Не знаю почему, но мне очень нравятся светодиоды, и видеть их можно почти во всех моих проектах. Буквально недавно меня вдохновил Грег Дэвилл своим проектом миниатюрного LED-куба с 3456 светодиодами. Немного поразмышляв на эту тему, я решил собрать такой же чудесный куб сам, о чем и поделюсь с вами в данной статье.
Аппаратная часть: печатные платы
Я изначально предполагал, что сборка LED-панелей будет самой сложной частью проекта, и не ошибся. У меня уже есть опыт успешной пайки оплавлением, но в той ситуации мне не требовалось втискивать 576 RGB-светодиодов в крохотную квадратную поверхность.
Замечательные люди с PCBWay.com по-дружески предоставили для моего проекта панели печатных плат. Толщина этих плат составляет 1.6мм, они обработаны паяльной маской, имеют покрытие ENIG и оформлены белой шелкографией. Такое сочетание цветов мне нравится.
LED-панель, верхняя часть
LED-панель, нижняя часть
Тем, кого интересуют подробности дизайна электроники, я посоветую прочесть статью Грега. Если кратко, то управление панелями реализовано с помощью мультиплексирования. Ряды матрицы управляются сдвиговыми регистрами SN74HC595, которые, в свою очередь, управляются 24 МОП-транзисторами. Рядами светодиодов управляют шесть LED-драйверов постоянного тока TLC59025.
Я начал со сборки нижней части панелей. Это довольно просто, поскольку все компоненты достаточно велики. Некоторые панели после извлечения из духовки потребовали доработки, в основном из-за возникших «мостиков» припоя между выводами на корпусах TLC59025 QSOP-24.
Нижняя часть в сборе, до оплавления
Оплавление нижней стороны. Красный стержень – это термощуп
На очереди сборка верхней части. Это, как можно догадаться, оказалось сложнее всего. Я знал, что установить вручную 576 светодиодов размером 2х2мм без спец инструмента будет излишне трудоемкой задачей, поэтому купил вакуумный пинцет Quick 381A. Справляется он со своей задачей отлично. Как только я с ним освоился, на заполнение одной панели ушел всего где-то час.
Стальной трафарет верхней стороны
Раздражало, когда я случайно задевал катушку
Верхняя сторона в сборе, до оплавления. Нестыковки в процессе пайки выправятся
Каждая площадка покрыта крохотным сгустком паяльной пасты
Защита пластиковых коннекторов фольгой
Пайка верхней стороны. Наблюдать выравнивание в процессе светодиодов — чистое удовольствие
В ходе сборки семи таких панелей я допустил ряд очень поучительных ошибок, исходя из которых могу дать такие рекомендации:
- Внимательно следите за температурой пайки, потому что при перегреве светодиоды утратят работоспособность. В моем случае это произошло при пайке первой панели, где в итоге отказалась работать большая группа красных светодиодов в самой середине платы. Сперва причину я понять не мог, но чуть позже до меня дошло, что они находились непосредственно над теном духовки.
- Оказалось, что выравнивать трафарет на плате нужно очень точно и потеков необходимо избегать любой ценой. Я оплавил плату с небольшим потеком в углу и в итоге получил кучу спаянных контактов. В общей сложности из-за этого мне пришлось заново переделать около десятка светодиодов на одной плате.
- Прочно фиксируйте термощуп, чтобы он случайно не выбил с платы светодиоды, когда вы будете открывать дверцу по завершению оплавления.
Шесть светодиодных панелей собраны и протестированы
Аппаратная часть: корпус
Я спроектировал корпус для куба сам, решив сделать его максимально простым. Размер получился 67мм3. Это единая деталь, которую можно напечатать на 3D-принтере. Платы же фиксируются в него за счет вытянутых краев.
Для печати я решил использовать процесс мультиструйной плавки (MJF) Shapeways. Получилось симпатично, хотя точность размеров оказалась ниже ожидаемой. Поначалу панели вставали в каркас чересчур свободно, что я легко исправил небольшим количеством суперклея, который нанес на его ребра и оставил высыхать на ночь.
3D-печатный каркас (1)
3D-печатный каркас (2)
Программирование
Мне не удалось найти программы или библиотеки, непосредственно совместимые с компонентами панелей, поэтому пришлось написать собственное решение.
Использовать контроллер и схемотехнику/прошивку, как у Грега, сейчас не получится, поскольку продолжающийся дефицит микросхем не позволяет достать все необходимые компоненты.
Под рукой же у меня оказалось всего несколько микроконтроллеров, и выбор пал на Arduino Uno. Большую часть кода мультиплексирования я запрограммировал с помощью низкоуровневых инструкций, что существенно ускорило программу в сравнении с вариантом, опирающимся на функции вроде
digitalWrite. Принципиально моя программа проста: настроить таймер для вызова прерываний каждые 1/2400 секунды. При этом каждый раз нужно считывать и смещать объем данных, «защелкивать» регистры и ожидать прерывания, чтобы повторить все это сначала.
Отлаживать такой код – боль, но в итоге он отлично работает и радует своей скоростью. Uno не способен генерировать много изощренных паттернов анимации, но мне удалось получить красивый эффект случайного мерцания — и это с помощью простейшего 3-битного цвета. Скажу честно, такой результат меня даже немного удивил.
Тестирование, сборка, результаты
Каждый шаг оказался довольно зауряден. Панели соединены последовательно шлейфами и подключены к Uno. Все работает!
Соединение шести панелей шлейфом
Проверочная установка панели
Боке!
Заключительная сборка в некотором смысле представляет головоломку, потому что можно (лучше так и постараться) продумать грамотную ориентацию панелей в кубе, которая облегчит прокладку плоских кабелей. Я же не стал сильно заморачиваться, потому что впереди еще установка батарей и контроллера.
Добро пожаловать в шлейфовые джунгли
Готово! Результат мне пришелся по душе. Я был настолько им восхищен, что не захотел откладывать публикацию статьи до момента установки батарей и контроллера. Опять же, огромная благодарность Грегу Дэвиллу и PCBWay – благодаря вам этот проект увидел жизнь. Он также научил меня многому в плане программного управления массивами светодиодов. Кроме того, я существенно отточил свои навыки по сборке и переделке печатных плат.
Вуаля!
Еще боке!
Комментарии (69)
alexeynos
16.12.2021 16:30+5Красиво.
Не логичнее ли использовать ESP32 в качестве управляющего контроллера? Он доступен везде: от ЧипДип до Бангуда, стоит сейчас дешевле Ардуинок, куда производительней и с беспроводкой на борту, что для кубика важно, IMHO.
Второй вопрос: если заказывать на PCBWay.com сразу собранные платы это разве выйдет сильно дороже, особенно с учетом испорченной платы и потерянного времени?
ainu
16.12.2021 23:02Это перевод, врятли автор ответит. Да, esp32 100% будет лучше, на видео видно, что "эффектов нескучных" толком нет.
Но есть нюанс. ws2812b и подобные RGB контроллеры тут не поставить, так как 3456 светодиодов - это очень, очень много.
isden
17.12.2021 10:44Можно пойти чуть дальше, и поискать цветные квадратные oled дисплеи с крупными пикселям или готовые сборки с обычными led.
nochkin
17.12.2021 20:08Странное сравнение платформы Arduino с голой железкой в виде ESP32. Особенно если учесть, что Arduino портировано под ESP32.
zxcvbv
17.12.2021 20:29Arduino портировано под ESP32
Cкорее, наоборот, ESP32, выпущено на платформе Arduino. Также, как и STM32, Intel x86 и др.
nochkin
17.12.2021 21:02+1ESP32 не выпускали специально для Arduino. ESP32 появилась раньше, чем было под неё портирована Arduino. Софт портировали после выпуска ESP32.
zxcvbv
16.12.2021 16:40+1На каком источнике питания всё работает и какой потребляемый ток, если зажжены все светодиоды?
zxcvbv
16.12.2021 23:48+3Не сразу заметил, что это опять лишь перевод от компании, где спрашивать авторов о содержимом их же постов бесполезно.
Значит, в оригинальном посте автор утверждает, что 2х18650 у него светят 8 часов:
I ended up being able to use 2x 18650 cells fitted in diagonally, this provided around 8 hours of runtime.
Не ясно, сколько в среднем светодиодов светилось одновременно за эти 8 часов, допустим, что половина, как на фото. Всё равно пока не очень сложилось, как 2х3600 мАч@3.7В могут питать 1800 пусть даже самых дохлых светодиодов в течение 8 часов.
Zordhauer
17.12.2021 13:38нужна беспроводная зарядка, скажем, лазером, тогда в грани вмонтировать светочувствительную часть
isden
17.12.2021 15:01Лазером заряжать — идея не очень, КПД низкий и мощности там довольно приличные.
Лучше по ребрам двух противоположных граней две катушки намотать, и заряжать в П-образном доке.
INSTE
16.12.2021 17:06+1Самым офигенным был бы вариант с приемом мультикаста (возможно хромкаста) и возможностью отправки на него любого изображения и видео )
vlreshet
16.12.2021 18:03+6Внутрь бы акселерометр с гироскопом поместить, можно было бы очень залипательные штуки написать
Barma2012
16.12.2021 18:51+1А чего не использовали китайские светодиодные панели? Типа такой: https://aliexpress.ru/item/1005001834968231.html?sku_id=12000017794774087
Там полноцветные диоды, уже собранная схема сканирования строк, и довольно простой интерфейс. Яркость высокая, и хорошая цветопередача - можно фильм показывать )))
vaslobas
16.12.2021 19:13+1А у них разве не фиксированный размер 192 на 192?
С гранью в 192 мм это будет уже не кубик, а кубище!
Barma2012
18.12.2021 20:27Есть панели разных размеров. От диаметра светодиодов зависит.
Самая маленькая 64х64 пикселя - по моему, 128 мм сторона. А 32х32 будет примерно вдвое меньше.
vitecd
17.12.2021 02:39+4защита? оловянной? фольгой... ок
dragonnur
17.12.2021 09:18Жестяная, да.
SergeyMax
17.12.2021 13:47+1Алюминиевая, в данном случае, да.
dragonnur
17.12.2021 13:55Это ж вроде как перевод? Tin - олово, но ещё и "жесть", т.е. тоненький железный прокат. Может, конечно, прикрыл и алюминиевой фольгой - без очков не могу разглядеть, увы. Потому поверю вам, спасибо, что исправили.
SergeyMax
17.12.2021 13:58+1Да, tin переводится как олово или жесть, но в США tin foil - это алюминиевая фольга.
nochkin
17.12.2021 20:04Там вообще часто "tin" -- это типа как "железяка" без подробностей о составе сплава.
Bright_Translate Автор
18.12.2021 19:53Вот всего этого длинного обсуждения некорректного перевода можно было избежать,один раз написав в личку, как это сделал один из участников сообщества. Спасибо ему за замечание и пояснение. Статье - для точности, а мне для опыта. Ведь и оловянная фольга реально существует.
nochkin
18.12.2021 20:20Я не обсуждал неточность перевода в статье, а больше о том, какие варианты есть у этого слова.
А оловянную фольгу я делал в детстве просто ради интереса. Правда, в её составе ещё был свинец.
Ghost_nsk
17.12.2021 07:47Вместо TLC59025 лучше подошда бы TLC5947, сразу 24 канала, 12bit PWM, возможность последовательного соединения, разные корпуса. Правда ценой 288 бит на строку.
Alexeyslav
17.12.2021 13:17И как потом это совместить со сканированием строк? ШИМ будет в конфликте с частотой сканирования строк и появится стробоскопический эффект. Или тогда отказаться от матричного подключения светодиодов, запилить статику? Всего 24 чипа на каждую плату и магасложнейшая разводка... минимум 4-х слойные нужны будут платы?
Ghost_nsk
17.12.2021 14:46Совместить точно так же как и автор. Частота ШИМ на память 1kHz (4MHz / 2^12), это больше частоты сканирования, стробоскопического эффекта не должно быть. Проблема может возникнуть с объемом данных (24 * 12 = 288bit на строку) и скоростью (30Mhz CLK ~ 30Mbps). Но по цифрам запас есть, 30Mbps / (288 бит на строку * 24 строки) получаем примерно 4k FPS.
1Logic
17.12.2021 08:27+1Круто! Интересно, автор может сделать такой за деньги? Ещё бы часы с затуханием в зависимости от времени и будильник, который светит в рандомном порядке в момент сработки).
alexeynos
17.12.2021 09:20+1На самом деле, туда надо вот это во внутрь встроить:
И тогда точно никто не отлипнет.
AlexKly
18.12.2021 15:40Как то раз очень давно паял куб 16×16×16 из светодиодов. Такое Г вышло, т.к. все криво вышло. Но в таком варианте очень круто выглядит. Автору спасибо, возьму на вооружение! В закладочки добавил)
YMA
Не знаю, зачем оно может понадобиться - но выглядит просто великолепно, и снаружи, и внутри..
Ivnika
Элементарно - часы / погодная станция / уведомления / уровень чего-то / волнение на море / скорость ветра / прогресс процесса
Увлекся я, не надо ничего такого, просто хочу смотреть как он переливается!!!
psycho-coder
запустить на нем Жизнь. 6 граней, разные цвета для разных вигур… Эх мечты
Ivnika
Супер идея, причем чтобы сразу все грани были задействованы, то есть по факту замкнутое пространство а не плоскость
psycho-coder
Именно!
shtwark
Еще бы модификацию игры жизнь для RGB придумать. Или может есть какие то готовые?
Ivnika
Первый шаг - все одного цвета, следующее поколение другого и тд
Соответсвенно устойчивый блок из первого поколения будет одного цвета
psycho-coder
Тоже интересный вариант
Razoomnick
Но ведь в механике игры нет блоков, есть только ячейки, которые синхронно меняют поколения. Устойчивые блоки и разные примечательные фигуры - это уже результат нашего восприятия процесса.
Возможно, я вас неправильно понял, но я не могу представить простых правил, которые будут делить фигуры на поколения.
Мой вариант: поскольку жизнь зарождается только при наличии трёх соседей, то можно определить правила для цвета новой ячейки. Например (первые два циклические, как сделать равноправное третье пока не придумал):
rrr -> g, rrg -> b, rgb -> r
Ivnika
Я про это и пишу - новая ячейка = новое поколение, так как и рождение и смерть происходит одновременно. Мы заранее знаем сколько цветов есть - столько и используем циклически. Старые (первые ячейки) либо погибают, либо замеяются другими, либо остаются неподвижными.
nulovkin
Напоминает об умножении кватернионов.
Refridgerator
Я делал цветной вариант «Жизни» для кнопочного телефона, где цвет выбирался нелинейно в зависимости от паттерна:
FloorZ
Задать цвет от количество соседей у клетки. Вот тебе и цветнойсвариант.
nulovkin
У всех 24 угловых клеток будет максимально по 7 соседей, а не 8. Интересно, это даст ошибку? И вообще, насколько иначе выглядит эта игра на замкнутой плоскости?
psycho-coder
Можно ведь делать игру как на плоскости условно бесконечной, так и замкнутой, ограниченной какими-то размерами. Мы пробовали делать в замкнутом, вставал вопрос как замкнуть, как в змейке откуда ушел туда и вышел или «по даигонали» вниз слева ушел — сверху справа вышел. Уже не помню что выбрали
LynXzp
Если как в змейке то это поверхность типа тор, часто выбирается в играх. А если по диагонали то
1. Расстояния от точки входа до выхода (без нового перехода) зависит от точки на которой перешел, что странно.
2. Попробуйте представить как нужно скрутить двухмерную поверхность в трехмерном пространстве чтобы по ней можно было перемещаться так как Вы описали. Занятная поверхность получается. И похоже пересечения будут обязательны.
psycho-coder
Эти вопросы и решались. Чем все закончилось уже, к сожалению, не помню(
dragonnur
Вовремя надо перечитывать комменты :)
vladvul
я придумал только Змейку но Жизнь конечно лучше
infund
Забабахать имитацию перемешивания/сборки кубика Рубика
psycho-coder
Точно. Как я сам не додумался(
GennPen
Сделать игру 2048 по всем плоскостям куба одновременно.
zartdinov
Змейку, которая всегда ползет в сторону верхней стороны куба, а ты вертишь его.
PanDubls
А еще, мне кажется, очень круто было бы использовать как учебное пособие на курсах статистики. Представьте эту штуку с доступным API, с помощью которого можно кодировать мерцание в соответствии с разными статистическими законами. Например, задать единовременное количество точек цвета i как результат динамического стохастического процесса. Ябзалип.
zartdinov
Еще варианты для настолок:
1) Игральный кубик. Трясешь и ставишь на стол, после анимации сверху показывается число.
2) Есть такая игра Тик-так-Бумм, где называешь слова и передаешь игрушечную бомбу, но она только со звуком, а тут можно еще анимации добавить.
3) Песочные часы с анимацией еще, например.