LED-Würfel mit Arduino: Bauen Sie ein Arduino

Mar 18, 2024

Hier schlagen wir ein Projekt vor, das Sie mit seinem Lichtspiel verzaubern wird, das im Dunkeln noch faszinierender ist und genau auf Leuchtdioden basiert. um genau zu sein, eine Matrix aus monochromatischen LEDs in drei Dimensionen, die im Raum zu einem Würfel angeordnet sind.

Das ist etwas Auffälliges und gleichzeitig Einfaches, das auch für die Jüngsten und diejenigen, die sich zum ersten Mal mit der Elektronik beschäftigen, erreichbar ist; Hinzu kommt, dass für die Realisierung keine Leiterplatte gebaut werden muss, da die Verbindungen der Würfelstruktur durch Zusammenlöten der LED-Anschlüsse hergestellt werden und die Anschlussverbindungen zur Steuereinheit über eine hergestellt werden können Matrix-Prototyping-Board.

Die Struktur des Würfels besteht aus vier Ebenen (Schichten) von Leuchtdioden, die miteinander verlötet sind, nachdem ihre Anschlüsse entsprechend gebogen und mit der richtigen Polarität angeordnet wurden. Jede Ebene besteht aus 4 Reihen, die wiederum aus 4 LEDs bestehen, also insgesamt 16 LEDs pro Schicht; somit besteht der Würfel insgesamt aus 64 LEDs. Dies alles wird von einer Arduino-Nano-Platine über Verbindungen verwaltet, die mithilfe von Drähten hergestellt werden, die den Strom übertragen und auf einer Matrixplatine mit mehreren Löchern verlötet sind. Die Firmware bestimmt, welche LEDs im Würfel leuchten und welche nicht, und erzeugt durch die Ansteuerung im Multiplex Lichteffekte. Unser LED-Würfel-Projekt benötigt dann folgende Elemente:

Wir werden eine Firmware in das Arduino-Board laden, die wir speziell geschrieben und Ihnen dann unten auf dieser Seite zur Verfügung gestellt haben. Elektrisch ist der Anschlussplan in dargestelltAbbildung 1 , was die Entsprechung zwischen den Leitungen des Arduino Nano und den LED-Reihen angibt. Genauer gesagt werden Reihe und Anzahl der LEDs in Klammern angegeben: (1, 2) bedeutet beispielsweise, dass der entsprechende Arduino-Pin mit der zweiten LED von Reihe 1 verbunden werden soll; Deshalb werden im Diagramm solche Zahlenpaare als Y, X bezeichnet.

Stattdessen entsprechen die Schichten von jeweils 16 LEDs Z und sind an die Pins A0 (A), A1 (B), A2 (C) und A3 (D) anzuschließen. Die Z-Bezeichnung ist mehr als passend, da die Schichten vertikal, also genau auf der Z-Achse, angeordnet sind, während X und Y die Breite und Tiefe des Würfels angeben, definiert durch die Spalte. Diese Zusammenhänge sind anhand der Abbildung leichter zu verstehen 2, die die räumliche Anordnung der LEDs zeigt und die Zusammenhänge der in Abbildung 1 dargestellten Zahlenpaare verdeutlicht.

Jede Verbindung zum Arduino-I/O treibt eine Anode der LEDs an, während die Kathoden zwischen den Dioden jeder Ebene verbunden sind und zu den Leitungen A, B, C, D gehen, die auf logisch niedrig geschaltet werden. Was die Hardware betrifft, ist jede Spalte unseres Würfels mit einem I/O-Pad auf der Platine verbunden, sodass an jeden Pin 4 LEDs angeschlossen sind; Da unser Arduino Nano jedoch nur 14 digitale Pins hat, müssen wir zwei analoge Pins in digitale Pins umwandeln, sodass wir 16 digitale Pins erhalten (13, 12, 11, 10, 9, 8, 7, 6, 5, 4). , 3, 2, 1, 0, A5, A4), mit dem wir die gewünschte Spalte ein- oder ausschalten können.

Wir haben das gleiche Verfahren auf die 4 Ebenen angewendet, an die wir 4 Pins (A3, A2, A1 und A0) angeschlossen haben: Jeder Pin steuert eine Ebene, sodass durch die Kombination die Auswahl (Einschalten) einer bestimmten Ebene (Ebene) erfolgt ) Mit der Auswahl einer bestimmten Spalte unter den oben genannten 16 können wir Arduino mitteilen, welche LED eingeschaltet und welche ausgeschaltet werden soll. Mit diesem Gimmick können wir dieses Projekt mit nur 20 I/O-Pins realisieren, was unmöglich gewesen wäre, wenn wir an jeden Pin eine LED angeschlossen hätten, da wir in diesem Fall 64 Pins und natürlich die von benötigt hätten Ein kleiner Arduino Nano hätte nicht ausgereicht. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass wir zur unabhängigen Steuerung jeder LED den Würfel in Ebenen (horizontal) und Spalten (vertikal) unterteilen. Jede auf derselben Ebene (Boden) platzierte LED hat die gemeinsame Kathode (-) mit den anderen LEDs auf derselben Ebene, während stattdessen jede in derselben Spalte platzierte LED die gemeinsame Anode (+) mit der anderen LED haben wird LEDs in derselben Spalte. Insgesamt sind 4 Pins zu steuern, die zur Auswahl der zu versorgenden Ebene verwendet werden, und 16 Anoden, die die einzelnen Spalten mit Strom versorgen. Wenn wir eine bestimmte LED einschalten müssen, müssen wir sicherstellen, dass ihre Ebene auf logisch Null gebracht wird und dass die Spalte, zu der sie gehört, aktiv ist, also auf logisch Eins gebracht wird.

An diesem Punkt angelangt, können wir erklären, wie wir unseren LED-Würfel herstellen, ein Vorgang, für den neben den 64 Leuchtdioden (in unserem Fall runde LEDs mit einem Durchmesser von 5 mm) und Arduino Nano, Für die Verbindungen zum Würfel und zwischen den LEDs, aus denen er besteht, benötigen Sie einen starren Kupferdraht von 0,5 bis 0,8 mm² und ein flexibles Kabel. Wir empfehlen außerdem die Verwendung eines Quadrats aus Pappe (oder aus Faesit oder Masonit mit geringer Dicke). , z. B. 3 mm) mit den Maßen 13×13 cm, die als Matrize oder Vorlage dient und die Sie zum Aufbau der Ebenen Ihres Würfels benötigen; Grundsätzlich markieren Sie diesen Karton mit vier vertikalen und ebenso vielen horizontalen Linien und machen dann für jede Linie vier Punkte mit gleichem Abstand, so dass am Ende 16 Punkte übrig bleiben, jeder mit gleichem Abstand zum daneben liegenden. Anschließend durchstechen Sie den Karton mit der Spitze des Stifts gerade so weit, dass eine LED verkehrt herum passt, was zu Abbildung 3 führt; Um dann die Ebenen zu erstellen, die dann den Würfel bilden, von denen jede aus 16 LEDs (in einer 4×4-Matrix) besteht, die im gleichen Abstand zueinander angeordnet sind, durchbohren Sie den Karton an den Schnittpunkten zwischen den Reihen, um die korrekte Ausrichtung beizubehalten Abstand innerhalb der Struktur.

In unserem Fall beträgt der Abstand (Abstand) zwischen jeder LED und der daneben liegenden LED 3 cm: ein Abstand, der unserer Meinung nach optimal ist, um eine kompakte und funktionale Darstellung der durch den Würfel gebildeten Figuren im Dunkeln zu erreichen. Nehmen Sie also das Quadrat aus perforierter Pappe und stecken Sie so viele LEDs verkehrt herum (dh mit dem „Kopf“ in den Löchern) in die 16 Löcher. An diesem Punkt können Sie die Anschlüsse biegen und beginnen, die Komponenten in einer Ebene zusammenzulöten ; Mit dieser Schablone können Sie nicht nur einen genauen Abstand zwischen den LEDs einstellen, sondern auch die Leuchtdioden an Ort und Stelle halten, um das Löten zu erleichtern. Biegen Sie dann die Kathoden rechtwinklig ab und verzinnen Sie sie zusammen: Biegen Sie sie dazu so, dass die Kathoden einer LED die Kathoden der nächsten berühren und mit dieser verzinnt werden können. Wenn die Anschlüsse nicht lang genug sind, verbinden Sie die Kathoden jeder Leitung mit einem Stück steifem Kupferdraht und verbinden Sie dann die Leitungen jeder Ebene über Kreuz mit dem üblichen Draht, bis ein Gitter entsteht. Stattdessen sollten die Anoden stufenförmig gebogen werden, also einmal im rechten Winkel und dann noch einmal im 90°-Winkel im Abstand von etwa 3 mm, gerade so weit, dass sie seitlich am Kopf des Geräts vorbeigehen können LEDs unten. Dann müssen sie mit denen der nächsten Schicht verbunden werden (falls ihre Länge nicht ausreicht, mit steifem Kupferdraht). Wenn Sie eine Ebene fertiggestellt haben, nehmen Sie sie aus der Pappschablone und verdrahten Sie eine andere auf die gleiche Weise; Sobald Sie diese Ebenen auf die gleiche Weise reproduziert haben, müssen Sie sie vertikal über die Anoden verbinden, um eine Art Käfig zu schaffen, der die Struktur stützt, ihr Stabilität verleiht und ihr ermöglicht, eine würfelartige Form anzunehmen. Die vertikale Verbindung muss eine für jede LED-Spalte und eine für jede der 16 LEDs auf jeder Etage sein; Tatsächlich gibt es insgesamt 16 Säulen (die erste LED auf jeder Etage muss mit der auf der darunter liegenden Etage übereinstimmen usw.). Um das Ganze zusammenzubauen und anzuschließen, empfiehlt es sich, eine Matrixplatine zu verwenden richtige Größe: mindestens 10×10 mm; Führen Sie in die Löcher die Enden der insgesamt 16 Würfelsäulen ein, verzinnen Sie sie in den entsprechenden Pads und verbinden Sie sie dann mit ummantelten Kupferdrahtstücken mit den Pads der Arduino-Nano-Platine, wie bereits erläutert wurde und beziehen Sie sich auf die Angaben in Abbildung 1 und Abbildung 2. Eine detailliertere Ansicht des Zusammenbaus und der Anschlüsse bietet der Schaltplan in Abbildung 4.

Wenn die Arbeiten abgeschlossen sind, erhalten Sie etwas in der Art, wie es auf den Prototypenfotos in diesem Artikel zu sehen ist. Wie Sie sehen werden, wurden hochhelle Dioden in einem transparenten Gehäuse verwendet; Wenn Sie eine gleichmäßigere, wenn auch weniger intensive Lichtemission wünschen, können Sie herkömmliche LEDs (die normalerweise in einem Winkel von 120–140 Grad abstrahlen) mit farbigem Gehäuse verwenden: zum Beispiel die in Abbildung 2 vorgeschlagenen grünen. wiederum 5 mm im Durchmesser. Beachten Sie, dass die gesamte Schaltung mit Strom über den Micro-USB-Anschluss des Arduino Nano-Boards betrieben wird, das Sie an einen Computer oder, sobald die Skizze geladen ist, an ein Netzteil mit einem Micro-USB-Anschluss anschließen. USB-Anschluss, der mindestens 500 Milliampere liefern kann.

Der von uns entwickelte Code basiert auf dem bereits genannten Funktionsprinzip, d. h. unter der Berücksichtigung, dass Arduino vier Pins steuern muss, die zur Auswahl der zu versorgenden Schicht verwendet werden, und 16 Anoden, die die einzelnen Spalten mit Strom versorgen. Wenn wir eine bestimmte LED der dreidimensionalen Matrix, aus der der Würfel besteht, einschalten müssen, müssen wir sicherstellen, dass seine Schicht (d. h. die, auf der er sich physisch und elektrisch befindet ...) mit Strom versorgt wird (d. h , seine Kathoden sind über die Arduino Nano-Leitung zwischen A, B, C, D geerdet und seine Säule ist aktiv; Auf diese Weise schalten wir jeweils eine LED für jede Ebene ein. Als Erstes haben wir die Pins deklariert (im Wesentlichen haben wir in der Auflistung die I/O-Pins notiert, die wir in diesem Projekt benötigen). Durch das Deklarieren von Pins im Code wird ein bestimmter Pin auf dem Arduino konfiguriert und bestimmt, ob er als INPUT- oder OUTPUT-Leitung verwendet werden soll. In diesem Fall wurden die deklarierten Pins in Spalten (Columns) und Ebenen (Layers) unterteilt, die sind aktive Ausgänge bei logisch hoch bzw. logisch null(Auflistung 1).

Dann folgt das Setup, in dem die Firmware-Einstellungen festgelegt werden und die for-Schleife, die die Grundlage für die Anzeige der Lichteffekte bildet, weil sie den Wechsel der Logikpegel auf den Pins des Arduino-Boards definiert, bis hin zur Ansteuerung der LEDs im Multiplex . In der Skizze befindet sich schließlich die Schleife, die alle Routinen zu den vorgesehenen Lichtspielen enthält (siehe Listing 2).

Innerhalb dieser Schleife befinden sich die einzelnen Funktionen, die den Lichtspielen entsprechen, von denen wir in Listing 3 die Propeller-Lichtkomposition (Animation) berichten, deren visueller Effekt darin besteht, die LEDs der Flugzeuge nacheinander einzuschalten, sodass ein rotierendes Licht erscheint wie die Bewegung eines Propellers.

Die in der Schleife enthaltenen Funktionen gelten eindeutig für jeden Lichteffekt. Die Liste der vom LED-Würfel bereitgestellten Funktionen oder Animationen lautet wie folgt:

Am Ende der Schleife wird die Anweisung „delay(2000)“ angezeigt. führt zu einer Verzögerung von 2 Sekunden, bevor eine neue Sequenz ausgeführt wird. Um den Sketch in Arduino zu installieren, müssen Sie natürlich das Arduino Nano-Board anschließen (ob es im Cube-Schaltkreis montiert ist, ist unerheblich...) und dann die IDE starten Wählen Sie dann im Menü „Extras“ > „Board“ das Arduino-Nano-Board aus, öffnen Sie die Skizze (Datei > Öffnen) und beginnen Sie dann mit dem Laden in das Arduino, indem Sie auf die Schaltfläche „Laden“ klicken.

Der Vorteil dieses LED-Würfelprojekts besteht darin, dass Sie es nach Ihren Wünschen konfigurieren und neue Lichteffekte hinzufügen können. Dazu benötigen Sie allerdings einige Kenntnisse der auf Arduino angewendeten Programmiersprache „C“. Aber machen Sie sich keine allzu großen Sorgen, denn selbst wenn Sie nur hier und da im Internet suchen, werden Sie viele ähnliche Projekte zum Zählen von LEDs und sogar darüber hinaus mit den entsprechenden Hardware-Komplexitäten finden. Um die Skizze zu konfigurieren, um unsere anzupassen, um mehr Licht zu steuern- Wenn Sie Dioden emittieren, müssen Sie nur den Code kopieren und in das Board-Programm einfügen (für Unerfahrene). Dann müssen Sie nur noch die Pin-Deklaration im Code ändern oder die Verbindungen der Ebenen und Spalten auf Arduino ändern. Nun bleibt Ihnen nur noch, sich gegenseitig viel Erfolg und viel Spaß mit Ihrem Lichtwürfel zu wünschen.