LED kocka je postavená na rovnakom základe ako predchádzajúca verzia kocky, ktorá obsahovala 125 LED diód. Nová kocka obsahuje celkovo 512 LED diód a ponúka rozmanitejšie svetelné efekty v porovnaní s predošlou verziou. Predchádzajúca verzia ponúkala okrem predprogramovaných svetelných sekvencií aj možnosť vytvárať vlastné sekvencie v prostredí Windows, ktoré sa prostredníctvom USB rozhrania prehrávali na kocke. Táto verzia kocky obsahuje mikrofón a kocka reaguje na okolitú hudbu a iné zvuky rozsvecovaním jednotlivých poschodí podľa intenzity zvuku. Samozrejmosťou zostala možnosť prehrávania rôznych svetelných sekvencií a kocka je tak zaujímavým a efektným doplnkom interiéru.
Obr. 1: LED kocka ako ekvalizér.
Návrh kocky je rozšírením predchádzajúcej verzie a má rovnaký základ – integrované obvody a riadiaci mikrokontrolér (MCU) z rovnakej rodiny. Kocka je riadená pomocou mikrokontroléra ATmega328P od spoločnosti Atmel. Jednotlivé LED diódy, konkrétne ich katódy, sú pripojené priamo k LED budičom TLC5922. Výhodou LED budičov je nastavenie konštantného prúdu jednotlivými LED. Každý IO TLC5922 obsahuje 16 výstupov pre LED, obvody je možne reťaziť a zvyšovať tak počet výstupov. Kocka obsahuje v jednej vrstve 64 LED (8 x 8) a teda na riadenie LED v jednej vrstve sú potrebné 4 IO TLC5922. Navyše je možné ovládať prúd jednotlivých vývodov a nastavovať tak jas LED diód, čo sa využíva pri niektorých svetelných efektoch. Kocka obsahuje 8 vrstiev. Anódy všetkých LED diód v jednej vrstve sú prepojené a pripojené k dvojici tranzistorov, ktoré privádzajú napätie na danú vrstvu a umožňujú jej rozsvietenie. Ak uvažujeme prúd pre LED 20mA, tak potom prúdový odber pri zasvietení všetkých LED v jednej vrstve je 64 x 20mA = 1,28 A. Kolektorový prúd pre použitý tranzistor BC639 je maximálne 1A a preto bolo použité Darlingtonove zapojenie dvojice tranzistorov. Ak by sme chceli rozsvietiť celú kocku (512 LED), tak by kocka potrebovala prúd 512 x 20 mA = 10,24 A. Toto je pomerne veľký prúd, ktorý by kládol zvýšené požiadavky na zdroj a použité súčiastky. Aby sme minimalizovali prúdový odber, tak využijeme zotrvačnú vlastnosť ľudského oka – obraz zostáva ešte určitý čas na sietnici oka a preto je možné blikanie previesť na súvislý obraz. Kocka je preto rozsvecovaná po jednotlivých vrstvách, to znamená, že v jednom čase je aktívna vždy iba jedna vrstva, ktorá obsahuje 64 LED diód. Ak chceme napríklad rozsvietiť celú kocku, musíme postupne rozsvecovať LED celej vrstvy takou rýchlosťou, aby to oko nepostrehlo. Ľudské oko nepostrehne striedanie vrstiev a preto máme dojem, že svieti celá kocka. Kocka je tvorená dvoma oddelenými DPS, ktoré sú vzájomne prepojené pomocou dvoch plochých káblov. Prvá DPS obsahuje všetky obvody potrebné na ovládanie kocky a druhá obsahuje iba LED diódy a konektory pre pripojenie plochých káblov. Výhodou oddelenia je, že si môžeme vytvoriť viac kociek s rôznou farbou LED bez nutnosti zakúpenia ďalších integrovaných obvodov na riadenie kocky.
Popis zapojenia
Obr. 2: Elektrická schéma zapojenia.
Zariadenie je napájané z 12V adaptéra, ktorý sa pripája kolíkovým konektorom do zásuvky DCJ0202. Pre napájanie je možné použiť adaptér s iným napätím v závislosti od použitého stabilizátora IC6 (pre 78S05 je to 7-25V). Dióda D1 chráni pred zmenou polarity napájacieho zdroja. Pomocou stabilizátora 7805 (IC6) je vstupné napätie stabilizované na 5V. Ja som použil stabilizátor 78S05 pre prúdový odber až 2A, stabilizátor pre nižší prúd nemusí byť postačujúci. Dióda LED3 signalizuje prítomnosť napätia 5V. Stabilizovaný zdroj 5V z výstupu IC6 je použitý pre napájanie mikrokontroléra (IC5) a LED driverov (IC1 – IC4). Jadrom celého zariadenia je 8-bitový AVR mikrokontrolér ATmega328P (IC5). Na doske je vyvedený konektor JP1 pre programovanie mikrokontroléra cez ISP rozhranie (MISO, MOSI, SCK, RESET) bez nutnosti vyberania MCU. MCU je taktovaný na 8 MHz (pozor, prednastavená hodnota je 1 MHz, treba zmeniť poistku CKDIV8 pri programovaní MCU). V schéme a v návrhu DPS je zaradený externý kryštál Q17, ktorý slúži len pre prípad zvýšenia taktovacej frekvencie MCU a ďalšie experimentovanie. Kryštál Q17 a kondenzátory C12 a C13 preto nie sú nutné. Reset MCU je vyvolaný krátkym stlačením tlačidla S1. Výstupy PD0 až PD7 sú pripojené k bázam NPN tranzistorov Q1 až Q8, ktoré v Darligtonovom zapojení s tranzistormi Q9 až Q16 aktivujú jednotlivé vrstvy kocky. Emitory tranzistorov Q9 až Q16 sú pripojené k anódam LED diód danej vrstvy L1 až L8. Výstupy MCU PC0 až PC5 slúžia na ovládanie LED driverov (IC1 – IC4). Výstup označený ako SIN obsahuje dáta, podľa ktorých sa rozsvecujú jednotlivé LED diódy pripojené k vývodom OUT0 až OUT63. Po SIN sa vysiela 64 bitový kód (1 bit pre 1 LED). Ak má bit v SIN hodnotu 1, LED svieti, v opačnom prípade nesvieti. Výstup SCLK predstavuje taktovací impulz pre IC1 - IC4. S každou nábežnou hranou SCLK sa zapíše bit zo SIN do posuvného registra IC1 až IC4. Po privedení logickej jednotky na XLAT sa hodnoty z posuvného registra objavia na výstupoch IC1 až IC4. Výstup BLANK slúži pre prípad núteného zhasnutia všetkých výstupov. Výstup MODE slúži na výber režimu LED drivera. Pomocou rezistorov R1 až R4 sa nastavuje prúd výstupov pre LED. Hodnotu prúdu treba nastaviť podľa použitých LED diód. Ja som použil číre zelené LED diódy s typickým prúdom 20 mA a svietivosťou nad 10000 mcd. Hodnotu prúdu som nastavil na hodnotu 31 mA, pretože navrhnutý program mikrokontroléra LED diódami bliká, nikdy súvisle nesvietia a tak nehrozí poškodenie LED diód, pretože krátkodobo znesú oveľa vyšší prúd. Je vhodné nastaviť hodnotu prúdu nad typickú hodnotu, pretože pri blikaní jas diódy klesá a nastavením vyššej hodnoty zaistíme optimálny jas. Prúd sa nastavuje pomocou rezistorov R3 a R4 podľa nasledovného vzťahu:
kde VIREF je typicky 1.24 V. Pre prúd 31 mA majú rezistory R1 - R4 hodnotu 1,6 kΩ.
K prvému kanálu AD prevodníka mikrokontroléra je cez zosilňovač pripojený elektretový mikrofón. Operačný zosilňovač IC7 je v zapojení invertujúceho zosilňovača. Zosilnenie mikrofónu je možné regulovať pomocou odporového trimra R10 a tým aj nastaviť citlivosť kocky na okolitú intenzitu zvuku. Tlačidlo TL1 s aretáciou prepína medzi dvoma režimami kocky a to svetelná sekvencia alebo mikrofónový vstup.
DPS riadiacej časti je zobrazená na Obr. 3. Jedná sa o jednostrannú DPS. Použitiu SMD súčiastok sa nedalo vyhnúť, pretože integrované obvody TLC5922 sa vyrábajú iba v SMD prevedení. Zo strany spojov som kvôli zjednodušeniu návrhu a ušetreniu miesta na doske pridal pár SMD kondenzátorov a rezistorov.
Obr. 3: DPS riadiacej časti (strana spojov). Rozmer 134,6 x 74,9 mm.
Na Obr. 4 je uvedené osadenie súčiastok zo strany súčiastok a na Obr. 5 zo strany spojov.
Obr. 4: Osadenie DPS zo strany súčiastok.
Obr. 5: Osadenie DPS zo strany spojov.
Schéma zapojenia DPS pre pripojenie LED je uvedená na Obr. 6. Schéma obsahuje 40 vývodové konektory SV3 a SV4 pre prepojenie s riadiacou DPS (SV1 a SV2) pomocou plochého kábla. Ďalej obsahuje plôšky PAD1-PAD64 pre prispájkovanie katód jednotlivých LED a dierované lišty (JP2 a JP3) pre pripojenie vrstiev kocky L1-L8. Doska okrem uvedených konektorov a drôtových prepojok neobsahuje žiadne súčiastky. Niektoré dlhšie prepojky je možné nahradiť rezistormi s nulovou hodnotou odporu. DPS je uvedená na Obr. 7 a osadenie dosky súčiastkami je uvedené na Obr. 8.
Obr. 6: Schéma zapojenia DPS pre LED kocku.
Obr. 7: DPS pre pripojenie LED (strana spojov). Rozmer 200 x 150 mm.
Obr. 8: Osadenie DPS zo strany súčiastok.
Konštrukcia kocky
Kocka je zostrojená po vrstvách, ktoré sú potom vzájomne prispájkované nad seba. Ja som na konštrukciu kocky použil číre LED s priemerom 5 mm, ktoré sú od seba vo vzdialenosti 2 cm. Aby bola dodržaná vzdialenosť medzi LED, tak boli LED umiestnené do predvŕtaných dier v drevenej doske (Obr. 9). Obrázok znázorňuje aj spôsob ohýbania všetkých LED s výnimkou tých, ktoré sú na konci riadku vľavo. Anódy v jednotlivých riadkoch sú vzájomne prispájkované. Detail ukončenia každého riadku ja na Obr. 10.
Obr. 9: Umiestnenie LED do predvŕtaných dier.
Obr. 10: Detail ukončenia riadkov.
Aby vrstva držala tvar, je potrebné ju spevniť po stĺpcoch. Spevnenie je zabezpečené pomocou rovného pevnejšieho vodiča, ktorý pre prispájkovaný v smere stĺpcov. Pretŕčajúce konce vodiča sa po prispájkovaní odstrihnú. Je dôležité, aby sa vodič nedotýkal katód LED (Obr. 11). Vrstva má jeden spoločný vývod, ktorý predstavuje prepojenie všetkých anód LED vo vrstve.
Obr. 11: Pohľad na hotovú vrstvu.
Hotovú vrstvu môžeme umiestniť do DPS (Obr. 12) tak, aby vývod vrstvy smeroval v dierovaným lištám JP2 a JP3. Nad túto vrstvu umiestnime ďalšiu vrstvu s rovnakou orientáciou vývodu a prispájkujeme všetky katódy LED nad sebou. Najlepšie je prispájkovať najprv katódy LED po obvode a potom pokračovať smerom dovnútra. Pri spájkovaní treba dbať na to, aby boli LED v jednej rovine (výške), inak bude kocka vyzerať deformovane. Takto postupujeme až po najvyššiu ôsmu vrstvu. Posledným krokom je pripojenie vývodov každej vrstvy k dierovaným lištám JP2 a JP3. Pripojenie je znázornené na Obr. 12. Pripojenie je realizované pomocou tenkého vodiča zbaveného izolácie, ktorý nepôsobí rušivo.
Obr. 12: Pripojenie vrstiev.
Oživenie kocky
Kocka by mala fungovať hneď po pripojení externého zdroja a správnom naprogramovaní mikrokontroléra. Pripojené napájacie napätie je indikované LED3. Kód mikrokontroléra obsahuje rôzne svetelné sekvencie, ktoré sa prehrávajú v slučke. Pomocou svetelných sekvencií si overíte, či boli všetky LED diódy pospájkované správne. Ak kocka nefunguje na prvý pokus, skontrolujte spoje, či nedošlo k prerušeniu alebo premosteniu plošného spoja, prípadne či ste nezabudli vložiť niektorú drôtovú prepojku. Napäťový stabilizátor sa zahrieva, pretože ním prechádza pomerne veľký prúd, preto sa stabilizátora nedotýkajte, aby nedošlo k popáleniu. Odporúčam k stabilizátoru pridať chladič kvôli lepšiemu odvádzaniu tepla.
Záver
Zostrojená LED kocka je výborným svetelným doplnkom miestnosti v tme a za zníženého osvetlenia. Celková cena LED kocky sa odvíja hlavne od použitých LED diód. Je možné použiť číre aj matné LED diódy rôznych farieb a veľkostí. Stlačením tlačidla TL1 môžeme meniť režim kocky. V prvom režime kocka opakovane prehráva naprogramované svetelné sekvencie a v druhom režime sa kocka rozsvecuje na základe intenzity zachyteného zvuku. Citlivosť kocky môžeme meniť pootočením odporového trimra. Po umiestnení kocky v blízkosti reproduktora získame efektný zvukový ekvalizér. Videá zhotovenej kocky si môžete pozrieť tu:
Na stiahnutie
EAGLE - Návrh dosky plošných spojov pre riadiacu časťEAGLE - Návrh dosky plošných spojov pre podstavec kocky
Program pre miktrokontrolér ATmega328P
Zdrojový kód v jazyku C
Konfigurátor LED (Generátor 64-bit kódu pre LED vrstvu)