Comment faire un cube LED Arduino pulsé qui semble provenir du futur

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Si vous avez essayé quelques projets Arduino débutants, mais que vous cherchez quelque chose d'un peu permanent et à un tout autre niveau génial, alors l'humble cube LED 4 x 4 x 4 est un choix naturel. La construction est beaucoup plus facile que vous ne le pensez, et en utilisant un multiplexage, nous pouvons contrôler toutes les LED directement à partir d'une seule carte Arduino Uno. C'est une excellente pratique de soudage, et le coût total des composants ne devrait pas dépasser 40 $.

Aujourd'hui, je vais détailler en détail l'aspect construction des choses et fournir des logiciels à exécuter qui semblent impressionnants et vous enseignent les bases.

Tu auras besoin de

• Un Arduino. Le code fourni suppose un Arduino Uno, mais pourrait également être ajusté à un modèle plus grand.
• 64 LED - le choix exact est à vous, mais j'ai utilisé ces LED bleues super brillantes de 3 mm (3.2v 30ma) @ 2,64 £ pour 50.
• 16 résistances de la valeur appropriée pour vos LED. Pour les LED ci-dessus, 99 pence en ont acheté 100. Utilisation
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  ledcalc.com - entrez 5v pour la tension d'alimentation, la tension des LED (dans mon cas 3.2) et le courant en milliampères (3.2). La résistance souhaitée sera affichée dans la case intitulée «Résistance nominale la plus proche», puis recherchez simplement cette valeur sur eBay.
• Certains fil de métier pour renforcer la structure de base et pour la décoration - j'ai utilisé 0,8 mm épaisseur.
• UNE carte de prototypage d'un type que vous pouvez souder tous vos bits. J'en ai utilisé un qui n'avait pas de pistes complètes le long car je n'ai pas de coupe-piste, mais utilisez ce qui vous convient. Un bouclier de prototypage Arduino est un peu trop petit, sauf si vous serrez vraiment vos LED ensemble.
• Fil de composant aléatoire - certains brins de câbles réseau et certains des fils de prototypage d'un kit fonctionneront correctement.
• Pinces crocodile ou "mains secourables" sont utiles pour maintenir les bits en place.
• Fer à souder et soudure.
• De la ferraille.
• Une perceuse, avec la même taille que vos LED.

Remarque: les dessins 3D de ce didacticiel ont été réalisés en quelques minutes en utilisant TinkerCAD. J'ai suivi une version existante détaillée sur Instructables par utilisateur forte1994, que vous voudrez peut-être également lire avant d'essayer.

Assurez-vous de lire toutes ces instructions première avant d'essayer par vous-même.

Le principe de cette conception

Avant de commencer la construction, il est important d'avoir un aperçu complet de la façon dont cette chose va fonctionner afin que vous puissiez improviser et identifier les erreurs au fur et à mesure. Certains cubes LED utilisent une seule broche de sortie pour chaque LED - cependant dans un cube 4x4x4, cela nécessiterait 64 broches - que nous n'avons certainement pas sur un Arduino Uno. Une solution consisterait à utiliser registres à décalage Programmation Arduino - Jouer avec les registres à décalage (alias encore plus de LED)Aujourd'hui, je vais essayer de vous en dire un peu plus sur les registres à décalage. Ce sont une partie assez importante de la programmation Arduino, essentiellement parce qu'ils augmentent le nombre de sorties que vous pouvez utiliser, en échange de ... Lire la suite , mais cela est inutilement compliqué.

Afin de contrôler toutes ces LED en seulement 20 broches, nous utiliserons une technique appelée multiplexage. En décomposant le cube en 4 couches distinctes, nous n'avons besoin que de broches de contrôle pour 16 LED - pour allumer LED spécifique, nous devons activer à la fois la couche et la broche de contrôle, ce qui nous donne une exigence totale de 16 + 4 broches. Chaque couche a une cathode commune - la partie négative du circuit - de sorte que toutes les jambes négatives sont réunies et connectées à une seule broche pour cette couche.

Sur l'anode (positif) Côté, chaque LED sera connectée à la LED correspondante dans la couche au-dessus et en dessous. Essentiellement, nous avons 16 colonnes des jambes positives et 4 couches du négatif. Voici quelques vues 3D des connexions pour vous aider à comprendre:

Construction

Comme nous n'utiliserons pas une structure entièrement métallique pour souder, nous voulons que toutes les jambes des LED se chevauchent d'environ un quart et donnent de la rigidité à la structure. Pliez la cathode de vos LED - le côté avec l'encoche plate dans la tête et la jambe plus courte - comme indiqué sur le schéma. (Cela n'a pas vraiment d'importance si vous le pliez à gauche ou à droite, tant que vous êtes cohérent et qu'il ne touche jamais l'anode)

La première partie critique de ce projet consiste à fabriquer un gabarit en bois. Cela contiendra une couche de LED pendant que vous souderez les jambes ensemble, il doit donc être précis et pas trop lâche. En utilisant la même taille de foret que vos LED, mesurez puis percez une matrice 4 × 4 de équidistant des trous. Gardez à l'esprit que vous voulez qu'un quart de la jambe se chevauche avec son voisin, et utilisez une règle réelle. Vérifiez chaque trou pour vous assurer que la LED peut être bien ajustée, mais pas si serrée que vous ne pourrez plus la retirer, ou vous aurez des problèmes lorsque vous tenterez de retirer une couche entièrement soudée.

Soudez les cathodes de 4 rangées de LED. Faites attention à ne pas brûler les LED - vous voulez un bon fer chaud et à entrer et sortir. Voici mes quatre premières lignes terminées.

Maintenant, pour renforcer la rigidité de la couche, coupez et soudez deux bouts droits de fil artisanal à chaque extrémité, en vous assurant qu'ils se connectent à chaque rangée. Ceci est votre première couche complète. Laissez tous les jambes en excès sur le côté pour l'instant.

Ce serait le moment idéal pour tester - il suffit de charger l'application Arduino blink par défaut, et avec une résistance connectée, placez la masse sur le cadre de la couche et appuyez successivement sur le fil positif de chaque LED.

Espérons qu'ils s'allumeront tous. Sinon, assurez-vous que vous n'avez pas raté un joint de soudure quelque part, et si nécessaire, remplacez la LED.

Retirez cette couche du gabarit et répétez le processus 3 fois de plus.

Ne vous inquiétez pas si votre soudure n'est pas parfaite - tant qu'elle ne se cassera pas et que la connexion sera solide, cela n'affectera pas le produit final. J'avoue, ma soudure était assez désespérée, mon gabarit était éteint, et tout cela ressemblait à la tour penchée de Pise. Pourtant, je suis fier du cube fini, et quand les LED seront allumées, vous ne regarderez pas les joints de soudure de toute façon!

Joindre des couches

Une fois que vous avez 4 couches terminées, vous voudrez joindre toutes les jambes verticales ensemble. J'ai trouvé que c'était la partie la plus difficile de la construction, et pour faciliter le processus, j'ai coupé une carte de montage en carte.

Cela a gardé les couches à la hauteur appropriée, mais beaucoup de jambes ne s'alignaient toujours pas parfaitement - pour cela, j'ai utilisé des clips de crocodile pour les maintenir en place.

1ère erreur stupide à éviter

Ce n'est qu'après avoir terminé une couche complète que j'ai réalisé que ma carte de montage était bloquée, donc j'ai dû la couper! Ne faites pas la même erreur que moi: rallongez la contremarche sur le côté et joignez les morceaux de carte à l'extérieur du cube, donc lorsque vous avez terminé le calque, vous pouvez déconstruire la contremarche et retirer le carte.

2e erreur stupide à éviter

Évidemment, ne soudez pas le pied vertical au cadre de la cathode. Les pieds verticaux ne doivent se connecter qu'à d'autres pieds verticaux, et rien d'autre.

Encore une fois, testez après que chaque couche a été attachée. Testez toutes les couches, en fait, en ne touchant que le fil positif à la pointe de la couche supérieure, vous assurant ainsi d'avoir un bon contact en passant par toutes les couches.

Lorsque les 4 couches ont été soudées ensemble, j'ai commencé à nettoyer un peu - j'ai laissé une seule jambe étendu de chaque couche dans une sorte de tremplin - ce serait descendu à la bord plus tard. D'autres morceaux étrangers de cadre et de pieds métalliques ont été coupés. Évidemment, ne coupez aucune des jambes verticales - nous devons les mettre dans notre planche de protoytping.

Fixation à la carte

Tu te souviens quand j'ai dit que fixer chaque couche à elle-même était la partie la plus difficile? J'ai menti. Essayer d'insérer 16 pieds LED dans de minuscules trous sur une carte de prototypage est en fait plus difficile. La façon la plus simple que j'ai trouvée était de passer à travers 4 à la fois, de les fixer en dessous avec des pinces crocodiles, puis de passer à la rangée suivante de 4. Utilisez un marqueur pour marquer l'espacement à l'avance si cela vous aide.

Rétrospectivement, j'aurais placé les résistances dans le protoboard en premier. En l'état, j'ai soudé toutes les jambes du cube dans la carte en premier, puis j'ai essayé de serrer délicatement les résistances entre chacune. Apprenez de mon erreur et placez vos résistances en premier.

J'ai essayé de les espacer également de manière progressive afin de pouvoir ensuite utiliser un côté entier du cube pour toutes les connexions finales à l'Arduino. Voici le schéma de circuit avec lequel je suis allé:

Pour les quatre couches négatives, j'ai laissé tomber un seul fil de chaque couche, puis je les ai juste retirées sur le côté, comme ceci:

Enfin, j'ai ajouté des fils de connexion que je pouvais ensuite placer dans les broches Arduino pertinentes. Utilisez le type le plus long dont vous disposez. Notez que j'ai foiré la commande par endroits en raison d'une mauvaise planification. Cependant, chaque rangée de LED était codée par couleur.

C'est ça. Fini!

Programmation de votre cube

Je sais que vous ne pouvez pas attendre pour faire démarrer cette chose, alors branchez les 4 couches négatives dans E / S analogiques les ports A2 (couche inférieure) par A5 (couche supérieure)(ceux-ci peuvent également servir d'E / S numériques). Branchez ensuite les 16 broches de contrôle LED, en commençant par +1 à l'extrême droite à E / S numériques port 0, avec +15 et +16 entrer en analogique A0 et A1. (N'utilisez pas AREF et GND)

Téléchargez le modèles de démonstration et code de l'utilisateur instructible forte1994. Il a également fourni un outil en ligne utile pour concevoir les modèles d'octets pour personnaliser votre propre séquence. Voici une vidéo de ce code en action sur mon cube (J'ai ajusté la vitesse à 5, au lieu de 20 par défaut).

Ce n'est pas le seul moyen de programmer votre cube, bien sûr, alors laissez-moi passer quelques minutes à vous enseigner les bases de la création de vos propres motifs par programme, plutôt que de reproduire des motifs prédéfinis comme le fait la démo ci-dessus.

Il y a quelques choses que vous devez savoir lorsque vous essayez de programmer votre cube:

1. Pour adresser une seule LED, vous utilisez un avion (couche) numéro 0–3 et une broche LED numéro 0–15. Tournez l'avion à la sortie LOW (puisque c'est la jambe négative) et le numéro de broche LED HIGH (la jambe positive) pour activer la LED.
2. Avant d'activer une seule LED, assurez-vous que tous les autres avions sont éteints - cela signifie qu'ils doivent être réglés sur une sortie ÉLEVÉE. Si vous ne le faites pas, une colonne de LED sera allumée plutôt qu'une seule LED.

Dans cet esprit, j'ai créé deux séquences programmatiques très simples à examiner - téléchargez le code d'ici. Le premier allume simplement chaque LED une par une, en séquence. Pour cela, nous utilisons deux boucles, itérant sur chaque couche et chaque broche de contrôle.

La seconde est une boucle aléatoire (vous devrez commenter la première et l'activer dans la boucle principale pour la tester). Il sélectionne simplement une couche aléatoire et une broche de contrôle aléatoire, en les clignotant.

Résumé

Ne soyez pas intimidé par cette construction - je manque sérieusement de compétences en soudage, et j'ai bien réussi (Je pense?). Le temps de construction total était d'environ une heure par jour pendant une semaine. La prochaine fois, je vais essayer de vous enseigner une programmation plus ambitieuse pour le cube, donc j'espère que vous vous joindrez à moi pour créer votre propre cube cette semaine et charger du nouveau code la semaine prochaine - et si vous créez vos propres applications ou séquences géniales, veuillez les télécharger sur Pastebin et nous le faire savoir dans le commentaires!