Come creare un cubo LED Arduino pulsante che sembra simile è venuto dal futuro

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Se ti sei dilettato con alcuni progetti Arduino per principianti, ma stai cercando qualcosa di un po 'permanente e su un altro livello di fantastico, allora l'umile cubo LED 4 x 4 x 4 è una scelta naturale. La costruzione è molto più semplice di quanto si pensi, e utilizzando un multiplexing possiamo controllare tutti i LED direttamente da una singola scheda Arduino Uno. È un'ottima pratica di saldatura e il costo totale dei componenti non dovrebbe superare i $ 40.

Oggi descriverò dettagliatamente il lato della costruzione delle cose e fornirò alcuni software per eseguirli che sembrano entrambi impressionanti e ti insegnano le basi.

Avrai bisogno

• Un Arduino. Il codice fornito presuppone un Arduino Uno, ma potrebbe essere adattato anche a un modello più grande.
• 64 LED - la scelta esatta spetta a te, ma ho usato questi LED blu 3mm super luminosi (3.2v 30ma) A £ 2,64 per 50.
• 16 resistori del valore appropriato per i tuoi LED. Per i LED sopra, 99 pence ne hanno acquistati 100. Uso
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  ledcalc.com - inserisci 5v per la tensione di alimentazione, la tensione dei LED (nel mio caso 3.2) e la corrente in milliampere (3.2). Il resistore desiderato verrà mostrato nella casella etichettata “Resistore con rating più alto più vicino”, quindi cerca quel valore su eBay.
• Alcuni filo artigianale per rafforzare la struttura di base e per la decorazione - ho usato 0,8 millimetri spessore.
• UN scheda di prototipazione di qualche tipo a cui puoi saldare tutti i tuoi bit. Ne ho usato uno che non aveva tracce complete lungo perché non ho un taglia-tracce, ma uso quello che fa per te. Uno scudo di prototipazione Arduino è un po 'troppo piccolo, a meno che non si spremano davvero i LED insieme.
• Cavo componente casuale - alcuni cavi di rete e alcuni dei fili di prototipazione di un kit funzioneranno correttamente.
• Clip a coccodrillo o "mani che aiutano" sono utili per mantenere i bit in posizione.
• Saldatore e saldatura.
• Qualche legno di scarto.
• Un trapano, con la stessa punta dei tuoi LED.

Nota: i disegni 3D in questo tutorial sono stati eseguiti in pochi minuti utilizzando TinkerCAD. Ho seguito una build esistente dettagliata su Instructables dall'utente forte1994, che potresti voler leggere prima di tentare.

Assicurati di leggere tutte queste istruzioni primo prima di provare questo per te stesso.

Il principio di questo disegno

Prima di iniziare la costruzione, è importante avere una panoramica completa di come funzionerà questa cosa in modo da poter improvvisare e identificare gli errori mentre procedi. Alcuni cubi di LED utilizzano un singolo pin di uscita per ogni singolo LED, tuttavia sarebbe necessario in un cubo 4x4x4 64 pin - che certamente non abbiamo su un Arduino Uno. Una soluzione sarebbe usare registri a turni Programmazione Arduino - Giocare con i registri a scorrimento (a.k.a ancora più LED)Oggi cercherò di insegnarti un po 'di Shift Registers. Queste sono una parte abbastanza importante della programmazione di Arduino, fondamentalmente perché espandono il numero di uscite che puoi usare, in cambio di ... Leggi di più , ma questo è inutilmente complicato.

Per controllare tutti quei LED in soli 20 pin, useremo una tecnica chiamata multiplexing. Rompendo il cubo in 4 strati separati, abbiamo solo bisogno di pin di controllo per 16 LED, quindi per illuminare a LED specifico, dobbiamo attivare sia lo strato, sia il pin di controllo, dandoci un requisito totale di 16 + 4 perni. Ogni strato ha un catodo comune - la parte negativa del circuito - quindi tutte le gambe negative sono unite insieme e collegate a un singolo perno per quello strato.

Sull'anodo (positivo) lato, ogni LED sarà collegato al LED corrispondente nello strato sopra e sotto di esso. In sostanza, abbiamo 16 colonne delle gambe positive e 4 strati del negativo. Ecco alcune viste 3D delle connessioni per aiutarti a capire:

Costruzione

Dal momento che non useremo una struttura interamente in metallo per saldare, vogliamo che tutte le gambe dei LED si sovrappongano di circa un quarto e diano rigidità alla struttura. Piega il catodo dei tuoi LED - il lato con la tacca piatta nella testa e la gamba più corta - come mostrato nel diagramma. (Non importa se lo pieghi a sinistra oa destra, purché tu sia coerente e non tocchi mai l'anodo)

La prima parte critica di questo progetto è realizzare una maschera di legno. Ciò manterrà uno strato di LED durante la saldatura delle gambe, quindi deve essere preciso e non troppo lento. Utilizzando la stessa punta da trapano delle dimensioni dei LED, misurare e quindi forare una matrice 4 × 4 di equidistante fori. Tieni presente che vuoi che circa un quarto della gamba si sovrapponga al suo vicino e usi un vero sovrano. Controlla ogni foro per assicurarti che un LED possa adattarsi perfettamente, ma non così stretto che non sarai in grado di farlo uscire di nuovo, o avrai problemi quando provi a rimuovere uno strato completamente saldato.

Saldare i catodi di 4 file di LED. Fai attenzione a non bruciare i LED: vuoi un buon ferro caldo ed essere dentro e fuori. Ecco le mie prime quattro righe completate.

Ora, per rafforzare la rigidità dello strato, tagliare e saldare due pezzi dritti di filo artigianale alle estremità, assicurandosi che si colleghino ad ogni fila. Questo è il tuo primo livello completo. Per il momento, lascia tutte le gambe in eccesso sporgenti lateralmente.

Ora sarebbe un ottimo momento per testare - basta caricare l'app di lampeggiamento Arduino predefinita e con un resistore collegato, mettere la terra sul frame di strato e premere a turno il cavo positivo di ciascun LED.

Speriamo che si accenderanno tutti. Altrimenti, assicurati di non aver perso un giunto di saldatura da qualche parte e, se necessario, sostituisci il LED.

Rimuovere quel livello dalla maschera e ripetere il processo Altre 3 volte.

Non preoccuparti se la tua saldatura non è perfetta - finché non si romperà e la connessione sarà solida, non influirà sul prodotto finale. Lo ammetto, la mia saldatura era quasi senza speranza, la mia maschera era spenta e tutto assomigliava alla torre pendente di Pisa. Tuttavia, sono orgoglioso del cubo finito e quando i LED sono accesi non guarderai comunque i giunti di saldatura!

Unire i livelli

Dopo aver completato 4 livelli, ti consigliamo di unire tutte le gambe verticali. Ho scoperto che questa è la parte più difficile della build e per aiutare il processo ho eliminato un riser di carte.

Ciò ha mantenuto gli strati all'altezza appropriata, ma molte gambe non si sarebbero ancora allineate perfettamente - per questo, ho usato alcune clip di coccodrillo per tenerle in posizione.

1 ° errore sciocco da evitare

Solo dopo aver completato uno strato completo mi sono reso conto che il riser della mia carta era bloccato in posizione, quindi ho dovuto tagliarlo! Non fare lo stesso errore che ho fatto: allunga il montante sul lato e unisci i pezzi di carta all'esterno del cubo, quindi quando hai completato il livello, puoi decostruire il montante ed estrarre il carta.

Secondo errore sciocco da evitare

Non saldare la gamba verticale al telaio del catodo, ovviamente. Le gambe verticali dovrebbero connettersi solo ad altre gambe verticali e nient'altro.

Ancora una volta, prova dopo che ogni strato è stato attaccato. Metti alla prova tutti i livelli, infatti, toccando solo il positivo verso la punta del livello più alto, assicurandoti così di avere un buon contatto attraversando tutti i livelli.

Quando tutti e 4 gli strati sono stati saldati insieme, ho iniziato a ripulire un po '- ho lasciato una singola gamba si estendeva da ogni strato in una sorta di trampolino di lancio: questo sarebbe caduto in basso scheda più tardi. Altri pezzi estranei di telaio e gambe in metallo sono stati tagliati. Ovviamente, non tagliare nessuna delle gambe verticali, dobbiamo inserirle nella nostra scheda di prototipazione.

Riparando alla scheda

Ricordi quando ho detto che fissare ogni strato a se stesso era la parte più difficile? Ho mentito. Cercare di inserire 16 gambe a LED in piccoli fori su una scheda di prototipazione è in realtà più difficile. Il modo più semplice che ho trovato è stato quello di sbirciare 4 alla volta, fissarli sotto con clip di coccodrillo, quindi passare alla riga successiva di 4. Usa un pennarello per segnare in anticipo la spaziatura se aiuta.

Con il senno di poi, avrei prima posizionato i resistori nella scheda protettiva. Così com'è, ho saldato prima tutte le gambe del cubo sulla scheda, quindi ho provato a stringere delicatamente i resistori tra di loro. Impara dal mio errore e posiziona prima i tuoi resistori.

Ho provato a spaziarli allo stesso modo in modo da poter utilizzare un intero lato del cubo per tutte le connessioni finali con Arduino. Ecco lo schema elettrico con cui sono andato:

Per i quattro strati negativi, ho lasciato cadere un singolo filo da ogni strato, quindi li ho tirati di lato, in questo modo:

Infine, ho aggiunto alcuni cavi plug-in che potrei quindi posizionare nei relativi pin Arduino. Usa il tipo più lungo che hai. Nota Ho rovinato l'ordine in alcuni punti a causa di una cattiva pianificazione. Ogni fila di LED era codificata a colori.

Questo è tutto. Finito!

Programmazione del cubo

So che non vedi l'ora di accendere questa cosa, quindi collega i 4 livelli negativi I / O analogici porti A2 (strato inferiore) attraverso A5 (strato superiore)(possono anche fungere da I / O digitali). Quindi collegare i 16 pin di controllo LED, iniziando con +1 all'estrema destra per I / O digitale porta 0, con +15 e +16 andando in analogico A0 e A1. (Non usare AREF e GND)

Scarica il schemi e codice demo da utente istruibile forte1994. Ha anche fornito a utile strumento online per la progettazione dei modelli di byte per personalizzare la propria sequenza. Ecco un video di questo codice in azione sul mio cubo (Ho regolato la velocità su 5, anziché sui 20 predefiniti).

Questo non è l'unico modo per programmare il tuo cubo, ovviamente, quindi lascia che passi qualche minuto a insegnarti le basi per creare i tuoi schemi a livello di codice, piuttosto che riprodurre pattern preimpostati come nella demo sopra.

Ci sono alcune cose che dovresti sapere quando tenti di programmare il tuo cubo:

1. Per indirizzare un singolo LED, utilizzare a aereo (strato) numero 0–3 e un pin LED numero 0–15. Ruotare il piano su BASSA uscita (poiché questa è la gamba negativa) e il numero di pin LED ALTO (la gamba positiva) per attivare il LED.
2. Prima di attivare un singolo LED, assicurarsi che tutti gli altri piani siano spenti, ovvero impostarli su ALTA uscita. In caso contrario, si accenderà una colonna di LED anziché un singolo LED.

Con questo in mente, ho creato due sequenze programmatiche molto semplici che puoi esaminare: scarica il codice da qui. Il primo illumina semplicemente ogni LED uno alla volta, in sequenza. Usiamo due per i loop per questo, iterando su ogni livello e ogni pin di controllo.

Il secondo è un ciclo casuale (dovrai testare il primo e abilitarlo nel ciclo principale per testarlo). Prende semplicemente uno strato casuale e un pin di controllo casuale, accendendoli e spegnendoli.

Sommario

Non lasciarti intimidire da questa build: mi mancano seriamente le capacità di saldatura e ci sono riuscito (Credo?). Il tempo totale di costruzione è stato di circa un'ora al giorno per una settimana. La prossima volta cercherò di insegnarti qualche programmazione più ambiziosa per il cubo, quindi spero che ti unirai a me nella costruzione del tuo cubo questa settimana e caricando del nuovo codice la prossima settimana - e se crei le tue fantastiche app o sequenze, caricalo su Pastebin e facci sapere nella Commenti!