvítit všechny LED diody najednou; potřebujeme hodně noh mikrokontroléru. Proto je jednodušší to udělat – rozsvítit jedno „patro“ LED jednu po druhé. Lidské oko je inertní a nedokáže detekovat tak rychlé spínání a zdá se nám, že svítí LED diody všech pater. Zároveň však musíte pochopit, že každé jednotlivé patro LED nehoří neustále, ale po dobu, která je mu přidělena. Doba svitu 1/počet pater. V našem případě 4. To znamená Jas záře bude 1/4 jmenovitého. Proto jsme vzali supersvítivé LED, jinak bychom skončili s bledou kostkou.
Na řídicí desce je za provozní logiku zodpovědný mikrokontrolér ATMega8, dvojice mikroobvodů - posuvné registry pro odesílání signálů do „sloupů“ a 4 tranzistorové spínače, které zapínají požadovanou podlahu LED. Mikrokontrolér odešle požadované číslo do posuvných registrů a poté zapne požadovaný tranzistorový spínač a rozsvítí požadované patro. Poté se operace opakuje pro každé „podlaží“.
Deska má konektor pro připojení kostky k počítači přes modul. Kostku tedy můžete rozzářit na základě příkazů z počítače. Kostka však funguje skvěle i bez počítače, i když pak bude moci pouze procházet „filmem“ pevně zapojeným do paměti, ale to je zpravidla více než dost.
Kostku lze napájet z USB portu počítače. To je výhodné při připojení k počítači. Napájel jsem ho samostatně, protože bylo plánováno vyrobit samostatné zařízení. Na videu můžete vidět samostatnou desku pro jednoduchý 5V stabilizátor napětí, který je napájen 12V z externího zdroje. Protože najednou nemůže svítit maximálně 64 LED, ale pouze 16, je jejich celkový proudový odběr (při rychlosti 20 mA pro každou LED) 16 * 20 = 320 mA. Co je povoleno pro port USB.
LED diody jsou připájeny tak, že jedna z nohou je spojena s nohami ostatních LED svisle a tvoří „sloupek“ a druhá noha je spojena se všemi LED v rovině (v „podlaze“). Vodiče připájeme ke kostce, jeden ke sloupku (16 ks) a jeden ke každému patru (4 ks). Těchto 20 drátů ovládá kostku. Kostka je připojena k desce takto:
Komunikace s deskou probíhá přes COM port při použití modulu a přes virtuální COM port při použití UART-USB. V obou případech se jedná o COM port pro počítač. S vývojem softwaru tedy nejsou žádné problémy.
Pro zjednodušení práce s tvorbou různých světelných efektů byl vytvořen jednoduchý Flash software: . S jeho pomocí můžete vytvářet různé efekty a ukládat soubor. Soubor je jednoduchá sekvence čísel, kterou lze vložit do zdrojového kódu, zkompilovat a vyrobit firmware s vlastními efekty. Tento soubor lze navíc přehrát na kostce připojené k počítači pomocí jednoduchého programu napsaného v Delphi. Jeho ukázka je ke stažení zde.
Na YouTube často narazíte na zajímavé projekty. Jedním z nich je LED kostka. Krása tohoto zařízení spočívá v tom, že zobrazuje skutečný 3D obraz. Můžete kreslit libovolné trojrozměrné animované tvary. Ale v rámci zvoleného rozlišení krychle.
Jako podklad byl vzat článek od Radiocatu (kdo chce, může si vygooglit). Velikost kostky 5x5x5 nebyla zvolena náhodou. K sestavení této kostky budete potřebovat 5*5*5=125 LED. Pokud to porovnáme s další oblíbenou možností 8*8*8=512, tzn. počet LED se zvýší 4krát. Optimální mi proto připadá 5x5x5.
LEDky jsem nestihl objednat, tak jsem je koupil v maloobchodě. Bohužel byly k dispozici pouze zelené průhledné 5mm, takže konečný výsledek značně utrpěl. Modré matné vypadají efektněji, ale bohužel. Doporučuje se použít matné LED, protože průhledné osvětlují sousední LED a vytvářejí efekt, že nesvítící LED svítí.
Začal jsem přímo s kostkou samotnou. Nakreslil jsem matici o rozměrech 100x100. Vzdálenost mezi kruhy je 20 mm. Průměr 5mm. Vytiskl jsem to na papír a přilepil na kus dřeva. 
Vyvrtané otvory. Chytře ohneme katodu (-) LED. Anodu ohneme na 90 stupňů.
Katodu necháme vyčnívat nahoru a anodu připájeme k sousední LED. Ukázalo se, že jde o „podlahu“ LED se společným „+“.
Pro zpevnění konstrukce vlevo jsem připájel další vodič. První patro je připraveno. Stejným způsobem děláme další 4 patra.
Sbíráme všechny podlahy dohromady. K tomu připájíme předchozí podlahy k dalším.
Jako podklad jsem použil fólii sklolaminát o rozměru 100x100. Vyleptal jsem místa pro pájení LED. Výsledkem byl následující design:
Ne úplně rovné, ale vše se snadno ohýbá. Nyní přímo ke schématu. K sestavení potřebujete:
Na jednu stranu je zde vše jednoduché, ale nesmíte se splést. Na rozdíl od předchozích projektů je zde použit Atmega16 (Atmega16A-16PU). Použil jsem pracovní frekvenci 12 MHz, při 16 MHz budou LED spínat o něco rychleji. Kromě toho se zde používají spouštěče. Abyste pochopili proč, musíte pochopit logiku schématu.
Všechny spouštěcí vstupy jsou zapojeny paralelně. Řekněme, že potřebujeme rozsvítit první LED ve 2. patře (D2.1) a ne rozsvěcovat LED v 1,3,4,5 podlažích (D1.1, D3.1, D4.1, D5. 1). Vystupujeme na PORTC.0=0, protože v tomto případě je to 0, která rozsvítí LED. Na vstupu spouště se objeví 0, ale na výstupu se její stav nemění. Pro změnu stavu je potřeba přivést impuls na vstup CLK, tzn. výstup střídavě logická nula a logická jednička na pin PA1. Nyní jsou všechny katody DA1.1-DA5.1 spojeny se zemí, k zapálení D2.1 stačí zapnout 2. patro, tzn. otevřený tranzistor Q2, výstup logická nula na PD6.
Zkoušel jsem napsat vlastní efekty, šlo to, ale nějak mě nenapadlo nic, co by nebylo v hotovém firmwaru. Finální tedy vzal hotový firmware, pro kostku 5x5x5 bylo na internetu několik možností. Sestavení trvalo pouhé 3 dny. Dobrý dárek, sestavený vlastníma rukama.
Konečně, video výsledné krychle vypadá obzvláště působivě ve tmě.
