Tabela periódica interativa de LED: 12 etapas (com imagens)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:37

Por Bees KneesFollow Mais do autor:

Minha namorada e eu temos uma coleção de elementos - amostras dos pedaços únicos de matéria que compõem tudo no universo! Para uma coleção tão interessante, decidi construir uma vitrine que mostre as amostras em toda a sua glória de construção mundial.

Eu sei que muitas pessoas não têm uma coleção de elementos, mas todos têm algo para mostrar! O objetivo deste instrutível é dar a você uma compreensão suficiente do processo de construção, eletrônica e código para criar seu próprio display personalizado para o que você quiser.

A interatividade da tela torna-a uma grande ajuda de ensino para os professores demonstrarem as características da tabela periódica e como os diferentes elementos se relacionam entre si. Também é muito divertido de assistir em geral!

Etapa 1: O que você precisa

Tudo comprado na loja de ferragens local, salvo indicação em contrário.

Todos os eletrônicos adquiridos da Ali Express (links fornecidos). Ali Express é um lugar onde se obtém produtos eletrônicos baratos que costumam ser de qualidade surpreendentemente alta.

Materiais

Quadro - Chave: (comprimento x largura x altura) x quantidade

• Tábuas de pinho (2400x60x10mm) x7
• Folha de MDF (1200x600x4,5 mm) x2
• Lixa (grão 120)
• Cola de madeira
• Enchimento de madeira
• Tinta acrílica branca --- Loja de arte
• Lápis
• Moldagem decorativa (2.400 mm) x2
• Madeira balsa (1000x10x2mm) x6 --- Loja de arte

Eletrônicos

• LEDs (Neopixels / ws2812b) x90 --- Ali Express Link "1m 100 IP30" fornecerá 100 LEDs não impermeáveis
• Fio (rolos de 5m calibre 22 ou semelhante. Cores diferentes preferíveis) x3 --- Ali Express Link
• Arduino Nano --- Ali Express Link
• Módulo Bluetooth (HC05) --- Ali Express Link
• Fonte de alimentação (5V 4A) --- Ali Express Link
• Cabo de alimentação principal --- Loja de produtos usados
• Solda --- Ali Express Link
• Protótipo dot board --- Ali Express Link
• Cabeçalhos de alfinetes femininos --- Ali Express Link
• Terminais de parafuso --- Ali Express Link

Ferramentas

• Ferro de solda
• Multímetro --- Ali Express Link
• Serra manual (ou serra de mesa)
• Pistola de cola quente (com bastões de cola)
• Furar
• Broca (3-8 mm)
• Grampos
• Fita métrica
• Decapador de fios --- Ali Express Link

Etapa 2: Planejamento

Recursos

• O display tem a forma de uma tabela periódica. Desta forma, os LEDs podem mostrar características e tendências da tabela periódica.
• Cada posição na tabela periódica é uma prateleira fechada sobre a qual a amostra do elemento pode repousar.
• Usei LEDs WS2812B que posso iluminar individualmente de qualquer cor.
• O display possui funcionalidade Bluetooth e um aplicativo de telefone para controlá-lo. O que eu queria com essa tela era que ela fosse interativa. O aplicativo de telefone torna muito divertido brincar!

Construção

O display é feito de tábuas de pinho 60x10mm. Eu consegui o meu em comprimentos de 2,4 m, mas havia muitos comprimentos disponíveis. Todas as peças necessárias para cortar cabem facilmente em 7 comprimentos de 2,4 m. Restava quase um comprimento inteiro - caso eu cometesse alguns erros!

Eu desenhei um "plano de enquadramento" para você seguir. Use isso com "Comprimentos e quantidades de enquadramento", que mostra quantos de cada comprimento precisam ser cortados. Ambos os diagramas são codificados por cores e rotulados com letras para que você saiba qual peça vai para onde. Todas as peças serão recortadas e depois coladas com cola de madeira.

O último diagrama mostra as formas do painel frontal e do painel traseiro que serão recortados em MDF e colados no lugar. Recomendo apenas colocar a moldura em cima do MDF e traçar as formas com um lápis. As formas dos painéis servem apenas para lhe dar uma ideia de como são.

Lantanídeos e Actinídeos

Não tenho atualmente nenhuma amostra de lantanídeos e actinídeos, portanto, não fiz a parte da tabela periódica que os contém. Eu irei no futuro!

Eletrônicos

O planejamento da eletrônica é documentado posteriormente no Instructable.

Etapa 3: cortando a madeira

Seguindo o plano, as peças de pinho 60x10mm precisaram ser medidas e cortadas em seus comprimentos específicos. Usei uma fita métrica e um lápis para marcar quanto tempo cada pedaço de madeira precisava ser usado em um quadrado para desenhar uma linha na madeira. Depois de cada linha marcada, usei uma serra para cortar logo atrás da linha. Não corte diretamente na linha ou você acabará com um pedaço de madeira que é um pouco pequeno devido à espessura da lâmina da serra. Alisei as arestas de cada peça com uma lixa. Depois de cada peça cortada, é útil etiquetá-la com um lápis de acordo com o plano para tornar a montagem muito mais fácil.

Nota: a precisão é muito importante. Meus cortes não foram todos perfeitos, então tive algumas lacunas para preencher com madeira depois. Uma serra de mesa ou serra de esquadria com uma cerca ou bloco de parada, respectivamente, tornaria os cortes muito mais precisos.

Etapa 4: montagem da estrutura

Eu queria que todas as seções verticais de 60 mm fossem alinhadas, medidas, marcadas e quadradas onde cada uma delas deveria ser colada nas placas horizontais. Por exemplo, a prancha inferior "J" é marcada em 10 mm (para permitir espaço para a placa lateral vertical), então conto 60 e marco em 70, depois conto 10 para a seção vertical e depois mais 60 e marco em 140 e assim por diante.

Para juntar as peças, apliquei cola de madeira nas superfícies que seriam unidas e cuidadosamente posicionei-as nas posições corretas e fixei-as com grampos. Colei apenas algumas peças de cada vez e deixei secar devido ao meu número limitado de grampos e porque era difícil manter tudo reto de outra forma. Descobri que ajudou a colocar tudo em uma superfície plana e apertar as braçadeiras apenas o suficiente para que eu ainda pudesse mexer no posicionamento sem que todas as peças caíssem. Uma vez que as peças estavam em posição, apertei totalmente as braçadeiras. Quando a estrutura foi totalmente montada, ficou muito mais resistente do que eu esperava devido à quantidade de juntas de cola diferentes que havia. Se você quiser uma tela mais forte, pode usar pequenos parafusos ou fendas para encaixar as peças.

Nota: Com a colagem de uma estrutura como esta, ajuda ter o maior número de braçadeiras possível. Você pode conseguir alguns emprestados de amigos ou encontrá-los de segunda mão baratos.

Etapa 5: Fronteiras

Para deixar a tela um pouco mais bonita para pendurar na parede, decidi emoldurá-la. Trouxe algumas molduras decorativas (o tipo de madeira com contornos que faz as molduras) e a madeira colei nas laterais da tela, certificando-se de prendê-la na posição enquanto a cola secava. A parte complicada disso foi cortar os ângulos de 45 graus na moldura para que os cantos se encaixassem perfeitamente. Meu método era dobrar um pedaço de papel A4 borda curta em borda longa para fazer um ângulo de 45 graus e usar isso para traçar uma linha na parte inferior (lado plano) da moldura. Para alinhar as molduras, meça o comprimento da lateral da tela em que você está colocando a moldura e marque a borda interna da moldura com esse comprimento. Certifique-se de começar cerca de 30 mm e marcar o ponto de partida também. As linhas de 45 graus vão para fora dos dois pontos marcados.

Etapa 6: Parte traseira e painel frontal

Apoio

A tela precisa de um suporte para dar aos LEDs algo para refletir, tornar a tela mais segura e esconder todos os fios que estarão lá atrás. Para fazer o forro usei duas folhas de MDF 1200x600x4.5mm. Coloquei as folhas de MDF em uma superfície plana na orientação paisagem, lado a lado e coloquei a moldura da tela em cima delas. Mudei a moldura até que a costura ficasse oculta por uma das placas verticais da moldura. Em seguida, tracei a parte externa da tela no MDF com um lápis e recortei com uma serra. Virei a tela de cabeça para baixo e colei a parte de trás da tela com cola de madeira. Cobri o forro com objetos pesados para impedir que se levantasse ou se movesse durante a secagem.

Orifícios de apoio

O suporte precisa de orifícios em cada célula para que os fios dos LEDs possam passar. Usei uma furadeira sem fio e uma broca de 6 mm para fazer dois furos em cada célula. Um furo em cada canto superior. Com os orifícios e fios nos cantos superiores, eles são mais difíceis de ver ao visualizar a tela.

Painel frontal

Eu queria que a tela fosse mais retangular, então coloquei um pedaço de MDF de 4,5 mm embaixo da moldura e tracei a forma irregular de célula 16x3 no MDF. Usei então uma serra para cortar a forma e colei na moldura com cola de madeira.

Abas

Cortei pequenos quadrados de MDF com 1 canto cortado para colar no lugar e manter o painel frontal e a moldura juntos com um pouco mais de segurança. (As fotos dessas guias podem ser vistas na seção de eletrônicos).

Etapa 7: toques finais

Quadro

Foi uma decisão difícil de manchar a madeira ou pintá-la. No final, pintei toda a tela de branco com um pouco de tinta acrílica barata. Decidi que o branco refletiria bem a iluminação LED e realmente iluminaria as células. Definitivamente funcionou a meu favor!

Letras cortadas a laser

Recentemente, tive a sorte de ter acesso a um cortador a laser e cortar algumas letras de acrílico preto personalizadas para o visor. Acho que realmente completa a estética da tela. Antes de ter acesso ao cortador a laser, estava pensando em comprar algumas letras de madeira baratas e pintá-las. (Encontre o arquivo que usei em anexo).

Etapa 8: Eletrônica - Planejamento

LEDs

Usei LEDs WS2812B por causa de sua facilidade de fiação e codificação. Originalmente, eu estava planejando uma configuração de LEDs multiplexados e registradores de deslocamento. WS2812Bs tornam a vida muito mais fácil! Mesmo se você não construir a tela, eu recomendo brincar com esses LEDs porque eles são incríveis (e baratos da Ali Express)!

Poder

Usei 90 LEDs WS2812B para o display. Cada LED tem 3 cores (vermelho, verde e azul) que consomem até 20 mA com brilho total. Se todas as 3 cores estiverem com brilho máximo, o LED consumirá até 60mA.

60mA x 90 LEDs = 5400mA (5,4A)

Eu encontrei uma fonte de alimentação barata de 5 volts na Ali Express que poderia fornecer 4A, então eu a trouxe. Esta fonte de alimentação será suficiente contanto que eu não tenha muitos LEDs com brilho máximo ao mesmo tempo. Tive um problema com LEDs piscando, mas foi principalmente devido à queda de tensão (que explicarei mais tarde). Eu recomendaria calcular o consumo máximo de corrente como eu fiz e comprar uma fonte de alimentação de pelo menos esse valor.

Os LEDs WS2812B funcionam com 5 V, portanto, certifique-se de obter uma fonte de alimentação de 5 V.

Bluetooth

Eu queria que a tela fosse interativa. A conectividade Bluetooth com um aplicativo de telefone era a maneira mais fácil de fazer isso. O módulo HC05 Bluetooth é fácil de usar. Você apenas trata isso como uma conexão serial.

Etapa 9: Eletrônica

Mapa de conexão

Leia as conexões da imagem do diagrama de fiação ou escrito abaixo:

(Arduino) D9 - DIN (início da cadeia de LED)

(Arduino) GND - GND (fonte de alimentação)

(Arduino) + 5V - + 5V (fonte de alimentação)

(Arduino) TX - Resistor 1K - Resistor 2K - GND (fonte de alimentação)

Ponto central dos dois resistores - RX (módulo Bluetooth)

(Arduino) RX - TX (módulo Bluetooth)

(Fonte de alimentação) + 5V - + 5V (início da cadeia de LED)

(Fonte de alimentação) GND - GND (início da cadeia de LED)

(Fonte de alimentação) + 5V - + 5V (módulo Bluetooth)

(Fonte de alimentação) GND - GND (módulo Bluetooth)

Fiação dos LEDs

A fiação dos LEDs WS2812B é bastante simples, mas é MUITA! Existem 90 LEDs cada um com 6 conexões de solda cada. São 540 juntas de solda! Eu trouxe WS2812Bs em pequenas placas de circuito circular, o que foi um pouco irritante, pois tive que colá-los com cola quente no topo de cada prateleira. Eu recomendaria obter as tiras de LED WS2812B que vinculei na seção "O que você precisa" porque elas já têm um revestimento adesivo e uma área de superfície maior, portanto são mais fáceis de trabalhar. Se você escolher as tiras, todos os LEDs precisam ser cortados cortando as linhas entre as almofadas de contato.

Cada WS2812B possui 6 conexões. 2 + 5V, 2 GND, DIN e DOUT. DIN e DOUT significam entrada de dados e saída de dados. O fio de dados deve passar dos LEDs DOUT anteriores para os próximos LEDs DIN. Os fios de alimentação e aterramento seguem o exemplo até que todos os LEDs sejam conectados juntos como uma cadeia. O diagrama de fiação mostra como os LEDs são conectados se minha explicação não fizer sentido!

Observação: os LEDs têm uma seta para que você saiba em que direção eles devem estar na cadeia. Este é um bom indicador, em vez de apenas olhar para DIN e DOUT.

Eu colei os LEDs a quente no topo de cada prateleira voltados na direção mostrada no diagrama de "arranjo de LED".

Novamente seguindo o diagrama de "arranjo de LED", cortei os fios que chegavam entre cada LED da corrente por meio dos orifícios feitos no revestimento de MDF. Usei uma cor diferente de fio para as linhas de + 5V, GND e dados para garantir que não haja confusão sobre qual fio é soldado a qual LED. Tive que descascar cada fio com um descascador de fios antes de soldá-los juntos, conforme descrito nos três parágrafos acima.

Fiação da fonte de alimentação

AVISO: A ALIMENTAÇÃO PODE MATAR. TOME CUIDADO AO LIGAR A FONTE DE ALIMENTAÇÃO OU COMPRAR UMA FONTE DE ALIMENTAÇÃO COM UM CABO JÁ ANEXO.

A fonte de alimentação que comprei não tinha um cabo de alimentação conectado. Encontrei um cabo de alimentação em uma loja local de produtos usados do meu país. A fonte de alimentação que conectei em "O que você precisa" é classificada para entrada de 110/240 V, então deve funcionar na maioria dos países.

NOTA: OS FIOS DE REDE CODIFICADOS POR CORES ABAIXO PODEM SER DIFERENTES EM DIFERENTES PAÍSES.

Tirei o cabo de alimentação para expor os 3 fios coloridos. Verde para terra, azul para neutro e marrom para fase. Eu conectei esses fios aos terminais de parafuso da fonte de alimentação.

(Fio) Verde -> GND (fonte de alimentação)

(Fio) Azul -> N (fonte de alimentação)

(Fio) Marrom -> L (fonte de alimentação)

NOTA: SE VOCÊ TENTAR LIGAR A REDE - PROCURE A CODIFICAÇÃO DE CORES LOCAL.

Módulo Arduino e Bluetooth

Usei uma placa de protótipo para soldar os componentes. Eu encaixei o Arduino Nano em duas tiras de cabeçotes de pinos fêmeas cortados no tamanho certo e, em seguida, encaixei os cabeçalhos com o Arduino na placa de protótipo. Em seguida, soldei os cabeçalhos à placa de protótipo por baixo. Isso nos permite ter um Arduino removível para programação. Na verdade, usei um terminal Arduino nano para minha tela, mas usaria cabeçalhos se o fizesse novamente.

Fiz o mesmo com o módulo Bluetooth, mas sem os cabeçalhos (não precisa ser removível).

Terminais de parafuso foram soldados para facilitar as conexões à cadeia de LED e à fonte de alimentação (a fiação ainda é a mesma do diagrama, mas os fios da fonte de alimentação e os fios da cadeia de LED são interrompidos com um terminal de parafuso.

O módulo Bluetooth, o Arduino, a fonte de alimentação e a extremidade inicial da cadeia de LEDs foram então soldados juntos com fios cortados sob medida e descascados de acordo com o diagrama de fiação.

Protegendo a eletrônica

A placa do protótipo e a fonte de alimentação foram então fixadas na parte de trás da tabela periódica com cola quente.

Etapa 10: Código

Tentei comentar de forma descritiva e tornar o código fácil de seguir.

Aqui está um resumo rápido de como funciona:

Definições

A parte superior do código é preenchida com matrizes para armazenar informações sobre a tabela periódica e converter entre a forma como a cadeia de LEDs é organizada e como os elementos devem ser organizados.

Bluetooth

O único código no loop é o código para ler os dados da conexão serial (à qual o módulo Bluetooth está conectado) e chamar uma função que escolhe o que fazer com os comandos que recebe.

Comandos

A maioria dos comandos são apenas palavras simples. Alguns têm um prefixo e um sufixo, por exemplo: select23 ativará o elemento 23. Há uma função que funciona se o comando fornecido tem um prefixo e retorna seu sufixo se tiver.

Funções

Cada animação ou funcionalidade está em uma função. Você verá que existem alguns se observar o código! Quando as funções são chamadas com os parâmetros corretos fornecidos, o display acende e faz coisas!

Recursos

Baseei meu código de conexão Bluetooth neste tutorial: tutorial de Bluetooth e Arduino

A biblioteca FastLED para controlar WS2812B pode ser baixada aqui: Biblioteca FastLED

Informações sobre como usar a biblioteca FastLED podem ser encontradas aqui: Informações FastLED

Etapa 11: aplicativo de telefone

O MIT App Inventor é uma ótima ferramenta online que torna relativamente fácil criar aplicativos Android. Ele tem várias maneiras de visualizar seu aplicativo conforme você o cria para ter certeza de que está correto. Ele usa programação baseada em blocos fácil de aprender.

A principal razão de eu adorar o App Inventor é porque ele pode usar o Bluetooth do meu telefone para se conectar a um Arduino com um módulo Bluetooth!

Existem muitos tutoriais para começar. Aqui está um ótimo instrutível para App Inventor com Arduino.

Minha namorada contribuiu aqui construindo o aplicativo usado para controlar a exibição. Há uma lista pesquisável para selecionar elementos individuais, barras deslizantes para as funções de temperatura e data e botões para todo o resto. Ele também tem um menu superior que pode ser rolado!

O arquivo App Inventor é anexado se você quiser vê-lo. Lembre-se de que ainda estamos resolvendo alguns bugs.

Etapa 12: dicas

Aqui estão algumas dicas para qualquer projeto de eletrônica

Sempre que você faz um projeto complexo com muitas partes que interagem, comece com os pequenos componentes individuais.

Para o display, comecei seguindo um tutorial para conectar o módulo Bluetooth a um Arduino e enviar dados com um aplicativo de terminal Bluetooth pronto para uso.

Depois de fazer isso funcionar, fiz com que os LEDs do WS2812B funcionassem por conta própria, depois conectei e adicionei o módulo Bluetooth.

Depois de adicionar algumas funções diferentes, minha namorada me fez o aplicativo com App Inventor 2 para enviar os comandos automaticamente quando os botões são pressionados.

Não faça tudo de uma vez. Comece pequeno e depois construa grande.

LEDs piscando

Eu tive um grande problema com LEDs piscando quando tornei muitos LEDs brancos ao mesmo tempo.

Foi porque minha fonte de alimentação foi subestimada para o número de LEDs? Provavelmente. Mas outro fator que contribui é a queda de tensão em cabos de longa distância.

Para corrigir a queda de tensão, conectei os fios + 5V e GND da fonte de alimentação diretamente na extremidade e no centro da cadeia de LEDs. Isso resolveu meu problema.

Observe que apenas os fios + 5V e GND devem ser ligados na extremidade e no centro. Deve haver apenas 1 fio de dados conectando a cadeia.

Corte e enchimento

Tome cuidado ao cortar as peças para obter cortes precisos. Uma serra de esquadria com um bloco de parada provavelmente ajudaria a acumular os pedaços pequenos. Meus cortes não eram perfeitos, o que causava fissuras que levavam a muito enchimento de madeira e lixamento.

Obrigado pela leitura, espero que tenha gostado do processo