Inspiratie voor dit profielwerkstuk kwam uit een filmpje van iemand die een LED-cube had gebouwd.
Hierdoor ontstond de idee om daar onze eigen animaties op af te beelden.
Tijdens dit onderzoek was de grootste vraag met hoeveel LED-lampjes we zouden gaan werken. De meeste LED-cubes zijn gemaakt van 64 of 512 LED-lampjes (4*4*4 of 8*8*8). We hebben gekozen voor een 8*8*8 LED-cube, omdat de hoeveelheid LED-lampjes bij een 4*4*4 te weinig zouden zijn om duidelijke animaties op af te beelden. Hoe kleiner namelijk een LED-cube, hoe onduidelijker de animaties worden, omdat je minder LED-lampjes hebt om mee te werken. De hoeveelheid details die je kan laten zien op je LED-cube wordt ook kleiner. Alles wat kleiner is dan een 4*4*4 LED-cube, heeft weinig zin om te maken, omdat er dan te weinig LED-lampjes zijn.
Vervolgens hadden we gekeken naar alle losse onderdelen die we nodig zouden hebben om de LED-cube te maken en of het bouwproces voor ons mogelijk zou zijn met de apparatuur die op school beschikbaar is.
We begonnen met het bekijken op YouTube naar wat voor soort onderdelen andere mensen gebruikt hadden bij hun versie van een LED-cube en welke reden ze daarvoor hadden. We hebben meerdere onderdelen met elkaar vergeleken en op basis van de prijs en of ze met elkaar zouden werken, onze keuze gemaakt. We hebben een gesprek gehouden met een docent van het Da Vinci College, meneer Molengraaf. Wij hebben contact met hem gekregen via onze begeleider, meneer Poots. Meneer Molengraaf begeleidt vaker met studenten op het Da Vinci College bij het bouwen van een LED-cube. Met meneer Molengraaf hebben we vele vragen kunnen stellen over de werking van een LED-cube. Ook hebben we met meneer Molengraaf onze keuzes van onderdelen besproken en aangepast waar nodig was. Hij heeft ons ook gewezen op een computerprogramma (Eagle) waarmee we onze printplaat virtueel na konden bouwen met de onderdelen die we in gedachten hadden. Vervolgens hebben we gekeken of er op school het juiste soldeerapparatuur beschikbaar was. Op school misten we een precisie soldeerbout, dus we moesten naar andere alternatieven gaan kijken. Uiteindelijk mochten we gebruik maken van het apparatuur van Rolf Verweij. Na het gesprek met meneer Molengraaf hadden we een goed beeld van het bouwproces dat ons te wachten stond.
Dit is de lijst aan onderdelen die we uiteindelijk besloten hadden om te gebruiken:
• 512 blauwe diffuse Lumetheus LED-lampjes
Deze LED-lampjes hebben een maximale lichtsterkte van 5000 mcd. Dit is zeer fel vergeleken met andere LED-lampjes. Deze eigenschap is cruciaal voor onze LED-cube, omdat de LED-lampjes maar 1/8 van de tijd aan zullen staan vanwege het multiplexen. Als de LED-lampjes niet erg fel zijn, dan lijkt het niet alsof ze de hele tijd aan staan. We hebben ook extra LED-lampjes gekocht voor het geval dat een aantal het niet zouden werken of dat er een fout zou ontstaan in het bouwproces.
Deze LED-lampjes zijn ook diffuus. Dat betekent dat het plastic om de LED-lamp heen troebel is.
Hierdoor wordt ghosting vermindert. Ghosting is als een LED-lampje dat uitstaat, licht van een ander LED-lampje die aan staat reflecteert, waardoor het lijkt dat hij ook aanstaat. Omdat het plastic troebel is, reflecteert hij ook minder licht, daardoor wordt ghosting voorkomen.
Deze LED-lampjes hebben een spanningsval van 3,5 volt en een maximale stroomsterkte van 20mA.
- 13 -
• 1 Mean Well LRS-50-5 netvoeding
Deze voeding geeft een constante spanning van 5 volt en hij kan tot 10 ampère aan stroom leveren.
• 1 PCB-plaat
De PCB-plaat hadden we zelf ontworpen en laten fabriceren op de site JLCPCB. Op de printplaat moesten we alleen nog alle onderdelen op vast solderen. De PCB-plaat maakt van 3 outputs op de arduino, de 64 outputs voor de anodes + de 8 outputs voor ieder laag. Het extern laten fabriceren van een PCB-plaat is erg duur. De prijs gaat exponentieel omhoog met de grootte van de printplaat.
Om kosten te beperken, hebben we de printplaat zo klein mogelijk geprobeerd te maken.
Je hebt grofweg twee varianten aan onderdelen. Een through-hole-component en SMD-component (Surface Mount Device). Een through-hole-component heeft pootjes die door gaatjes in de
printplaat hoort te gaan. Dan worden de pootjes aan de printplaat vast gesoldeerd. Een component heeft geen pootjes en wordt rechtstreeks op de printplaat vast gesoldeerd. Een SMD-component heeft als voordeel dat hij een stuk kleiner kan zijn. Om de printplaat zo klein mogelijk te houden, hadden we ervoor gekozen om alle componenten in de SMD-variant te gebruiken.
SMD-technologie Through-Hole-technologie
- 14 -
• 9 74HC595D IC
De negen 74HC595D-chips staan centraal in het veranderen van de drie outputs van de arduino in de 72 benodigde outputs. Een 74HC595D-chip heeft 8 belangrijke outputs en drie belangrijke inputs:
een SHCP-pin (Shift Register Clock Input), een STCP-pin (Storage Register Clock Input) en een DS-pin (Data Input). De SHCP-pin en de STCP-pin worden bij deze chip gezien als geactiveerd als hij van laag naar hoog gaat. De pin is laag als er geen stroom doorheen gaat en de pin is hoog als er wel stroom doorheen gaat. Eén 74HC595D-chip heeft een geheugen van 8 bits. Als de SHCP-pin van laag naar hoog gaat, wordt elke bit in het geheugen één plek verdergezet. De eerste plek in het geheugen komt zo vrij en krijgt direct de waarde die op dat moment door de DS-pin wordt doorgegeven. Als de DS-pin hoog staat, dan krijgt die plek de waarde 1. Als de DS-pin laag staat krijgt die plek de waarde 0. Er is een Q7’-pin die altijd de waarde van de laatste plek in het geheugen uitzendt. Als je deze aan de DS-pin van een andere 74HC595D-chip koppelt, zoals wij ook in ons project doen, dan neemt deze andere chip altijd de laatste bit van de vorige chip over. Op deze manier kunnen wij onze negen 74HC595D-chips laten samenwerken als één grote chip met een geheugen van 72 bits. De 74HC595-chip heeft ook nog acht outputs die naar de LED-lampjes gaan. Als de STCP-pin van laag naar hoog gaat, dan nemen de outputs de stand aan van het geheugen, hoe het geheugen op dat moment is.
Bijvoorbeeld als het geheugen vol met bits van 1 staat, dan worden bij het activeren van de STCP-pin alle 8 outputs hoog. Als daarna het geheugen veranderd wordt en de STCP-pin is laag, dan
veranderen de standen van de outputs niet. Dat gebeurt pas weer als de STCP-pin omhoog wordt gehaald. Zo maak je van 3 inputs 72 outputs.
Via de DS-pin komt het signaal De SHCP-pin staat hoog en De STCP-pin staat hoog en voor een 0 binnen het geheugen schuift een plek op. de outputs worden aangepast.
• 64 SMD-chipweerstand 220 Ohm:
De LED-lampjes hebben een aanbevolen stroomsterkte van 20mA en een spanningsval van 3,5V en onze voeding geeft een stroom met een spanning van 5V. Daarmee hebben we d ohm-waarde van de weerstanden mee berekent. Wij gebruiken daarvoor deze formule: R = (U - ULED) / ILED . Als wij hier onze waardes invoeren, komen we uit op (5 – 3,5) / 0,020 = 75 Ω. Echter, om de duur van de LED-lampjes te verlengen, willen we een lagere stroomsterkte en dus een hogere weerstand. Wij kozen voor 220 ohm. Bij 220 ohm is een LED-lamp nog steeds erg fel. De stroomsterkte die daarbij hoort is:
(5 – 3,5) / 220 = 0.0068 ≈ 0.007 A.
- 15 -
• 16 MMBT 2222A-7-F Transistors.
Deze transistors zijn voor het regelen welke laag aan staat door de kathode kant van de LED-lampjes van een laag te openen of te sluiten. Door elke laag gaat maximaal 64 * 0,007 = 0,448 A. Dus dat zal ook door de transistors gaan. Eén transistor zou maximaal 600mA aankunnen. Het wordt
aangeraden om daar wel een stuk onder te zitten. Daarom verdelen we de stroomsterkte over twee transistors in parallelschakeling die altijd tegelijk uit- of aanstaan.
• 10 61000811921 vrouwelijke pin headers en 9 M20-9990846 mannelijke pin headers De mannelijke- en vrouwelijke pin headers gebruiken we om de bandkabels aan de printplaten te kunnen verbinden. De mannelijke pin headers worden aan de bandkabels vast gesoldeerd en de vrouwelijke pin headers aan de printplaat. We gebruiken één vrouwelijke pin header meer dan de mannelijke pin headers. Dat komt, omdat we deze vrouwelijke pin header gebruiken om de 3 verschillende signalen te ontvangen van de arduino en deze worden overgebracht door jumperkabels in plaats van een bandkabel en een mannelijke pin header.
• 1 Printklemblok MKDS 3/2
Het printklemblok is waar de plus- en minpool van de voeding aangesloten worden. Het printklemblok is het enige through-hole component. Met een through-hole component is er namelijk een betere verbinding met de printplaat. Dit is cruciaal bij dit component, omdat deze verbindingen een grote hoeveelheid stroom zal moeten geleiden.
• 30m vertind koperdraad 0,8 mm diameter
We hebben ervoor gekozen om vertind koperdraad te gebruiken bij het bouwen van de LED-cube, omdat door het vertinde laagje die om de draad heen zit de LED-lampjes gemakkelijker vast te solderen zijn dan vergeleken met normaal koperdraad. Het is nog steeds even sterk en geleidend als normaal koperdraad.
• 4m lintkabel 16-polig 1,27 mm diameter
• 1 arduino uno
- 16 - De apparatuur dat we nodig hadden:
• Precisiesoldeerbout
We hadden een soldeerbout nodig om alles vast te solderen. Dat moest specifiek een precisiesoldeerbout zijn, want alleen daarmee kan je heel nauwkeurig kleine onderdelen
vastsolderen. De onderdelen die op de PCB-plaat komen zijn erg klein en moeten er heel precies op gesoldeerd worden, zodat er geen stroomtoevoer zal zijn naar andere delen. Een normale
soldeerbout heeft een te grote punt en daar kan je niet nauwkeurig mee solderen.
• Kniptang
De kniptang hebben we gebruikt om het vertind koperdraad te strippen tot het juiste formaat en de anodes en kathodes van de LED-lampjes af te knippen.
• Combinatietang
Met de combinatietang hielden we het vertind koperdraad vast tijdens het recht trekken.
• Pincet
We hebben een pincet gebruikt om de kleine SMD-componenten in positie te houden tijdens het solderen.
• Reinigingsstift Flux-Ex 500
De fluxreinigingsstift hebben we gebruikt om voor betere tin verbindingen te zorgen. Vooral bij de onderdelen die direct op de PCB-plaat aangesloten zijn, is dit nodig om te gebruiken, omdat de hoeveelheid tin zo weinig is en een fluxreinigingsstift er zo voor kan zorgen dat er toch een goeie binding ontstaat.
Tenslotte hebben we ons verdiept in de programmeertaal C++. Met C++ wordt de arduino
geprogrammeerd. Hier kwamen we meerdere complicaties tegen. Het was lastig om voorbeelden te vinden van mensen die een LED-cube hadden gebouwd en vooral voorbeelden te vinden waarbij mensen ook uitleggen hoe zij de LED-cube hadden geprogrammeerd. Uiteindelijk hebben we er een paar gevonden. We begonnen met het schrijven van simpele programma’s om een LED-lampje aan- en uit te zetten. Stap voor stap zijn we lastigere animaties gaan programmeren. We hebben de software Arduino IDE gebruikt om de programma's in te schrijven. We maakten ook gebruik van de site arduino.cc om daar onze programma’s in te schrijven.
- 17 -