GlassCube - Cube LED 4x4x4 pada Kaca PCB: 11 Langkah (dengan Gambar)

2025 Pengarang: John Day | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2025-01-23 15:00

Instruksi pertama saya di laman web ini ialah Cube LED 4x4x4 menggunakan PCB kaca. Biasanya, saya tidak suka membuat projek yang sama dua kali tetapi baru-baru ini saya menjumpai video pengeluar Perancis Heliox ini yang memberi inspirasi kepada saya untuk membuat versi kubus asal saya yang lebih besar. Dalam videonya Heliox hadir dengan proses yang lebih mudah untuk membuat PCB kaca yang tidak melibatkan pengukiran tetapi sebaliknya dia menggunakan plotter untuk memotong jejak dari kerajang tembaga pelekat sendiri yang kemudian dipindahkan ke substrat kaca. Oleh kerana perancang tidak terlalu mahal dan juga berguna untuk projek lain, saya hanya perlu mencuba prosesnya sendiri.

Selain daripada versi kubus asli saya yang lebih besar, versi ini juga menggunakan PCB khusus berdasarkan mikrokontroler SAMD21 dan perumahan yang terbuat dari lasercut acrylic. Kubus boleh diprogramkan dengan Arduino IDE dan juga serasi dengan CircuitPython.

Kit GlassCube kini juga tersedia di Tindie.

Sekiranya anda membeli kit, anda hanya perlu menyolder LED (langkah 5), memasang perumahan (langkah 8) dan menghubungkan lapisan (langkah 9)

Bekalan

• 64 pcs - WS2812B 5050 SMD LED (mis. Aliexpress)
• 4 pcs - Plat kaca 100 x 100 x 2 mm (Saya dapati pembekal Jerman yang sangat murah ini yang hanya mengenakan bayaran 0.20 EUR / pc)
• 2 pcs - kepingan tembaga pelekat diri A4 (mis. Amazon)
• 1 gulungan - kertas pemindahan plotter (mis. Amazon)
• 1 set - lasercut acrylic (lihat di bawah)
• 1 PCB tersuai (lihat di bawah)
• 4 pcs skru M2x8 + mur

Jumlah kos semua bahan termasuk perkhidmatan lasercut dan pembuatan PCB adalah sekitar 100 EUR.

Alat

• Plotor Siluet 2 (mis. Amazon)
• pemotong laser atau perkhidmatan laser dalam talian (saya menggunakan snijlab.nl)
• besi pematerian
• plat panas atau oven reflow untuk pematerian SMD (atau kemahiran pematerian tangan yang maju

Langkah 1: Reka Bentuk CAD

Dimensi perumahan dan PCB GlassCube dirancang dalam Fusion360, saya telah melampirkan reka bentuk di bawah.

Tiang tepi dan plat atas dibuat dari akrilik telus setebal 3 mm. Lapisan dengan LED dibuat dari kaca apungan setebal 2 mm. Plat bawah adalah PCB yang dibuat khas.

Langkah 2: Reka Bentuk PCB LED

Saya menggunakan Eagle untuk merancang susun atur PCB kaca. Oleh kerana memotong jejak dengan plotter tidak tepat seperti mengukirnya dengan kaedah pemindahan toner, lebar jejak minimum adalah terhad. Saya mencuba lebar jejak yang berbeza dan mendapati bahawa 32 mil adalah ukuran minimum yang boleh saya gunakan kerana jejak yang lebih tipis sering dikupas semasa merancang.

Agar dapat memotong jejak dari kerajang tembaga, susun atur papan harus ditukar menjadi dxf. Saya mengambil masa sedikit untuk mengetahui cara melakukan ini dengan betul jadi biarkan saya melalui langkah-langkahnya secara terperinci

1. susun atur papan terbuka di Eagle
2. sembunyikan semua lapisan kecuali lapisan atas
3. klik Fail-> Cetak kemudian pilih Cetak ke Fail (pdf)
4. buka pdf di Inkscape
5. gunakan alat pemilihan jalan untuk menandakan satu jejak kemudian klik E dit-> Pilih Sama-> Gaya Pukulan ini harus menandakan semua jejak (tetapi bukan pad)
6. klik P ath-> Stroke to Path ini menukar garis besar jalan ke jalan baru
7. tandakan semua jalan (termasuk pad) dengan memilih alat pemilihan jalan dan kemudian tekan ctrl + a
8. klik P ath-> Gabungan ini harus menggabungkan semua jalan dan membuang sebarang garis potong di dalam kawasan "terisi"
9. klik Fail-> Simpan Sebagai dan pilih *.dxf sebagai format fail

Fail dxf boleh didapati di sini di GitHub saya.

Langkah 3: Memotong Kerajang Tembaga

Fail dxf dipotong dari lembaran kertas tembaga pelekat diri A4 dengan plotter Silhouette Portrait 2. Kepingan tembaga pertama kali dilekatkan pada tikar pemotong pelekat diri yang disertakan. Tetapan perisian yang saya gunakan untuk memotong dapat dilihat pada gambar yang dilampirkan.

Setelah memotong lebihan kerajang harus dikeluarkan dengan teliti. Agar tidak merosakkan kerajang potong, saya meninggalkan keseluruhan lembaran A4 di atas tikar pemotong untuk langkah-langkah berikut.

Langkah 4: Memindahkan Kerajang Tembaga

Kerajang yang dipotong dipindahkan ke piring kaca menggunakan kertas pemindahan yang hanya merupakan pelekat pelekat diri yang lain. Kertas pemindahan dilekatkan pada kerajang tembaga dan kemudian perlahan-lahan dikupas sehingga kerajang tembaga terus melekat pada lembaran pemindahan. Kemudian dilekatkan pada substrat kaca dan kertas pemindahan perlahan-lahan dikupas sehingga kali ini kerajang tembaga melekat pada piring kaca.

Susun atur papan mempunyai dua penanda di sudut kiri dan kanan atas yang membantu menjajarkan kerajang pada piring kaca dengan betul. Setelah melekatkan penanda boleh dikeluarkan lagi dari piring kaca.

Langkah 5: Memateri LED

LED SMD disolder ke piring kaca dengan tangan. Saya juga cuba melekatkannya dengan menggunakan plat panas (sebenarnya dapur saya) tetapi seperti gambar menunjukkan ini ternyata bukan idea yang baik. Sekiranya anda mempunyai oven reflow yang betul, mungkin patut dicuba tetapi bergantung pada jenis kaca yang digunakan, ada risiko serius ia akan pecah semasa pemanasan.

Mengenai orientasi LED terdapat dua susun atur yang berbeza. Untuk lapisan kubus pertama dan ketiga, orientasi akan berbeza daripada lapisan kedua dan keempat. Dengan cara ini lebih mudah untuk menghubungkan lapisan kemudian.

Langkah 6: PCB mikrokontroler

Daripada bergantung pada papan pengembangan komersial seperti Arduino Nano, saya merancang PCB khusus di Eagle untuk mengawal LED. Kelebihannya ialah saya dapat membentuk papan agar sesuai dengan kubus. Papan ini berdasarkan mikrokontroler ATSAMD21E18 yang sama dengan yang digunakan dalam Adafruit's Trinklet M0. Saya memilih MCU ini kerana mempunyai USB asli dan tidak memerlukan cip FTDI untuk pengaturcaraan. Adafruit juga menyediakan pemuat but yang serasi dengan Arduino IDE dan juga CircuitPython.

Satu catatan mengenai papan adalah bahawa ia berfungsi dengan logik 3.3V sementara WS2812B harus digunakan dengan 5V, namun, banyak orang telah menunjukkan bahawa operasi dengan 3.3V juga mungkin.

Saya mendapat PCB dari PCBWay.com, Gerber Files dan BoM boleh didapati di akaun GitHub saya.

Dengan beberapa kemahiran, komponen SMD pada PCB ini dapat disolder dengan tangan walaupun plat panas atau oven reflow tentu akan berfungsi lebih baik.

Langkah 7: Mem-flash Bootloader

Saya menggunakan bootloader UF2 yang disediakan oleh Adafruit untuk papan Trinket M0 mereka. MCU dilancarkan dengan bantuan alat J-Link. Arahan terperinci mengenai cara memuatkan bootloader boleh didapati di laman web Adafruit. Perkara yang hebat tentang bootloader Adafruits UF2-SAMD adalah bahawa selepas pemasangan pertama, MCU muncul sebagai pemacu kilat dan anda hanya boleh menyeret fail UF2 ke pemacu yang boleh ditanggalkan untuk menyalakannya semula. Ini menjadikannya sangat mudah misalnya. beralih antara Arduino IDE dan CircuitPython.

Langkah 8: Perumahan Lasercut

Perumahan kubus dipotong dari akrilik telus setebal 3 mm. Saya menggunakan perkhidmatan pemotongan laser dalam talian (snijlab.nl). Fail dxf yang sesuai juga boleh didapati di akaun GitHub saya. Perumahan terdiri daripada 4 tiang dan plat atas. Tiang dipasang pada PCB utama di bahagian bawah menggunakan 4 keping skru dan mur M2x8.

Langkah 9: Menyambungkan Lapisan

Setelah perumahan dipasang, saya menyambungkan lapisan dengan memateri wayar ke pad pada kaca PCB. Ini ternyata merupakan prosedur yang cukup rumit dan ada risiko membakar akrilik atau merobek tembaga. Perhatikan bahawa pin GND dan VCC bertukar posisi pada setiap lapisan sehingga wayar harus disilangkan. Untuk mengelakkan wayar melepaskan tembaga, saya membetulkannya dengan setitik panas selepas pematerian. Lapisan pertama disambungkan ke PCB bawah dengan penyambung Dupont tetapi wayar juga dapat disolder terus ke PCB.

Langkah 10: Memuat naik Kod

Saya menggunakan CircuitPython (versi 4.x) untuk memprogramkan kiub. Setelah memasang bootloader CircuitPython, anda hanya boleh menjalankan kod dengan menyimpannya terus ke pemacu kilat MCU. Tidak ada penyusunan yang diperlukan juga anda boleh cth. buka semula kod dan edit.

Sejauh ini saya baru sahaja membuat beberapa animasi asas tetapi agak mudah bagi sesiapa untuk memperluas kodnya. Kodnya boleh didapati di GitHub saya, untuk menjalankannya memerlukan Adafruit Neopixel dan perpustakaan mewah yang terdapat di sini.

Langkah 11: Kiub Selesai

Saya cukup gembira dengan rupa kubus, PCB kaca dan perumahan akrilik bekerja sama dengan baik. Ia juga menyeronokkan untuk membuat papan MCU saya sendiri untuk kali pertama dan saya hampir terkejut kerana ia berjaya pada percubaan pertama. Oleh kerana saya mempunyai beberapa alat ganti PCB dan bahagian akrilik, saya ingin menyediakan kubus ini sebagai alat DIY di Tindie. Oleh itu, jika anda berminat terus mencarinya atau hanya menuliskan pesanan peribadi kepada saya.

Sekiranya anda menyukai arahan ini, sila pilih saya dalam Peraduan Make It Glow.

Naib Johan dalam Peraduan Make it Glow