Cubo de LED 3x3 baseado em Arduino: 7 etapas (com imagens)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:39

Olá e bem vindo ao meu primeiro Instructable.

Eu apresento um design simples e elegante para um cubo de LED 3x3x3 para iniciantes. Para facilitar a construção, forneço detalhes de um PCB personalizado, que você mesmo pode fazer ou comprar, instruções e você pode, como eu, reutilizar o software deste grande cubo de LED e lib do Arduino da biblioteca Arduino.

Um dos objetivos do projeto era usar apenas peças furadas, elas são mais fáceis para o iniciante soldar e tudo está prontamente disponível na internet em seus sites de leilão / compras favoritos.

O design pode ser alimentado por um cabo USB ou um adaptador de energia 7,5-12V DC.

O circuito usa um projeto de núcleo Arduino reduzido e você pode programá-lo no circuito usando um programador programável de sistema de circuito (ICSP) barato ou um adaptador USB para TTL prontamente disponível. O único software de que você precisa é o venerável IDE Arduino.

Este design não é revolucionário, ele apenas se baseia em algum trabalho anterior e eu o empacotei perfeitamente. Espero que você goste.

Etapa 1: peças necessárias

Este projeto usa peças de orifício amplamente disponíveis. Seu distribuidor local favorito deve estocar as peças de que você precisa.

Você precisa de um Atmega 168p ou Atmega 328p com o bootloader Arduino instalado nele. Você pode encontrá-los no Ebay, pesquise por "arduino bootloader" e certifique-se de comprar a variante Dual In Line (DIL). Você também precisa de um soquete USB tipo B, o normal, mais antigo e gordo. Eu escolhi este porque é fácil de soldar. Os transistores, T1-T3 são transistores NPN de uso geral, assim como os tipos listados, você pode usar BC108, 2N2222, 2N3904 etc, sempre verifique a pinagem do transistor contra o PCB.

Para os LEDs tão importantes, certifique-se de comprar LEDs de alto brilho ou ultrabrilhantes. Usei LEDs 10000-12000mcd de um vendedor no Ebay para o cubo de exemplo mostrado aqui. Você deseja que sejam brilhantes para que ainda possa ver o cubo na iluminação normal da sala. Se a descrição do item detalha o ângulo de visão, normalmente é de 20 graus, mas você pode encontrar um com um ângulo de visão mais amplo, considere. Esses LEDs ultrabright não são os mais elegantes quando vistos de lado. Você pode ter que experimentar alguns LEDs de diferentes fornecedores antes de encontrar aqueles que atendam às suas necessidades.

Lista de peças completa:

Parte Valor Descrição PCB O belo PCB verde, faça ou compre.27 LEDs de 3 mm, cor de sua escolha. C1 100n 100nF, 25V, capacitor de cerâmica de passo de 7,5 mm C2 22p 22pF, 25V, capacitor de cerâmica de passo de 4,4 mm

C3 22p 22pF, 25V, capacitor de cerâmica de passo de 4,4 mm C4 100n 100nF, 25V, capacitor de cerâmica de passo de 7,5 mm C5 100n 100nF, 25V, capacitor de cerâmica de passo de 7,5 mm C6 10u 10uF 16V, caixa de 5,5 mm Capacitor eletrolítico, 16V C7 22u 10uF 16V, Caixa de 5,5 mm Capacitor eletrolítico, 16V IC1 ATMEGA ATEMEGA168 ou ATMEGA328 com bootloader Arduino IC2 L7805T L7805CV 5V, regulador linear de 100mA, pacote TO92 ICSP ICSP Tira de cabeçalho de pino, 0,1 "passo, 2x3 vias. J1 DCJ0202 Tomada de alimentação CC, 2,1 mm de diâmetro interno. Tira do cabeçalho do pino JP1, pitch 0,1 ", direção 1x3. Q2 16MHz 16MHz, case cristal HC49, 50ppm, baixo perfil R1 10k 10K 1 / 4W resistor de filme de metal 1% R2 1k 1K 1 / 4W resistor de filme de metal 1% R3 1k 1K 1 / 4W resistor de filme de metal 1% R4 1k 1K 1 / 4W resistor de filme de metal 1% R5 470 470 1 / 4W resistor de filme de metal 1% R6 1k 1K 1 / 4W resistor de filme de metal 1% R8 100 100R 1 / 4W resistor de filme de metal 1% R9 100 100R 1 / 4W resistor de filme de metal 1% R10 470 470R 1 / 4W resistor de filme de metal 1% R11 470 470R 1 / 4W resistor de filme de metal 1% R12 470 470R 1 / 4W resistor de filme de metal 1% R13 470 470R 1 / 4W resistor de filme de metal 1% R14 470 470R 1 / 4W resistor de filme de metal 1% R15 470 470R 1 / 4W resistor de filme de metal 1% R16 470 470R 1 / 4W resistor de filme de metal 1% R17 470 470R resistor de filme de metal 1 / 4W 1% R18 1k 1K 1 / 4W resistor de filme de metal 1% R19 LDR LDR S1 S1 opcional 4 pinos, chave PTH de montagem em placa de circuito impresso 6x6mm. T1 BC547 BC547 / BC548 transistor NPN de baixa potência, TO92 T2 BC547 BC547 / BC548 transistor NPN de baixa potência, TO92 T3 BC547 BC547 / BC548 transistor NPN de baixa potência, soquete TO92 X4 USB tipo B, montagem PCB através do orifício.4 x 3-5mm de altura furar nos pés de borracha.

Etapa 2: Diagrama do circuito e explicação da operação

O esquema é mostrado acima.

O design é baseado no esquema do Arduino Duemilanove, reduzido ao essencial. O dispositivo USB para serial foi removido, mas há um conector serial, JP1, que permite que um adaptador USB para TTL programe o dispositivo, mais sobre programação mais tarde. Também existe o cabeçalho ICSP.

A placa pode operar a partir do plugue USB, usando o conveniente suprimento de 5 V no PC ou um carregador de celular barato. A outra opção usa a entrada de plugue DC, que aceita uma entrada de 7-15 V DC para que você possa usar qualquer adaptador de plugue que tiver. O circuito usa apenas 30mA, portanto, o adaptador descartado de um dispositivo morto deve funcionar, verifique sua caixa de lixo.

Os resistores R12 a R17 definem a corrente, que define o brilho dos LEDs. Com leds VERMELHOS e os resistores 470R mostrados, a corrente é de ~ 5mA por LED. Para calcular a corrente do LED, você precisa da tensão de saída do dispositivo Atmega (4,2 V) e da queda de tensão direta do LED, para um LED vermelho é de 1,7 V. A fórmula é:

Corrente do LED = (tensão de saída Atmega - tensão do LED) / I Led

Com as peças que usei: corrente LED = (4,2-1,7) / corrente 470LED = 5,31mA

Limite a corrente do Atmega 168/328 a 10mA

Algumas quedas de tensão comuns do LED:

Vermelho 1,7 V Amarelo 2,1 VO faixa 2,1 V Verde 2,2 V Azul 3,2 V Azul super 3,6 V Branco frio 3,6 V

Então você pode usar um LED azul de alto brilho, o resistor cairia para 270R. Você pode aumentar a corrente para 10mA. Em meus testes, descobri que 5mA era suficiente.

Os transistores T1-T3 são transistores NPN BJT comuns, BC547 / BC548 / 2N2222 etc. Eles controlam a comutação de cada uma das três camadas. Os resistores R2-R4 limitam a corrente de base do resistor.

R6 e o LED PWR são opcionais, copiados do Arduino, é meio óbvio se o cubo de LED está ligado.

C2, C3 e Q2 formam o circuito do relógio para o dispositivo Atmega 168 / 328p, pré-programado com o bootloader. Certifique-se de ajustar os capacitores de 22pF aqui e não em outro lugar, pois o chip não iniciará. C1, C4 e C5 são desacoplamento da fonte de alimentação. CI2, C6 e C7 formam um circuito regulador linear simples. Não há muito a dizer sobre isso, mas certifique-se de ajustar os capacitores da maneira correta. Existem + símbolos no desenho do PCB e na serigrafia.

SK1 e R8 e R9 são a interface serial. Usando um adaptador USB para TTL, você pode programar o dispositivo, usando o exemplo aqui

Etapa 3: Obtendo os arquivos de projeto e fazendo o PCB

Os dados de design do PCB podem ser baixados do Github em

Existem arquivos Gerber processados para envio a um fabricante de PCB, esquemático e sobreposição de PCB em formato-p.webp

O PCB poderia ser fabricado em casa, eu teria feito isso, mas fiquei sem Etchant. O design pode ser fabricado usando uma placa de circuito impresso de lado único e a camada superior (VERMELHA nas imagens) pode ser implementada usando links de fio de cobre estanhado. Usei https://pcbshopper.com/ para encontrar um fornecedor adequado para os protótipos que usei Elecrow.

O design do PCB no Github tem 3 alterações no design do protótipo mostrado aqui:

1. O regulador 7805CV foi substituído por um regulador 78L05 menor.
2. O PCB encolheu 5 mm.
3. Tirei o polifusível da alimentação USB + 5V.

Etapa 4: Montagem do PCB

O PCB é razoavelmente simples de montar. Eu adicionei uma foto do PCB montado e o layout acima para referência. Sempre começo ajustando as partes menores primeiro e trabalhando para cima, especialmente importante se você não tiver um suporte de PCB.

1. Comece ajustando os resistores primeiro, não os solde ainda. Certifique-se de inserir o componente correto no lugar certo. Para facilitar a verificação, ajuste-os com a faixa de tolerância à direita / inferior, para facilitar a verificação posterior. Procure aqui se precisar de ajuda para identificar os códigos de cores do resistor. Depois de verificar se as peças corretas estão no lugar certo, solde as peças.
2. Solde o cristal Q2 no lugar e os capacitores C2 e C3.
3. Solde o soquete de 28 pinos para o Atmega168 / 328 no lugar, certifique-se de ter o pino 1 entalhado para cima, isso ajuda a evitar colocar o dispositivo para trás.
4. Instale os conectores ICSP e JP1.
5. Instale os capacitores C1, C4 e C5, todos 100nF (código da peça 104).
6. O regulador linear IC2.
7. Monte os transistores T1, T2 e T3. Certifique-se de não ter trocado T1 / T2 / T23 e IC1, pois eles estão todos no mesmo pacote.
8. Ajuste S1, a orientação não importa.
9. Instale C6 e C7, certifique-se de obter a polaridade correta!
10. Encaixe o conector USB X4.
11. Encaixe o plugue de alimentação DC J1.

A última parte a ser montada é o cabeçote de pino girado SIL. Eu uso um par de cortadores finos para remover com cuidado o plástico de cada pino da tira, repito isso até ter 12 soquetes de pinos girados, então usando um par de alicates e 3 mãos, solde cada um por vez no PCB. Como a maioria das pessoas não tem 3 mãos, estanhe cada furo com um pouco de solda, para cobrir a almofada, deixe esfriar. Em seguida, aplique o ferro de solda para derreter a solda e insira o pino, remova o ferro de solda para fazer uma junta. Você pode precisar de um pouco de solda nova se tiver uma junta seca.

Antes de verificar sua soldagem, faça uma pequena pausa, talvez para uma bebida? Inspecione sua soldagem, verifique o conector USB, pois os pinos estão bem espaçados e os pinos no dispositivo Atmega168 / 328.

Quando estiver satisfeito com a solda, fixe os pés autoadesivos na parte inferior do PCB.

Etapa 5: montagem do cubo de LED

Esta é a parte mais complicada da montagem. Não tenha pressa, não tenha medo.

Adicionei notas às imagens acima, pois uma imagem vale mais que mil palavras.

Alguns pontos importantes.

1. Certifique-se de que o condutor positivo (perna mais longa) aponte para baixo conforme o design muda + V para os 9 LEDs em cada camada.
2. Certifique-se de que o cabo negativo esteja dobrado em 90 graus em relação ao LED, para fazer as barras horizontais.
3. Construa cada camada individualmente e verifique a construção dupla / tripla.
4. Certifique-se de que o fio de cobre estanhado, quando usado, esteja a meio caminho entre cada linha de LEDs, isso torna mais fácil pregar no fio do switch de camada.

Etapa 6: Teste e Montagem do Cubo Final

Antes de conectar o conjunto do cubo de LED ou o dispositivo Atmega168 / 328, você pode fazer algumas verificações simples.

Se você tiver um DMM (você deve ter um se construir um projeto como este), meça a resistência entre os pinos 7 (positivo) e 8 (negativo) do soquete de 28 pinos, você deve ter> 1K. Se for menor do que isso, verifique sua solda.

Em seguida, aplique uma entrada de 7-15 V ao J1, voltando aos pinos 7 e 8 do soquete de 28 pinos, meça a tensão, você deve ver 5 V, mas pode estar em qualquer lugar entre 4,90 V e 5,1 V, isso é bom. Se você instalou R6 e o LED PWR, isso deve estar aceso.

Desconecte J1, conecte um cabo USB em X4, conecte o cabo em um hub ou rede para adaptador USB de 5V, repita a leitura de tensão nos pinos 7 e 8 do soquete de 28 pinos, a leitura está em torno de 5V?

As verificações acima foram para garantir que as tensões de alimentação estavam corretas e com a polaridade certa.

Em seguida, insira cuidadosamente o dispositivo Atmega168p / 328p. Dobre os pinos um pouco, se necessário, para encaixar no soquete. Usando J1 e sua fonte de 7-15V, ligue a alimentação e veja se o IC2 esquenta logo após ser ligado. Em caso afirmativo, desligue a alimentação e verifique a orientação do IC1.

Em seguida, insira cuidadosamente a primeira linha da matriz de LED. Certifique-se de que uma das barras de suporte do fio de cobre estanhado esteja perto de PADL1, PADL2 e PADL3, você precisará disso mais tarde, quando soldar o fio para cada camada. É melhor começar com um pino de canto e, usando um alicate de bico fino, dobre cuidadosamente cada pino, linha por linha, para encaixar no soquete do PCB. Eu adicionei uma foto da primeira camada montada acima. Usando um pedaço de fio de fio único 1 / 0,6, corte-o em um comprimento adequado para ir de PADL1 / PADL2 ou PADL3 para cada camada do cubo. Achei mais fácil inserir a primeira linha de LEDs no PCB e soldar o fio de controle da primeira camada (mostrado em branco), em seguida, voltar para a etapa anterior, fazer outra linha e, em seguida, montar cada camada no PCB, pois isso fornecia um base.

Comece soldando a próxima camada soldando um dos LEDs do canto e, em seguida, solde o canto oposto. Agora verifique se a camada está nivelada antes de soldar mais. Depois de ajustar a camada, solde os outros dois LEDs de canto, o arranjo deve ser nivelado, mas verifique-o novamente. Solde os LEDs restantes. Repita a montagem da camada para a camada final.

Etapa 7: Programação

Dependendo do seu dispositivo Atmega, pode ser necessário programar o bootloader ou apenas baixar o código. Se você tiver um chip com o bootloader já programado, pode usar um adaptador USB para TTL. Siga este guia:

www.instructables.com/id/Program-Arduino-Mini-05-with-FTDI-Basic/

Você também pode usar o conector In Circuit System Programmable (ICSP) de 2x3 pinos, você pode usar um outro Arduino para fazer isso:

www.instructables.com/id/How-to-use-Arduino-Mega-2560-as-Arduino-isp/

Eu uso um programador Usbasp que trabalha com o IDE do Arduino, configuro isso através do menu Ferramentas-> Programador. Você pode escolher programadores Arduino / Atmel AVR por um preço baixo via Ebay ou outros sites de leilão.

Baixe a biblioteca de cubos de LED em https://github.com/gzip/arduino-ledcube, siga as instruções no Github e procure em seu diretório de exemplos por 'arduino-led-cube-> ledcube'.

Se você estiver usando o programador ICSP, segure a tecla shift antes de clicar em upload para instruir o IDE do Arduino a usar o programador. Se você estiver usando o adaptador de USB para TTL, pressione e solte reset quando o IDE terminar de compilar.

Uma vez que o código de exemplo foi programado, você deve ter um cubo de LED com padrões bonitos.

Este é o meu primeiro instrutível, comentários e feedback são bem-vindos.