Cube LED DIY : 7 étapes

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:08

Le Cube LED n'est rien d'autre qu'un ensemble tridimensionnel de LED à éclairer sous différentes formes et motifs. C'est un projet intéressant pour apprendre ou améliorer vos compétences en soudure, conception de circuits, impression 3D et programmation. Bien que j'aimerais construire un cube RVB, je pense que je commencerai d'abord par un simple cube à led d'une couleur pour acquérir de l'expérience.

J'ai été super impressionné et inspiré par le projet de Char d'Instructables, vous devriez le vérifier si vous avez le temps.

Je vais construire un cube led 8x8x8, qui n'est rien d'autre que 8 rangées, 8 colonnes et 8 couches de LED. Cela fait 512 LED en tout. Maintenant, l'élément le plus important est la LED, choisissez la plus petite taille pour que le cube soit compact. De plus, il est préférable d'utiliser les LED diffuses plutôt que les LED translucides, car les LED translucides diffusent la lumière et ne sont pas très attrayantes.

Étape 1: Composants requis

LED - 512 pièces

Résistances 1k, 220E - peu

Interrupteur tactile - 1 pièce

Interrupteur Push to ON - 1 pc

En-têtes H/F - Peu

Arduino Pro Mini - 1pc

Condensateurs 0.1uF - 9pc

Panneau perforé (15cm x 15cm) - 2pc

LED - 1 pc

74HC594 - 8 pièces

Transistor 2N2222 - 16 pièces

74LS138D - 1 pièce

IC Sockets 20 broches - 9pc

IC Sockets 16 broches - 1pc

Câbles plats - 5 mètres

Programmeur UART

RPS

Accès à l'imprimante 3D

Étape 2: Assemblage de la structure du cube LED

J'ai ramassé un pack de 1000 LEDs diffuses dont j'utiliserai 512. Maintenant, nous devons pouvoir contrôler chacune des LED indépendamment, ce n'est qu'alors que nous pourrons faire des motifs intéressants.

Je vais utiliser une carte Arduino Pro Mini pour contrôler les LED, mais cette carte n'a que 21 broches pour contrôler les LED. Mais je peux utiliser un multiplexeur pour piloter toutes les 512 LED via les 21 broches.

Avant d'entrer dans la conception du circuit de commande, construisons la structure du cube LED. Il est très important que nous ayons la bonne symétrie pour que le cube soit beau, alors préparons d'abord un concert qui nous aidera à maintenir la symétrie.

Je vais imprimer en 3D une base de 120x120x2mm pour construire le cube. Je vais l'utiliser pour créer chaque couche de LED, qui sera d'environ 64 LED par couche. Maintenant, je dois espacer les LED uniformément sur tout le tableau. Comme la cathode mesure environ 17 mm, laissant 2 mm pour la soudure, je vais espacer les trous de 15 mm. Commençons l'impression 3D.

J'organise d'abord les LED dans une rangée et je court-circuite la cathode. De même, je vais disposer 8 rangées de LED avec leurs cathodes en court-circuit. Une fois cela fait, j'ai 1 broche de cathode et 64 broches d'anode, cela forme 1 couche.

Disposer 8 de ces couches les unes sur les autres la rendra instable et la structure se déformera. Je vais donc lui apporter un soutien supplémentaire. Il y a plusieurs façons de faire et l'une d'entre elles consiste à utiliser du fil de cuivre plaqué argent, mais comme je ne l'ai pas avec moi, je vais essayer une méthode grossière. L'étirement du fil de soudure le rigidifie, je vais donc l'utiliser comme support. Appliquez un peu de soudure sur les broches de cathode avant d'utiliser le fil pour donner un support. Espérons que l'utiliser au centre et sur les côtés devrait donner au cube la force dont il a besoin. Nous aurons besoin d'environ 16 fils et il est très important que nous obtenions cette partie correctement.

Je vais redresser les broches des anodes pour les rendre symétriques.

Les LED peuvent parfois être endommagées en raison de la chaleur de soudure, il est donc préférable de les vérifier après avoir construit chaque couche. Une fois cela fait, les couches peuvent être assemblées les unes sur les autres et cette fois les broches d'anode peuvent être soudées. Au final, vous devriez avoir 64 broches d'anode et une broche de cathode par couche. Donc avec ces 64 + 8 = 72 broches, on devrait pouvoir contrôler chacune des LED de ce cube.

Maintenant, nous avons besoin d'une structure de support pour assembler les couches les unes sur les autres.

J'ai fait une erreur. J'étais un peu trop enthousiaste et je n'ai pas vérifié si les broches d'anode étaient alignées les unes avec les autres. J'aurais dû plier les broches de l'anode de 2 mm afin que chaque couche puisse être soudée les unes aux autres et qu'une ligne droite puisse être formée. Comme je ne l'ai pas fait, je vais devoir plier manuellement toutes les broches que j'ai soudées et cela pourrait affecter ma symétrie au final. Mais lorsque vous le construisez, veillez à ne pas commettre la même erreur. Maintenant que la construction est terminée, il va falloir travailler sur le circuit des pilotes.

Étape 3: Circuit du pilote - Réduire le nombre de broches

Comme je l'ai mentionné au début, nous aurons besoin de 72 broches IO du contrôleur, mais c'est un luxe que nous ne pouvons pas nous permettre. Construisons donc un circuit de multiplexage et réduisons le nombre de broches. Regardons un exemple, prenons un circuit intégré à bascule. Il s'agit d'une bascule de type D, ne nous soucions pas des détails techniques à ce stade. Le travail fondamental du circuit intégré est de se souvenir des 8 broches, dont 2 pour l'alimentation, D0 - D7 sont les broches d'entrée pour recevoir les données et Q0 - Q7 sont les broches de sortie pour envoyer les données traitées. La broche d'activation de sortie est une broche basse active, c'est-à-dire que ce n'est que lorsque nous la rendons 0 que les données d'entrée apparaîtront dans les broches de sortie. Il y a aussi une épingle d'horloge, voyons pourquoi nous en avons besoin.

Maintenant, j'ai fixé le circuit intégré sur une maquette et défini les valeurs d'entrée sur 10101010 avec 8 LED connectées à la sortie. Maintenant, les LED sont allumées ou éteintes en fonction de l'entrée. Laissez-moi changer l'entrée en 10101011 et vérifier la sortie. Je ne vois aucun changement avec les LED. Mais lorsque j'envoie une impulsion faible à élevée via la broche d'horloge, la sortie change en fonction de la nouvelle entrée.

Nous allons utiliser ce concept pour développer notre circuit imprimé pilote. Mais notre circuit intégré ne peut mémoriser que 8 données de broche d'entrée, nous allons donc utiliser un total de 8 circuits intégrés pour prendre en charge 64 entrées.

Étape 4: Conception du circuit du pilote

Je commence par multiplexer toutes les broches d'entrée du circuit intégré aux 8 broches de données du microcontrôleur. L'astuce ici consiste à diviser les données 64 bits des 8 broches en 8 bits de données.

Maintenant, lorsque je passe les 8 bits de données au premier IC suivi d'un signal d'impulsion bas à haut dans la broche d'horloge, je verrai les données d'entrée se refléter dans les broches de sortie. De même, en envoyant 8 bits de données au reste des circuits intégrés et en contrôlant les broches d'horloge, je peux envoyer 64 bits de données à tous les circuits intégrés. Maintenant, l'autre problème est le manque de broches d'horloge dans le contrôleur. Je vais donc utiliser un circuit intégré de décodeur de 3 à 8 lignes pour multiplexer les commandes des broches d'horloge. En utilisant les 3 broches d'adresse du décodeur en combinaison avec le microcontrôleur, je peux contrôler les 8 broches de sortie du décodeur. Ces 8 broches de sortie doivent être connectées aux broches d'horloge des circuits intégrés. Maintenant, nous devons court-circuiter toutes les broches d'activation de sortie et nous connecter à une broche sur le microcontrôleur, en utilisant cela, nous devrions pouvoir allumer ou éteindre toutes les LED.

Ce que nous avons fait jusqu'à présent ne concerne qu'une seule couche, nous devons maintenant étendre la fonctionnalité à d'autres couches via la programmation. Une LED consomme environ 15 mA de courant, donc en fonction de ce nombre, nous aurons besoin d'environ 1 A de courant pour une seule couche. Désormais, la mini carte Arduino pro ne peut générer ou absorber que jusqu'à 200 mA de courant. Étant donné que notre courant de commutation est trop important, nous devrons utiliser un BJT ou un MOSFET pour contrôler la couche de LED. Je n'ai pas beaucoup de MOSFET, mais j'ai quelques transistors NPN et PNP. Théoriquement, nous devrons peut-être commuter jusqu'à 1 ampère de courant par couche. Parmi les transistors que j'ai reçus, le plus élevé ne peut commuter qu'environ 800 mA de courant, le transistor 2N22222.

Prenons donc 2 transistors et augmentons leur capacité de courant en les connectant en parallèle. Beaucoup de gens lorsqu'ils adoptent cette méthode n'utilisent que la résistance de limite de base, mais le problème ici est que la température change, le courant à travers les transistors devient déséquilibré et cause des problèmes de stabilité. Pour atténuer le problème, nous pouvons également utiliser 2 résistances similaires dans l'émetteur pour réguler le courant même lorsque la température change. Ce concept est appelé dégénérescence de l'émetteur. La résistance d'émetteur fournit une sorte de rétroaction pour stabiliser le gain du transistor.

Je vais juste utiliser des résistances uniquement dans la base. Cela peut causer des problèmes à l'avenir, mais comme il ne s'agit que d'un prototype, je le traiterai plus tard.

Étape 5: Souder les composants

Maintenant, assemblons le circuit sur un perfboard. Commençons par les circuits intégrés de bascule et utilisons un support de circuit intégré à cette fin. Commencez toujours par la première et la dernière broches, vérifiez la stabilité, puis soudez le reste des broches. Utilisons également un connecteur mâle pour le plug and play des résistances de limitation de courant et pour la connectivité au Cube. Connectez maintenant les condensateurs de découplage du CI à proximité des broches d'alimentation du CI.

Ensuite, travaillons sur le microcontrôleur. Pour le rendre plug and play, utilisons un support et connectons d'abord les broches femelles, puis plaçons le microcontrôleur.

Il est temps de travailler sur les transistors. 16 résistances de 1K ohm sont nécessaires pour se connecter à la base des transistors. Afin de maintenir les broches cathodiques communes du Cube LED dans un état logique par défaut, je vais utiliser une résistance zip de 8 K ohms, qui contient 8 résistances. Permet enfin de travailler sur le décodeur d'adresse IC. Maintenant, le circuit est prêt de la même manière que la conception du circuit.

Étape 6: Impression 3D

Nous avons besoin d'un boîtier pour loger le circuit imprimé et le cube led, donc utilisons un boîtier imprimé en 3D. Je vais le faire en 3 parties pour faciliter l'assemblage.

Tout d'abord, une plaque de base pour maintenir la structure LED. Deuxièmement, un organe central pour l'électronique. Troisièmement, un couvercle pour fermer le boîtier.

Étape 7: Conclusion

Commençons par le montage de la structure led. Vous pouvez pousser les broches à travers les trous et les souder directement sur le circuit imprimé, mais pour des raisons de stabilité, je vais d'abord utiliser une carte perforée, puis la souder au circuit. J'utilise un câble plat pour souder aux LED, puis connecter l'autre extrémité aux broches de sortie respectives des circuits intégrés à bascule.

Pour se connecter entre le transistor et les couches de cube LED, nous devons avoir des broches indépendantes pour se connecter aux broches de la cathode. Avant de l'allumer, il est important de vérifier la continuité et la tension entre les points. Une fois que tout va bien, les circuits intégrés peuvent être connectés puis mis sous tension. Encore une fois, il est bon de vérifier si toutes les LED brillent en la connectant directement à l'alimentation avant de la connecter via le circuit. Si tout s'avère bon, les câbles LED peuvent être connectés aux points de bascule respectifs.

Faisons un peu de travail de nettoyage - déconnectez le câble de programmation du microcontrôleur, coupez les broches saillantes, etc. Maintenant, connectons le câble de programmation au corps du boîtier, fixons un voyant d'état, un interrupteur d'alimentation et enfin un interrupteur de réinitialisation. Nous sommes sur le point de le terminer, alors assemblons les 3 parties. Commencez par la base LED au corps, puis une fois les câbles bien en place fermez le couvercle en bas.

Téléchargez le code sur l'Arduino Pro Mini et le tour est joué !

Merci à Chr https://www.instructables.com/id/Led-Cube-8x8x8/ pour son excellent Instructable et Code.