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Cubo LED con arduino 9x9x9
Dec 02nd, 2019 | by: tutos Ingenieria | Views 425
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CUBO LED

La función principal del cubo es poder desplegar animaciones en tres dimensiones entre ellos letreros, formas y efectos, el proceso de construcción es complejo por la cantidad de puntos de conexiones y la repetición del trabajo, pero su proceso es apasionante y verlo funcionar vale completamente la pena.

Su construcción como ya se dijo conlleva un gran reto y definitivamente es un gran desafío de programación y de construcción de circuitos, pero no es difícil, se basa en conceptos simples de electrónica.

 Antes de iniciar con el paso a paso es necesario reflexionar un poco el funcionamiento del cubo, para poder entender tanto la construcción de este, como también su circuito o Driver, y el respectivo programa. 

Introducción

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Este cubo led tiene 3 cm de separación entren LEDs el tamaño final del cubo es de aproximadamente 24cm x 24cm x 24 cm. La cantidad total de leds es de 729 (9x9x9) y se espera que el resultado final sea algo como lo que se muestra en la Figura 1

 

Figura 1. Cubo LED

La función principal del cubo es poder desplegar animaciones en tres dimensiones entre ellos letreros, formas y efectos, el proceso de construcción es complejo por la cantidad de puntos de conexiones y la repetición del trabajo, pero su proceso es apasionante y verlo funcionar vale completamente la pena. Su construcción como ya se dijo conlleva un gran reto y definitivamente es un gran desafío de programación y de construcción de circuitos, pero no es difícil, se basa en conceptos simples de electrónica.  Antes de iniciar con el paso a paso es necesario reflexionar un poco el funcionamiento del cubo, para poder entender tanto la construcción de este, como también su circuito o Driver, y el respectivo programa. El primer gran desafío a la hora de realizar un cubo 3D es analizar la cantidad de leds que tendrá este dispositivo en este caso 729, aquí recae el primer concepto vital de este proyecto, para encender un LED se requiere de una tensión positiva y de un punto de conexión negativo, tal como se muestra en la Figura 2. 

 

Figura 2. Conexión led

Por lo cual para encender un led y tener un control total sobre el mismo, requerimos de dos puntos de conexión, entonces si queremos encender 729 LEDs debemos tener al menos 1458 puntos de conexión (positivos y negativos), esta es una gran limitación debido a que no existe microcontrolador o dispositivo tal para manejar esa cantidad de conexiones. En el mejor de los casos podríamos imaginar que todos los LEDs compartan el ánodo común y controlarlos con las conexiones a negativo, o al revés tener todos los LEDs conectados por los cátodos y controlarlos por la conexión de los ánodos, para lo cual solo necesitaríamos 730 puntos de conexión; aun así sigue siendo inviable cualquier tipo de microcontrolador para tal fin.

 

Figura 3. Conexión anodo común

Figura 4. Conexión Cátodo común 

Es absolutamente necesario tener control de cada led independientemente, sino el cubo led va a estar limitado a unas animaciones sumamente simples (si así fuera no valdría la pena la implementación de este proyecto). Buscando controlar los LEDs de forma independiente utilizando el menor número de pines posibles de un microcontrolador, se utiliza un concepto demasiado útil en el trabajo con matrices LEDs y es conocido como multiplexión, este truco hace disminuyamos drásticamente la cantidad de conexiones requeridas. La multiplexión es una técnica realmente muy ingeniosa que se aprovecha de la incapacidad del ojo humano por refrescar rápidamente el arribo de imágenes, entonces no se nota el cambio de información en el cubo LED. Explicado de la siguiente forma se entenderán el concepto de la multiplexión en el cubo led:

 

Figura 5. Conexión de LEDs por pisos 

1. El cubo LED se distribuirá por pisos, con conexiones ánodo o cátodo común, como ustedes lo deseen, en mi caso lo realice cátodo común.

 

Figura 6. Interconexión de LEDs

Figura 7. Interconexión de cátodos por piso.

Todos los cátodos de cada piso están interconectados entre ellos, por ende, si deseo encender un LED debo conectar un positivo al ánodo y conectar el común de todos los LEDs a negativo, así se encenderá el led deseado, esto quiere decir que si deseo encender cualquier forma en esa cuadricula de 81 LEDs debo desplegar un numero de datos positivos a los 81 ánodos y un solo negativo al común de todos. Entonces si deseo encender cualquier forma sobre ese piso necesito 81 conexiones y un cátodo, por ende 82 puntos de conexión. 2. Ya conociendo la conexión entre los LEDs de cada piso, es necesario conocer las conexiones de los LEDs entre los pisos, es decir, todas las columnas del cubo led compartirán conexión al ánodo. Quiere decir que el LED que escojamos dentro del cubo LED compartirá su conexión del cátodo entre todos los LEDs de su piso y compartirá su conexión de su ánodo con todos los LEDs justo encima y debajo de él (o sea en la misma columna).

 

Figura 8. Columnas para interconectar los ánodos.

Figura 9. Conexión de tres pisos, nótese la interconexión de los ánodos.

Figura 10. Disposición de la interconexión de los ánodos entre pisos. 

Al conocer las interconexiones de los LEDs, ahora como hacemos para encender independientemente cualquier elemento dentro del cubo. Por ejemplo: Si se quiere encender un conjunto de LEDs en el cubo se debe hacer lo siguiente; supongamos que queremos encender un LED del piso inferior, primero debemos conectar el negativo a las interconexiones comunes en ese piso y después conectar un positivo a la respectiva columna, y tal como se muestra en la Figura 11 se enciende el LED respectivo.

 

Figura 11. Encendido de LED piso inferior 

Es importante recordar, toda la columna se encuentra en estos momentos energizada positivamente y todo el piso inferior se encuentra con tensión negativa (interconexión de cátodos). Si se requiere encender otros leds sobre el piso inferior, es tan simple como conectar tensiones positivas a las respectivas columnas, este es el caso de las Figura 12Figura 13.

Figura 12. Encendido de nuevo LED, nueva columna energizada positivamente

Figura 13. Encendido de nuevo LED, nueva columna energizada positivamente

Figura 14. Azul conexión de piso con negativo y columnas rojo positivo 

El problema real aparece cuando queremos encender otro LED de otro piso, supongamos que queremos encender un LED del piso superior, sin apagar los LEDs del piso ya encendidos, para lograr encenderlo llevamos tensión positiva a la columna respectiva del led y conectamos el respectivo piso a la tensión negativa. Figura 15,Figura 16.

Figura 15. Elección de LED a encender

Figura 16. Positivos y negativos en el cubo

 Se puede notar que querer encender este LED en otro piso, ocasiona que se enciendan LED indebidamente tal como se muestra en la Figura 17Figura 18.

Figura 17. LEDs encendidos

Figura 18. LEDs encendidos erróneamente.

Este es un error típico por compartir conexiones entre ánodos y cátodos, para reducir el número de pines a controlar, aquí es donde la magia ocurre; porque para evitar este error es necesario multiplexar cada uno de los pisos del cubo, así lograremos controlar cada led independientemente y nos ahorraremos una gran cantidad de pines de conexión. Para lograr que enciendan los LEDs analizados en el ejemplo anterior realizaremos lo siguiente: 1-    Se conecta el negativo al primer piso y se despliegan los positivos sobre ese piso, encendiendo así todos los puntos deseados sobre ese piso, ver Figura 19

 

Figura 19. Encendido del primer piso.

Paso seguido se apaga el primer piso, quitando el negativo del común y se quitan también los positivos desplegados en cada columna. Por ende, se apaga el cubo Figura 20.

Figura 20. Cubo completamente apagado.

2-    Se conecta el negativo al común del segundo piso y se despliegan los positivos sobre ese piso, encendiendo así todos los puntos deseados sobre ese piso, para este caso ningún LED se enciende porque no queremos desplegar ningún dato sobre este nivel. Paso seguido se quita el negativo del común y se quitan también los positivos desplegados en cada columna. 3-    Se repite el paso dos para todos los pisos. 4-    Hasta llegar al último piso en el cual se muestra en la Figura 21.

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