Projekt 43: LED-Würfel 2.0

Autoren: Valentina Merkel, Julia Müller
Betreuer: Prof. Göbel

Aufgabe

Erstellen Sie eine Steuerungssoftware für den bestehenden LED-Würfel. Lesen Sie die Daten in einem geeigneten Format (erstellt in Matlab) ein und erzeugen Sie damit beliebige Lichtmuster.

Erwartungen an Ihre Projektlösung

• Darstellung der Theorie
• Entwurf einer Steuerung.
• Recherche zu bestehenden Lösungen
• Programmierung in Matlab und C
• Erstellung eines Benutzerleitfadens für die Anwendung der Software
• Test und wiss. Dokumentation
• Live Vorführung während der Abschlusspräsentation

Schwierigkeitsgrad

Anspruchsvoll (***)

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Einleitung

Ein LED-Würfel (engl.: LED-Cube) ist aktuell ein beliebtes Projekt. Dieses Projekt wurde bereits öfters realisiert und so findet man im Internet auch einige Beispiele für LED-Würfel. Die Komplexität des LED-Würfels kann dabei stark variieren. Sie hängt hauptsächlich von der Anzahl der LEDs und der Wahl der LED (einfarbig oder RGB) ab. Ein Beispiel für ein sehr komplexen LED-Würfel ist in dem Bild Beispiel für ein LED-Würfel zu sehen.

Beispiel für ein LED-Würfel

Ziel aller LED-Würfel ist es dreidimensionale Symbole, Figuren und Texte. Dies sollen sich dann im dreidimensionalen LED-Würfel bewegen, d.h. durchlaufen oder drehen. Durch die Komplexität der Muster und Bewegungen wird die Komplexität des Projektes weiter beeinflusst. Für die Realisierung eines LED-Würfels benötigt man Erfahrungen, bzw. Interesse im Bereich Elektrotechnik und Informatik. Die elektrotechnische Komponente befasst sich mit dem Aufbau des LED-Würfels und der Realisierung der Steuerungsschaltung. Man muss sich Gedanken darüber machen, wie die LEDs miteinander verbunden werden und wie man sie anschließend elektrisch ansteuern will. Die elektrische Ansteuerung erfolgt dann über die Steuerungsschaltung. Diese muss programmiert werden, dies führt einen zu dem Bereich der Informatik. Man benötigt je nach gewähltem Mikrocontroller entsprechende Programmierkenntisse. Weiterer Faktor für die Komplexität ist somit die Wahl der Programmierung (Sprache, Oberfläche, etc.). Dieses Projekt lässt sich in der Komplexität durch viele Komponenten steuern. Es ist somit ein Projekt, das sowohl für Einsteiger als auch für Erfahrene geeignet ist. Jeder kann dieses Projekt so gestalten, dass es seinem Können entspricht.

Aufgabenstellung

In diesem Projekt ist die Komplexität bereits bestimmt. Der LED-Würfel ist bereits elektrotechnisch aufgebaut. Es handelt sich um einen LED-Würfel aus 512 einfarbigen LEDs. Herzstück der Steuerungsschaltung ist der Mikrocontroller ATmega32 von der Firma Atmel. Das Ziel dieses Projekts "LED-Würfel" 2.0 besteht darin eine Steuerungssoftware für den vorhandenen LED-Würfel zu erstellen, um beliebige Lichtmuster realisieren zu können. Die Muster sollen in die Software MATLAB der Firma The MathWorks generiert und an den Mikrocontroller übergeben werden. Der Mikrocontroller soll die empfangenen Befehle interpretieren können und die entsprechenden Muster mittels der LEDs erzeugen.

Benötigte Komponenten

Die Hauptkomponente ist der LED-Würfel. Er besteht aus einem Gehäuse, in dem die Platine mit der benötigten Hardware verbaut ist, und dem eigentlichen LED-Würfel, der aus 512 grünen Leuchtdioden aufgebaut ist (siehe Bild Unser LED-Würfel).

Unser LED-Würfel

Der LED-Würfel besteht aus einer Matrix von 8 x 8 x 8 grünen 3mm-Leuchtdioden. Es besitzt somit 8 Ebenen und eine Ebene besteht aus 64 LEDs. Diese lassen sich unabhängig voneinander steuern. Der LED-Würfel ist auf dem Gehäuse der Schaltung aufgebaut worden. Das Gehäuse besteht aus vier Holzplatten mit einer Dicke von 1,5 cm, die mit weißer Klebefolie überzogen wurden. Die Maße betragen 30 cm x 13 cm x 30 cm (B x H x T). Das Gehäuse für die Schaltung dient somit gleichzeitig als Sockel für den Würfel. Die Kabel des LED-Würfels werden direkt ins Gehäuse geführt und mit der Schaltung verkabelt. Weitere benötigte Komponenten sind ein Computer mit der Software Atmel-Studio 6.2 zur Programmierung des Mikrocontrollers und der Software Matlab zur Generierung der Muster. Das Programm für den Mikrocontroller muss auf den Mikrocontroller geflasht werden. Daher wird zusätzlich ein Flash-Gerät benötigt. Die Kommunikation von Matlab zum Mikrocontroller muss noch festgelegt werden, dafür wird dann eine zusätzliche Kommunikationsschnittstelle aufgebaut werden müssen.

Vorgehensweise

Zu Beginn wird die Funktionsweise des LED-Würfels analysiert. Hierzu werden der Aufbau des Würfels, d.h. die Schaltung,die verwendete Hardware und das vorhandene Beispielprogramm näher betrachtet. Es folgt die Planung des weiteren Vorgehens und die Beschreibung des angestrebten Lösungsweges. Auf Basis des Lösungskonzeptes wird eine Steuerung entworfen, wobei bestehende Lösungen analysiert und eingebunden werden. Die Programmierung erfolgt dabei in Atmel-Studio 6.2 und Matlab. Nach der erfolgreichen Programmierung wird ein Benutzerleitfaden für die Anwendung der Software erstellt. Anschließend wird die Vorgehensweise zur Ansteuerung des LED-Würfels dokumentiert und das Ergebnis im Rahmen der Abschlusspräsentation vorgeführt.

Aufbau

Würfel

Die 512 Leuchtdioden aus denen ein LED-Würfel besteht, unterteilen sich in acht Kathoden-Ebenen und 64 Anoden-Reihen (Abbildung 2). Dies ergibt sich, wenn die einzelnen LED‘s jeweils nur an den Kathoden und jeweils nur an den Anoden miteinander verlötet werden. Somit lässt sich jede Lichtquelle einzeln ansteuern. Grundsätzlich sollte die Dichte der LED’s, d.h. die Anzahl der LED’s in einem LED-Würfel, auf die Größe des Würfels abgestimmt sein. Daraus ergibt sich ein bestimm-ter Abstand zwischen den LED’s, der eine günstige Darstellung der 3D-Muster er-möglicht. Wird der Abstand zu klein gewählt, werden die hinteren Lichtquellen nicht wahrgenommen. Andererseits wird bei zu großem Abstand die Darstellung zu sehr gedehnt und kann somit schwierig als ein Muster erkannt werden. Bei dem vorlie-genden Projekt wurde eine Schablone aus Holz angefertigt, sodass die LED’s sowohl in der Ebene als auch in der Höhe in gleichmäßigem Abstand zueinander angeordnet werden konnten. Die Schablone wurde mit 64 Sacklochbohrungen (Durchmesser: 3,2 mm) versehen, wobei die Länge der Kathoden, die etwa 23 mm beträgt, den Abstand zwischen den Bohrlöchern und damit auch zwischen den einzelnen Leuchtdioden, vorgegeben hat (Abbildung 4). Die LED’s wurden mit dem Kopf in die Löcher gesteckt und jeweils an der Kathode miteinander verlötet. Dieser Vorgang wurde für alle acht Ebenen wiederholt. Um den Kontakt zwischen den acht Reihen herzustellen wurde ein Silberdraht mit dem Durchmesser von 8 mm an drei Stellen je Ebene angebracht. Zusätzlich trägt dieser Draht zur Stabilität der Konstruktion bei. Zum Schluss wurden alle acht Ebenen durch das Verlöten von Anoden der Leuchtdioden miteinander verbunden. Abbildung 6 zeigt den vollständig aufgebauten Würfel.

Bestückung der Platine

Die wichtigsten Komponenten beim Aufbau der Platine sind der 8-Bit-Mikrocontroller der Firma Atmel (ATMEGA 32-16 DIP), acht MOSFETs (IRF 630) und acht Schieberegister (74HC 595). Hinzu kommen Vorwiderstände und diverse Kondensatoren. Eine detaillierte Auflistung aller Komponenten ist in den folgenden Tabellen enthalten.

Auflistung der Komponenten für die Platine

ATMEGA32(ATMEGA 32-16 DIP)--> Link N-MOSFET Kondensator (IRF 630, 22 pF) -->Link Tantal-Chip-Kondensator (10uF)-->Link Kondensator (1nF)-->Link Vorwiderstände (150 Ohm)-->Link Spannungsregler (Low Drop, TO-220, LM 1085 IT5,0)-->Link 8-Bit Schieberegister (74HC 595)-->Link IC-Sockel 20-polig (GS 20)-->Link IC-Sockel 40-polig (GS 40)-->Link Treiber/Empfänger (MAX 232 CPE)-->Link Standardquarz (14,7456-HC49U-S)-->Link Rippen-Kühlkörper (V 4330N)-->Link

Schaltplan

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