DIY-Projekt: Programmierbarer LED-Cube

Uns von Conrad Electronic ist es stets ein großes Anliegen, das Interesse und vor allem auch den Spaß, den man durch die Beschäftigung mit Technik haben kann, zu vermitteln und zu fördern. Deshalb unterstützen wir regelmäßig kreative, technikbegeisterte Menschen bei ihren Projekten. Der folgende Text über die Entwicklung eines Bausatzes für einen programmierbaren LED-Cube stammt von der Mechatronik-Schülergruppe der FMS18 Wien. Unterstützt wurde die Gruppe bei Ihrem Projekt von Herrn Claus Zöchling.

Welche Funktionalitäten soll der LED-Cube ausführen können?

Ziel des Projektes: Entwicklung eines 3×3 LED-Würfel-Bausatzes, der über einen Mikrocontroller angesteuert wird. Der Würfel soll frei programmiert werden können. Zusätzlich soll mit der Raumhelligkeit die Blinkfrequenz geregelt werden können. Das Blinkmuster soll jederzeit verändert werden können, ohne den Mikrocontroller aus der Schaltung entfernen zu müssen.

Schritt für Schritt zum LED-Cube

Trial and Error

Für die ersten Versuche haben wir ein Steckboard verwendet. So konnten wir Änderungen jederzeit und flexibel ausführen und ausgiebig testen.

Schaltplan erstellen

Nach erfolgreichen Versuchen mussten wir uns einen Schaltplan überlegen, der die Anordnung aller elektronischen Bauteile und die Pin-Belegung des Mikrocontrollers möglichst platzsparend zulässt.

Nach der Skizzierung auf einem Blatt Papier verwendeten wir das Platinenlayout-Programm Sprint Layout um das Layout in Echtgröße zeichnen zu können und so die Vorlage für das spätere Ätzen der Platine zu schaffen.

LED-Cube - Platine herstellen

Die Entstehung einer Platine: Vom Steckboard über den digitalen Entwurf im Platinenlayout-Programm „Sprint Layout“ zur fertig geätzten Platine. (v.l.n.r)

Die einzelnen Schritte zur Platine:

1. Layout zeichnen – 2. Entwickeln – 3. Ätzen – 4. Bohren – 5. Lackieren

Erstellen des LED-Gerüsts

LED-Cube - LEDs in Position biegen

Die einzelnen LEDs des LED-Cubes werden in die richtige Position gebogen.

Dann begannen wir mit den einzelnen Schritten zur Herstellung des LED-Gerüstes. Begonnen haben wir damit, alle 27 Leuchtdioden in die richtige Position zu biegen.

  • Schritt 1: Halte die LED so, dass das längere Bein nachts links zeigt.
  • Schritt 2: Jetzt biege das kürzere Bein in deine Richtung (90 Grad).
  • Schritt 3: Halte die LED nun so, dass das linke Bein zu dir gebogen ist. Jetzt biege das längere Bein nach links.
  • Schritt 4: Halte das soeben nach links weggebogene Bein mit einer schmalen Flachzange am Ende (dort wo der LED-Körper sitzt) und biege den restlichen Teil nach unten).

Dieser Vorgang wird für alle 27 LEDs wiederholt.

Wichtig: Eine LED ist eine Leuchtdiode und lässt Strom nur in einer Richtung fließen. Daher ist es wichtig, diese Anleitung genau zu befolgen, damit gewährleistet ist, dass am Ende alle LEDs leuchten. Eine LED hat ein kurzes(Kathode) und ein langes Bein(Anode). An die Anode kommt später der Pluspol und an die Kathode der Minuspol.

LED-Cube - LED-Ebenen löten

Die vorbereiteten LEDs werden zu LED-Ebenen verlötet.

Danach fertigten wir aus Karton eine Schablone an, um alle Leuchtdioden in die richtige Stellung zu positionieren. Mit dieser einfachen und vor allem billigen Rasterhilfe können wir jede Ebene verlöten. Wir sind dabei wie folgt vorgegangene:

  • Schritt 1: In ein Stück Pappe werden mit einem spitzen Gegenstand 9 Löcher mit dem Rastermaß 3 cm gestanzt. Dort werden die 9 LEDs für eine Ebene gesteckt. Anschließend werden die LEDs an den Berührungspunkten verlötet.
  • Schritt 2: Jetzt werden die 3 LED-Reihen an 2 Stellen mit einem Silberdraht verbunden und verlötet.
  • Schritt 3: Anschließend werden alle überstehenden Drahtstücke mit einem Seitenschneider entfernt.

Dieser Vorgang wird 3x wiederholt, sodass man 3 LED-Ebenen erhält.

LEDs testen

Es ist ratsam zu überprüfen, ob alle LEDs polrichtig verlötet wurden, da jetzt ein Ausbessern noch leichter durchführbar ist. Dazu einfach eine Spannungsquelle (z.B. Batterie oder Usb ca. 5V) verwenden. Pluspol an die nach unten gerichteten Beine und Minuspol an die querliegende Verbindung).

ACHTUNG: Einen Vorwiderstand mindestens 150 Ohm bei ca. 5V verwenden, da die LEDs sonst zerstört werden.

Berechnung des Vorwiderstandes: R = U/I
z.B.: R = (5V – 2V(LED)) / 0,02A(LED) –> 3V / 0,02A = 150 Ohm

Zusammenbau

LED-Cube zusammenbauen

Der LED-Cube ist fast fertig. Es müssen nur noch die einzelnen Komponenten zusammengebaut werden.

  • Schritt 1: Alle Bauteile werden verlötet. Positionen der Bauteile und eventuelle Polarität sind auf der Platine gekennzeichnet.
  • Schritt 2: So sieht die fertig bestückte Platine aus. Jetzt muss nur noch der zuvor angefertigte LED-Würfel durch die dafür vorgesehenen Löcher gesteckt und verlötet werden.
  • Schritt 3: Voila – so sieht der fertige LED-Cube aus.

LED-Cube programmieren

Über die vorhandene Programmierschnittstelle (5 polig) kann der LED-Cube nun programmiert werden. Für Anfänger kann das vorhandene Programm verwendet und bei Bedarf angepasst werden. Es wird ein Microcontroller Pic16F882 der Firma Microchip verwendet und als Programmiergerät ein PicKit3. Man kann natürlich auch ein anderes verwenden, muss aber eventuell die Anschlüsse etwas anpassen.

Mit MPLAB (Gratis-Download) kann man den Projekt-Ordner (LED_Cube_3x3_2016.X) öffnen und das Projekt und den Code verwenden.

Tipp: Wer einen eigenen Compiler verwendet, braucht nur die main.c Datei und die 2 Header-Dateien: pic.h , pic16f882.h. Der Source-Code wurde schön auskommentiert, sodass der jederzeit den eigenen Wünschen entsprechend angepasst werden kann.

Mit Hilfe des verbauten Lichtsensors und einem Taster kann die Geschwindigkeit der LED-Muster der Umgebungshelligkeit angepasst werden. Der Würfel wird mit einem USB-Mini-Kabel mit Strom versorgt.

Und so sieht der LED-Cube in Action aus:

Bauteilliste Einzelkomponenten Bausatz LED-Cube

Optional: 4 x Platinen-Abstandhalter






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