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) umfasst eine Matrix von Leuchtdioden, die in Ebenen und Reihen geschaltet sind. Diese lassen sich unabhängig voneinander steuern und erzeugen somit dreidimensionale Symbole, Figuren und Texte. Grundsätzlich ist die Größe eines LED-Würfels nicht begrenzt und kann beliebig viele LED´s enthalten. Das im Folgenden vorgestellte Projekt beschäftigt sich mit einem 8 x 8 x 8 – Würfel, also mit 512 LED´s.

Aufgabenstellung

Das Ziel des Projekts LED-Würfel 2.0 besteht darin eine Steuerungssoftware für den vorhandenen LED-Würfel zu erstellen. Die Daten werden in die Software MATLAB der Firma The MathWorks eingelesen, womit beliebige Lichtmuster sich realisieren lassen. Zunächst wird die Theorie der Funktionsweise eines LED-Würfels dargestellt. Hierzu werden der Aufbau des Würfels, die Schaltung, die Hardware und die Software vorgestellt. Danach wird eine Steuerung entworfen, wobei bestehende Lösungen analysiert und eingebunden werden. 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.

Benötigte Komponenten Ein LED-Würfel besteht aus einem Gehäuse, in dem die Platine mit der benötigten Hardware verbaut ist, und einem Würfel, der aus Leuchtdioden aufgebaut ist (Abbildung 1).

Gehäuse

Das Gehäuse für die Schaltung dient gleichzeitig als Sockel für den Würfel. Dieser besteht aus vier Holzplatten mit einer Dicke von 1,5 cm, die mit weißer Klebefolie überzogen wurden. Die Maße des Sockels betragen 30 cm x 13 cm x 30 cm (B x H x T). Würfel

Der Würfel besteht aus 8 x 8 x 8, d.h. insgesamt aus 512 grünen 3 mm-Leucht-dioden.

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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