´ˇ ˇedn´ı ˇ Vyˇ sˇ s´ı odborna skola, Str skola, ´ pr ˇ´ıpravy Centrum odborne
´ PRACE ´ ABSOLVENTSKA Programovateln´ a 3D LED kostka
´ ı, 2016 Sezimovo Ust´
Autor: Luk´ aˇ s Foˇ rt
i
Prohl´ aˇsen´ı Prohlaˇsuji, ˇze jsem svou absolventskou pr´aci vypracoval samostatnˇe a pouˇzil jsem pouze podklady (literaturu, projekty, SW atd.) uveden´e v pˇriloˇzen´em seznamu.
´ ı dne V Sezimovˇe Ust´ podpis
ii
Podˇ ekov´ an´ı V prv´e ˇradˇe bych r´ad vyj´adˇril hlubok´e podˇekov´an´ı vedouc´ımu t´eto absolventsk´e pr´ace Bc. et Bc. Miroslavu V. Hospod´aˇrsk´emu, za ˇcas, kter´y vˇenoval t´eto pr´aci a tomuto textu. Bez cenn´ych rad pˇri tvorbˇe obsahu t´eto pr´ace a bez pomoci pˇri konstrukci modelu by tato pr´ace nevznikla. D´ale dˇekuji Ing. Jiˇr´ımu Roubalovi, Ph.D za cenn´e rady k psan´ı t´eto pr´ace v syst´emu LATEX 2ε . V neposledn´ı ˇradˇe bych r´ad podˇekoval rodinˇe a bl´ızk´ym za podporu pˇri studiu a za pomoc pˇri tvorbˇe t´eto pr´ace.
iii
Anotace Absolventsk´a pr´ace se zab´yv´a n´avrhem, tvorbou a oˇziven´ım programovateln´e 3D LED kostky. Souˇc´ast´ı pr´ace je pops´an´ı z´akladn´ı funkce 3D LED kostky, popis pouˇzit´ych elektronick´ych souˇc´astek, n´avrh obvodov´eho zapojen´ı hardwaru 3D LED kostky, n´avrh a n´asledn´e vyroben´ı desek ploˇsn´ych spoj˚ u a jejich osazen´ı souˇc´astkami a krychlovou konstrukc´ı z LED diod. D´ale pr´ace obsahuje tvorbu v´yvojov´ych diagram˚ u a ˇr´ıd´ıc´ıch program˚ u pro realizaci jednotliv´ych svˇeteln´ych efekt˚ u. V´ysledkem pr´ace je zkonstruovan´y model 3D LED kostky, na kter´em se zobrazuj´ı svˇeteln´e obrazce a svˇeteln´e pˇrechody.
Kl´ıˇ cov´ a slova: LED diody, LED kostka, ATmega16, mikroprocesor, elektronika, kostka
Annotation Graduation work deals with design, production and recovery of programmable 3D LED cube. One part of this work is to describe the basic functions of 3D LED cube, a description of the electronic components, design of circuit wiring schematic of 3D LED cube, design and subsequent manufacture of printed circuit boards and their installation components and cube formed from the LEDs. The work includes creating development diagrams and control programs for realizing various lighting effects. The result of this work is a model of 3D LED cube, which displays light patterns and lighting transitions.
Key words: LED diodes, LED cube, ATmega16, microprocessor, electronics, cube
iv
Obsah Seznam obr´ azk˚ u
vii
´ 1 Uvod
1
2 3D LED displej
3
2.1
Princip LED kostky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
2.2
Z´akladn´ı efekty LED kostek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
2.2.1
Pohybliv´a stˇena
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
2.2.2
Padaj´ıc´ı kapky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
2.2.3
Zvˇetˇsuj´ıc´ı se krychle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
Souˇc´astky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
2.3.1
5
2.3
Popis souˇc´astek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3 Tvorba 3D LED kostky
7
3.1
Sch´ema zapojen´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
3.2
V´ybˇer souˇc´astek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
3.3
Desky ploˇsn´ych spoj˚ u. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8 9
3.4
3.3.1 V´yroba DPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ˇ Casov´ e multiplexov´an´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10
3.5
V´yvojov´e diagramy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10
3.5.1
Padaj´ıc´ı kapky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
3.5.2
L´etaj´ıc´ı stˇena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12
3.5.3
Podprogramy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
4 Konstrukce 3D LED kostky ˇ 4.1 Sablona . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14 14
4.2
Tvorba vrstev . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15
4.3
Konstrukce krychle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17
v
5 Z´ avˇ er
18
Literatura
20
A Obsah pˇ riloˇ zen´ eho CD/DVD
I
B Pouˇ zit´ y software
II
ˇ C Casov´ y pl´ an absolventsk´ e pr´ ace
III
D Sch´ ema zapojen´ı
IV
E N´ avrhy desek ploˇ sn´ ych spoj˚ u
V
F Rozpoˇ cet projektu
VII
vi
Seznam obr´ azk˚ u 2.1
Efekt pohybliv´e stˇeny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
2.2
Efekt padaj´ıc´ıch kapek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
2.3
Efekt zvˇetˇsuj´ıc´ı se krychle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
3.1
N´avrhy DPS pro 3D LED kostku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
3.2
V´yvojov´y diagram pro padaj´ıc´ı kapky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
3.3
V´yvojov´y diagram pro l´etaj´ıc´ı stˇenu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12
3.4
V´yvojov´y diagram pro funkci sendvoxel . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
4.1
Pˇripraven´a deska pro ˇsablonu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14
4.2
Hotov´a ˇsablona pro konstrukci . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15
4.3
Konstrukce vrstvy
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
4.4
Hotov´e verstvy kostky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
4.5
Spojov´an´ı vrstev . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17
4.6
Hotov´a krychle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17
D.1 Elektrick´e sch´ema zapojen´ı ˇr´ıd´ıc´ı desky . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
IV
E.1 Osazovac´ı pl´any pro DPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
V
E.2 Pl´any propojek pro DPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
VI
vii
Kapitola 1 ´ Uvod Vˇetˇsina z n´as se jiˇz setkala s velk´ymi digit´aln´ımi billboardy, na kter´ych se prol´ınaj´ı jednotliv´e reklamy, at’ uˇz statick´e, nebo animovan´e. M´alokdo vˇsak v´ı, ˇze tyto billboardy jsou vlastnˇe jen“ deska osazen´a RGB LED diodami ” (Tkotz, K. a kol., 2006), kter´e se rozsvˇecuj´ı urˇcitou barvou v pˇresnˇe dan´y ˇcas. Tyto rozsv´ıcen´e diody bud´ı dojem obrazu. 3D LED kostka t´eto technologii pˇrid´av´a dalˇs´ı rozmˇer a do budoucna je moˇznou velice zaj´ımavou alternativou v reklamn´ım pr˚ umyslu. Pr´avˇe tato technologie je inspirac´ı pro tuto pr´aci. V oblasti reklamy blikaj´ıc´ı objekty pˇritahuj´ı vˇseobecnˇe vˇetˇs´ı pozornost a z´ajem veˇrejnosti. D´ıky tomu se 3D LED kostka jev´ı jako vhodn´a didaktick´a pom˚ ucka pˇritahuj´ıc´ı pozornost, jak ˇz´ak˚ u ve ˇskole, tak pˇri prezentaci ˇskoly bˇehem dne otevˇrern´ych dveˇr´ı na Vyˇsˇs´ı odborn´e ˇskole, Stˇredn´ı ˇskole a Centru ´ ı (www.copsu.cz). odborn´e pˇr´ıpravy v Sezimovˇe Ust´ Tvorbou 3D LED kostky se zab´yvalo jiˇz nˇekolik lid´ı. Nen´ı tedy moc moˇznost´ı vylepˇsen´ı samotn´e konstrukce, proto mou pˇridanou hodnotou do t´eto pr´ace je pˇredevˇs´ım tvorba, naprogramov´an´ı a oˇziven´ı fyzick´eho modelu 3D LED kostky, kter´y, jak je uvedeno v´yˇse v textu, bude slouˇzit jako didaktick´a pom˚ ucka a objekt pro prezentaci ˇskoly. Ve sv´e maturitn´ı pr´aci ji ˇreˇsil i ˇz´ak Martin Dezort (Dezort, M., 2015), tento model vˇsak nen´ı k dispozici ve ˇskole, nen´ı tedy moˇzn´e s n´ım d´ale pracovat. Proto je vhodn´e vytvoˇrit model, kter´y bude moˇzn´e d´ale programovat a pracovat s n´ım. C´ılem t´eto pr´ace je vytvoˇren´ı modelu 3D LED kostky, kter´y bude slouˇzit jako reklamn´ı a didaktick´a pom˚ ucka. Tento model bude k dispozici ˇz´ak˚ um a bude moˇzn´e ho d´ale programovat. Pr´ace zahrnuje navrˇzen´ı desky ploˇsn´ych spoj˚ u, jejich n´asledn´e osazen´ı 1
´ KAPITOLA 1. UVOD
2
souˇc´astkami a krychlovou konstrukc´ı z LED diod a n´asledn´e naprogramov´an´ı cel´e kostky. Struktura t´eto pr´ace, kter´a je naps´ana v LATEX 2ε 1 (Schenk, C., 2009), je n´asleduj´ıc´ı: Kapitola 2 shrnuje informace o technologii 3D LED kostky, popis nˇekter´ych efekt˚ u 3D LED kostky a informace o pouˇzit´ych souˇc´astk´ach. V kapitole 3 je pops´ano sch´ema zapojen´ı 3D LED kostky, v´ybˇer souˇc´astek pro kostku, n´avrh a samotn´a v´yroba DPS, ˇcasov´y multiplexing a samotn´a tvorba programu pro 3D LED kostku. V kapitole 4 je pops´ana cel´a konstrukce krychle z LED diod. V pˇr´ıloh´ach je uveden obsah pˇriloˇzen´eho DVD, pouˇzit´y software, ˇcasov´y pl´an AP, rozpoˇcet pr´ace, elektrick´e sch´ema zapojen´ı ˇr´ıd´ıc´ı ˇc´asti 3D LED kostky a ˇc´ast n´avrh˚ u desek ploˇsn´ych spoj˚ u.
1 A LT
EX 2ε je rozˇs´ıˇren´ı syst´emu LATEX, coˇz je kolekce maker pro TEX. TEX je ochrann´a zn´amka American Mathematical Society.
Kapitola 2 3D LED displej V t´eto kapitole je struˇcnˇe pops´an princip 3D LED displeje. Souˇc´astky nutn´e pro chod 3D LED kostky a struˇcn´y popis jejich funkce. D´ale jsou zde pops´any a na obr´azc´ıch demonstrov´any nˇekter´e ze z´akladn´ıch efekt˚ u u 3D LED kostek.
2.1
Princip LED kostky
Z´akladem 3D LED kostky je krychle (kostka) zkonstruovan´a z LED diod. D´ıky t´eto konstrukci je v´ysledkem 3D obraz. Tato kostka je tvoˇrena ze 64 vysoce sv´ıtiv´ych LED ˇ ım v´ıce LED diod kostku tvoˇr´ı, t´ım ostˇrejˇs´ı je v´ysledn´y efekt animace. Aby nebylo diod. C´ nutn´e vˇsechny v´yvody LED diod p´ajet na DPS, jsou ovl´ad´any pomoc´ı metodou ˇcasov´eho multiplexu (popis principu ˇcasov´eho multiplexingu viz. 3.4). LED diody v jednotliv´ych vodorovn´ych vrst´ach kostky maj´ı spoleˇcnou katodu (-) a LED diody ve svisl´ych sloupc´ıch maj´ı spoleˇcnou anodu (+). Princip cel´e 3D LED kostky je postaven na pomˇernˇe jednoduch´em syst´emu, kter´y pracuje s maticemi na os´ach X – Y – Z. Osy X – Y sp´ınaj´ı jednotliv´e sloupce LED diod a osa Z sp´ın´a vrstvy LED diod, jednotliv´a patra“ 3D LED kostky. Mikroprocesor dle ” programu rozsv´ıt´ı poˇzadovan´e LED diody, jejichˇz blik´an´ı na vysok´e frekvenci tvoˇr´ı dojem rozsv´ıcen´ı nˇekolika diod z´aroveˇ n.
3
KAPITOLA 2. 3D LED DISPLEJ
2.2
4
Z´ akladn´ı efekty LED kostek
U 3D LED kostek se m˚ uˇzeme setkat se spoustou r˚ uzn´ych efekt˚ u. V podstatˇe je jen na schopnostech a fantazii program´atora jak´e efekty kostka m´a. Zde jsou pops´any nˇekter´e ze z´akladn´ıch efekt˚ u.
2.2.1
Pohybliv´ a stˇ ena
Pˇri tomto efektu se vˇzdy rozsv´ıt´ı jedna stˇena kostky (16 LED diod), kter´a se n´aslednˇe pohybuje na protˇejˇs´ı stranu kostky a zpˇet. Viz. obr. 3.3
Obr´azek 2.1: Efekt pohybliv´e stˇeny
2.2.2
Padaj´ıc´ı kapky
Tento efekt, jak uˇz n´azev napov´ıd´a, m´a na div´aka p˚ usobit jako d´eˇst’. Na kostce se rozsv´ıt´ı cel´a horn´ı vrstva LED diod a vˇzdy n´ahodnˇe vybran´a ledka steˇce“ aˇz na spodn´ı ” vrstvu kostky. Dojem pad´an´ı je vytvoˇren tak, ˇze dan´a LED dioda se zhasne a hned v ten moment se rozsv´ıt´ı LED dioda pod n´ı. Viz. obr. 3.2
Obr´azek 2.2: Efekt padaj´ıc´ıch kapek
KAPITOLA 2. 3D LED DISPLEJ
2.2.3
5
Zvˇ etˇ suj´ıc´ı se krychle
Efektu zvˇetˇsov´an´ı a zmenˇsov´an´ı kostky je doc´ıleno tak, ˇze se rozsv´ıt´ı cel´a kostka a postupnˇe se zhas´ınaj´ı vˇzdy 3 stˇeny kostky. Napˇr . pokud chceme, aby se kostka zmenˇsila jako na obr. 2.3 zhas´ın´ame vˇzdy jednu stˇenu vlevo, jednu vpravo a jednu nahoˇre.
Obr´azek 2.3: Efekt zvˇetˇsuj´ıc´ı se krychle
2.3
Souˇ c´ astky
Zde jsou popsan´e jednotliv´e komponenty pro spr´avn´y chod 3D LED kostky, jejich z´akladn´ı funkce a vlastnosti. Tyto souˇc´astky jsou nezbytnˇe nutn´e pro spr´avn´y chod cel´e 3D LED kostky.
2.3.1
Popis souˇ c´ astek
LED dioda Podle (Tkotz, K. a kol., 2006) • Light-Emitting Diode, tedy dioda emituj´ıc´ı svˇetlo, nebo tak´e luminiscenˇcn´ı diody • elektronick´a polovodiˇcov´a souˇc´atka obsahuj´ıc´ı PN pˇrechod, proud na PN pˇrechodu mˇen´ı na svˇetlo • je schopna vyzaˇrovat svˇetlo (LED), nebo infraˇcerven´e z´aˇren´ı (IRED)
KAPITOLA 2. 3D LED DISPLEJ
6
Rezistor Podle (Tkotz, K. a kol., 2006) • pasivn´ı elektronick´a souˇc´astka s definovanou z´avislost´ı proudu na napˇet´ı • v ide´aln´ım stavu m´a jedinou vlastnost a tou je elektrick´y odpor • obvykle se pouˇz´ıv´a, pokud chceme sn´ıˇzit velikost elektrick´eho proudu, nebo z´ıskat urˇcit´y u ´ bytek napˇet´ı Kondenz´ ator Podle (Tkotz, K. a kol., 2006) • pasivn´ı elektrotechnick´a souˇc´astka, charakteristick´a pˇredevˇs´ım kapacitou • pˇri nab´ıjen´ı mezi elektrodami kondenz´atoru vznik´a napˇet´ı odpov´ıdaj´ıc´ı napˇet´ı zdroje • v elektrick´em obvodu m˚ uˇze uchov´avat elektrick´y n´aboj, tedy eletrickou energii • z´akladn´ı vlastnosti jsou kapacita, maxim´aln´ı povolen´e napˇet´ı a proveden´ı v´yvod˚ u Bipol´ arn´ı tranzistor Podle (Tkotz, K. a kol., 2006) • polovodiˇcov´a souˇc´atka tvoˇren´a dvˇema pˇrechody PN • z´akladn´ı vlastnost´ı je schopnost zesilovat, proud pˇriveden´y na kolektro je ˇr´ızen proudem na b´azi, tedy je nutn´y jen mal´y v´ykon • d´ale m˚ uˇze pracovat jako sp´ınaˇc k rychl´emu sp´ın´an´ı proudu Stabiliz´ ator pevn´ eho napˇ et´ı Podle (Tkotz, K. a kol., 2006) • elektrotechnick´a souˇc´astka stabilizuj´ıc´ı v´ystupn´ı napˇet´ı pˇri zmˇen´ach v´ystupn´ıho proudu, vstupn´ıho napˇet´ı • jeho funkc´ı je udrˇzovat konstantn´ı napˇet´ı na v´ystupu, popˇr´ıpadˇe v povolen´e toleranci
Kapitola 3 Tvorba 3D LED kostky V t´eto kapitole je pops´an n´avrh 3D LED kostky. Navrˇzen´ı obvodov´eho zapojen´ı, n´avrh DPS a konstrukce cel´e kostky.
3.1
Sch´ ema zapojen´ı
Jako prvn´ı bylo vytvoˇreno sch´ema zapojen´ı cel´e ˇr´ıdic´ı desky pro 3D LED kostku. Sch´ema zapojen´ı je podle (Tkotz, K. a kol., 2006) grafick´e zn´azornˇen´ı elektrick´eho obvodu za pouˇzit´ı standardizovan´ych sch´ematick´ych znaˇcek, kter´e jsou mezi sebou narozd´ıl od blokov´eho sch´ematu propojeny. T´ım je naznaˇcen jejich vz´ajemn´y vztah. Bylo pouˇzito jiˇz vytvoˇren´e sch´ema z internet´ev´eho zdroje (Instructables, 2008). Cel´e sch´ema naleznete v pˇr´ıloze D.
3.2
V´ ybˇ er souˇ c´ astek
Vˇetˇsina souˇc´astek byla ve sch´ematu zapojen´ı D pˇresnˇe urˇcena. Nˇekter´e souˇc´astky musely b´yt vhodnˇe vybr´any a dopoˇc´ıt´any jejich pˇresn´e hodnoty, aby v obvodu plnily svou funkci.
7
KAPITOLA 3. TVORBA 3D LED KOSTKY
8
LED diody Nejd˚ uleˇzitˇejˇs´ımi souˇc´astkami cel´e 3D LED kostky jsou bezesporu pr´avˇe LED diody. Cel´y vizu´aln´ı efekt a dojem z LED kostky je zaloˇzen na nich, proto je d˚ uleˇzit´e, vybrat vhodn´e LED diody. D˚ uleˇzit´a je jak velikost, tak barva LED diod. Velikost LED diod je zvolena 5 mm. Barva LED diody je pomˇernˇe z´asadn´ı vˇec´ı, tedy bylo nutn´e vybrat takovou barvu LED diody, aby upoutala pozornost, z´aˇrila a byla jasnˇe viditeln´a i za denn´ıho svˇetla. Tato krit´eria byla splnˇena modrou LED diodou.
Rezistory Pˇred kaˇzdou LED diodou je v s´erii zapojen rezistor, kter´y sv´ym odporem omezuje elektrick´y proud tekouc´ı z mikroprocesoru do LED diody. Pˇri v´ybˇeru vhodn´ych rezistor˚ u se mus´ı poˇc´ıtat se dvˇema body. Za prv´e s maxim´aln´ım povolen´ym (celkov´ym) proudem AVR, coˇz je v u ATMega16 200 mA. Za druh´e nesm´ıme pˇrekroˇcit maxim´aln´ı proud, povolen´y pro LED diody, kter´e jsme zvolili v´yˇse. Jelikoˇz maxim´aln´ı povolen´y proud AVR je 200 mA a ovl´ad´ame 16 vˇetv´ı pro LED diody, vych´az´ı mezn´ı proud na jednu v´ystupn´ı linku AVR 12,5 mA. LED diody sv´ıt´ı, pokud je na pˇr´ısluˇsn´e v´ystupn´ı lince AVR stav logick´e 1 (vysok´a u ´ roveˇ n napˇet´ı). V LED kostce jsou pouˇzity modr´e vysoce sv´ıtiv´e diody, u kter´ych pˇri anodov´em proudu 10 mA vznik´a u ´ bytek napˇet´ı 3,5 V. Aby nedoˇslo k proudov´emu pˇret´ıˇzen´ı v´ystupn´ıch linek AVR a z´aroveˇ n i k poˇskozen´ı pˇr´ıpojen´ych LED diod, mus´ı b´yt v kaˇzd´e vˇetvi zapojen omezovac´ı rezistor. Protoˇze stav logick´e 1 AVR (rozsv´ıcen´ı LED diody) odpov´ıd´a 5 V a u ´ bytek napˇet´ı na sv´ıt´ıc´ı LED diodˇe je 3,5 V, je pˇr´ısluˇsn´y u ´ bytek napˇet´ı na omezovac´ım rezistoru 1,5 V. Pˇri anodov´em proudu 10 mA pot´e z Ohmova z´akona vych´az´ı odpor tohoto rezistoru na hodnotu 150 ohm˚ u. Tuto hodnotu lze spoˇc´ıtat z n´asleduj´ıc´ıho vzorce: R=
3.3
UAVR − ULED 5 V − 3,5 V = = 150 Ω ILED 0,01 A
Desky ploˇsn´ ych spoj˚ u
Desky ploˇsn´ych spoj˚ u jsou desky v elektronice pouˇz´ıvan´e pro mechanick´e uchycen´ı a vz´ajemn´e propojen´ı souˇc´astek (Tkotz, K. a kol., 2006). N´avrhy DPS jsou na obr´azc´ıch 3.1(a), 3.1(b) a v pˇr´ıloze E.
9
KAPITOLA 3. TVORBA 3D LED KOSTKY
Prvotn´ı n´avrh zahrnoval pouze jednu vˇetˇs´ı DPS, na kter´e by byla um´ıstˇena jak krychlov´a konstrukce z LED diod, tak cel´a ˇr´ıdic´ı ˇc´ast 3D LED kostky s mikroprocesorem. Tento n´avrh byl po konzultaci nahrazen variantou, kter´a zahrnuje dvˇe DPS, kde je jedna DPS pouˇzita pouze pro krychlovou konstrukci z LED diod a na druh´e DPS je mikroprocesor ATMega16 se vˇsemi ostatn´ımi souˇc´astkami. DPS jsou um´ıstˇeny nad sebou, oddˇeleny distanˇcn´ımi sloupky. Anody LED diod z horn´ı DPS jsou pˇripojeny za rezistory na v´ystupech AVR a katody LED diod jsou pˇripojeny k tranzistor˚ um. D´ıky tomuto ˇreˇsen´ı je cel´a 3D LED kostka mnohem menˇs´ıch rozmˇer˚ u.
(a) DPS pro ˇr´ıdic´ı ˇca´st
(b) DPS pro konstrukci LED diod
Obr´azek 3.1: N´avrhy DPS pro 3D LED kostku
3.3.1
V´ yroba DPS
Navrˇzenou desku je nutn´e vyrobit pˇresnˇe a peˇclivˇe, aby vˇsechny cesty sedˇely a nesl´evaly se. Postup pˇri v´yrobˇe DPS je n´asleduj´ıc´ı: • V programu Eagle byly vytvoˇreny n´avrhy DPS, kter´e jsou na obr´azku 3.1. • Z programu Eagle byly vyexportov´any motivy ploˇsn´ych spoj˚ u v mˇeˇr´ıtku 1:1 s rozliˇsen´ım 600 dpi. Takto vysok´e rozliˇsen´ı je nutno pouˇz´ıt z d˚ uvodu dosaˇzen´ı dostateˇcn´e kvality v´ysledn´ych DPS. • Soubory s vyexportovan´ymi motivy ploˇsn´ych spoj˚ u byly naˇcteny do pamˇeti laserov´eho grav´ırovac´ıho stroje.
KAPITOLA 3. TVORBA 3D LED KOSTKY
10
• Laserov´y grav´ırovac´ı stroj vyp´alil cesty ploˇsn´ych spoj˚ u do cuprextitov´ych desek, kter´e byly pˇredem pokryty syntetickou barvou. • Pot´e byly desky vylept´any v roztoku chloridu ˇzelezit´eho. • Desky byly oˇciˇstˇeny od zbytku chloridu ˇzelezit´eho, aby byl proces lept´an´ı zastaven. • N´aslednˇe byla z desek odstranˇena vrstva ochrann´e syntetick´e barvy, povrch desek bych oˇciˇstˇen hadˇr´ıkem namoˇcen´ym v lihu a pot´e oˇsetˇren roztokem kalafuny v lihu z d˚ uvodu snaˇzˇs´ı p´ajitelnosti. • Nakonec byly DPS osazeny pˇr´ısluˇsn´ymi souˇc´astkami.
3.4
ˇ Casov´ e multiplexov´ an´ı
Multiplexov´an´ı je metoda pro souˇcasn´y pˇrenos nˇekolika datov´ych proud˚ u po jedn´e cestˇe bez ztr´aty identity jednotliv´ych sign´al˚ u (Rouse, M., 2015). Ovl´adat kaˇzdou z 64 LED diod zvl´aˇst’ by bylo moˇzn´e ˇreˇsit pˇriveden´ım vodiˇce ke kaˇzd´e anodˇe LED diody zvl´aˇst’. Toto ˇreˇsen´ı je velice sloˇzit´e a nepraktick´e. Podle (Instructables, 2008) si kostku rozdˇel´ıme do 4 vrstev po 16 LED diod´ach. Ve vertik´aln´ıch os´ach LED diody (4 LED diody) sd´ıl´ı kladn´y n´aboj - anoda (+). Cel´e vodorovn´e vrstvy (16 LED diod) sd´ıl´ı spoleˇcn´y z´aporn´y n´aboj - katoda (-). Jednotliv´e vrstvy se pot´e rozsvˇecuj´ı nap´ajen´ım urˇcit´e katody (v´ybˇer vrstvy) a urˇcit´eho vertik´aln´ıho sloupce (v´ybˇer LED diody ve vrstvˇe). M˚ uˇzeme rozsv´ıtit pouze jednotlivou LED diodu, vrstvu, nebo vertik´aln´ı sloupec. Tento probl´em lze vyˇreˇsit tak, ˇze v jeden moment bude sv´ıtit pouze jedna vrstva 3D LED kostky, frekvence rozvˇecov´an´ı bude vˇsak tak vysok´a, ˇze lidsk´e oko nepozn´a, ˇze LED diody problik´avaj´ı. Stejn´eho principu se vyuˇz´ıv´a napˇr. v kinematografii.
3.5
V´ yvojov´ e diagramy
V t´eto kapitole jsou zn´azornˇeny v´yvojov´e diagramy program˚ u pro efekty 3D LED kostky. V´yvojov´y diagram je grafick´e zn´azornˇen´ı pˇresn´eho postupu pro vyˇreˇsen´ı dan´eho u ´ konu v programov´an´ı. Jednotliv´e kroky se zn´azorˇ nuj´ı vz´ajemnˇe propojen´ymi grafick´ymi ˇ symboly, kter´e jsou uvedeny v normˇe CSN 36 9030.
11
KAPITOLA 3. TVORBA 3D LED KOSTKY
3.5.1
Padaj´ıc´ı kapky
Na obr´azku 3.2 je v´yvojov´y diagram programu padaj´ıc´ı kapky 2.2.2. Tento program n´ahodnˇe rozsv´ıt´ı LED diodu na horn´ı stˇene kostky, ta n´aslednˇe steˇce“ na jej´ı spodn´ı ” stˇenu. Dle v´yvojov´eho diagramu je vidˇet, ˇze programu zad´ame dan´y poˇcet opakov´an´ı, pot´e program rozsv´ıt´ı n´ahodnˇe LED diodu na horn´ı vrstvˇe LED kostky, d´ale je zde cyklus, kter´y n´am posune kapku o pozici n´ıˇze a dalˇs´ı cyklus, kter´y posouv´a vˇsechny vstvy, aby mohlo padat v´ıce kapek najednou. Ve chv´ıli, kdy dos´ahneme poˇzadovan´eho poˇctu opakov´an´ı, se program ukonˇc´ı. V horn´ı ˇc´asti je posun LED diody pomalejˇs´ı, ve spodn´ı rychlejˇs´ı. Toto tvoˇr´ı dojem padaj´ıc´ı kapky. START
init
Zhasnutí kostky
opakování i = 0; i < iterations; i++
náhodné rozsvícení LEDky v horní vrstvě kostky
pozice kapky na ose Z p=1;p<4;p++
posunutí všech vrstev o jednu dolu z=0;z<3;z++
y=0;y<4;y++ zhasnutí kostky vyčistit horní vrstvu
pozice Z = pozice Z+1
zpoždění
STOP
Obr´azek 3.2: V´ yvojov´ y diagram pro padaj´ıc´ı kapky
12
KAPITOLA 3. TVORBA 3D LED KOSTKY
3.5.2
L´ etaj´ıc´ı stˇ ena
Na obr´azku 3.3 je v´yvojov´y diagram programu padaj´ıc´ı kapky 2.2.1. Tento program, jak m˚ uˇzeme vidˇet na v´yvojov´em diagramu, nejprve zhasne celou kostku, pot´e pomoc´ı funkce setplane rozsv´ıt´ı n´ahodnˇe jednu stˇenu kostky. N´asleduje opakov´an´ı, ve kter´em jsou pouˇzity funkce getvoxel 3.5.3 a sendvoxel 3.5.3. Funkce getvoxel najde LED diodu, kter´a sv´ıt´ı a funkce sendvoxel j´ı poˇsle na protˇejˇs´ı stranu kostky. Ve chv´ıli, kdy funkce getvoxel nenalezle na stˇenˇe ˇz´adnou rozsv´ıcenou LED diodu, opakov´an´ı je ukonˇceno.
START
init
Zhasnutí kostky
funkce setplane
LOOP
x = náhodé číslo do 4
y = náhodé číslo do 4
NO
konec LOOPu
getvoxel (x,y,z) > 0
YES
sendvoxel_z(x,y,z,delay)
zpoždění
Obr´azek 3.3: V´ yvojov´ y diagram pro l´etaj´ıc´ı stˇenu
13
KAPITOLA 3. TVORBA 3D LED KOSTKY
3.5.3
Podprogramy
Pro pˇrehlednost program˚ u jsou pouˇzity podprogramy, jinak tak´e funkce, kter´e jsou z hlavn´ıch program˚ u vol´any. Lze je volat opakovanˇe, a to i z r˚ uzn´ych m´ıst k´odu. D˚ uleˇzit´e je podprogramu poslat spr´avn´e parametry. Funkce getvoxel Tato funkce v rozmez´ı zadan´ych hodnot vrac´ı stavy jednotliv´ych LED diod. Funkci se musej´ı zadat parametry (x,y,z), to jsou maxim´aln´ı souˇradnice, do kter´ych budou LED diody kontrolov´any. V pˇr´ıpadˇe, ˇze LED dioda na dan´e pozici sv´ıt´ı, vr´at´ı program 0x01, v opaˇcn´em pˇr´ıpadˇe vr´at´ı 0x00. Funkce sendvoxel Na n´asleduj´ıc´ım obr´azku je zobrazen v´yvojov´y diagram pro funkci sendvoxel. Tato funkce m´a za u ´ kol pˇresun rozsv´ıcen´e LED diody z jedn´e strany kostky na druhou (tj. pokud sv´ıt´ı LED dioda na spodn´ı stˇenˇe kostky, funkce pˇresune LED diodu skrze kostku na jej´ı horn´ı stˇenu). sendvoxel_z
int i, ii
posun LEDky for (i=0; i<4; i++)
NO
z == 3
YES
ii = i
ii = 3 - i
zhasne LEDku na pozici clrvoxel(x,y,ii-1)
zhasne LEDku na pozici clrvoxel(x,y,ii+1)
rozsvítí LEDku na pozici setvoxel(x,y,ii)
zpoždění
Obr´azek 3.4: V´ yvojov´ y diagram pro funkci sendvoxel
Kapitola 4 Konstrukce 3D LED kostky V t´eto kapitole je pops´ana cel´a konstrukce krychle z LED diod. Nejprve samotn´a tvorba ˇsablony pro konstrukci a n´asledn´a tvorba jednotliv´ych vrstev kostky, jejich spojen´ı do krychle a pˇripojen´ı k DPS.
4.1
ˇ Sablona
Pro kvalitn´ı a pˇresn´e zkonstruov´an´ı krychle z LED diod bylo nutn´e pouˇz´ıt ˇsablonu. Ta byla vyrobena n´asledn´ym zp˚ usobem. Nejprve byla vybr´ana vhodn´a dˇrevotˇr´ıskov´a deska, na kter´e byly pˇresnˇe nar´ysov´any rozmˇery pro vrstvu kostky, viz obr. 4.1.
Obr´azek 4.1: Pˇripraven´ a deska pro ˇsablonu
14
KAPITOLA 4. KONSTRUKCE 3D LED KOSTKY
15
Do dˇrevotˇr´ıskov´e desky bylo n´aslednˇe vyvrt´ano 20 otvor˚ u. Z toho 16 otvor˚ u pro LED diody a 4 otvory pro upevnˇen´ı leˇsen´ı, kter´e bude pˇridrˇzovat jednotliv´e vrstvy kostky pˇri jejich spojov´an´ı, viz obr. 4.2. Velikost otvoru pro LED diodu je 5 mm, aby dioda sedˇela a bylo tak snadnˇejˇs´ı ji pˇrip´ajet k ostatn´ım.
Obr´azek 4.2: Hotov´a ˇsablona pro konstrukci
4.2
Tvorba vrstev
Katody LED diod byly ohnuty, aby je bylo moˇzn´e spojit. Cel´a vrstva m´a tedy katody spoleˇcn´e. Anody LED diod z˚ ust´avaj´ı rovnˇe, tˇemi jsou n´aslednˇe spojeny vrstvy kostky k sobˇe. Nejprve do ˇsablony zasuneme LED diody, kter´e tvoˇr´ı strany vrstvy, ty spoj´ıme a n´aslednˇe pˇrid´ame ostatn´ı LED diody tvoˇr´ıc´ı celou vrstvu, viz obr. 4.3.
KAPITOLA 4. KONSTRUKCE 3D LED KOSTKY
16
Obr´azek 4.3: Konstrukce vrstvy
Hotov´a vrstva je opatrnˇe vyjmuta ze ˇsablony. Tyto vrstvy se vytvoˇr´ı ˇctyˇri a n´aslednˇe jsou spojeny dohromady a budou tvoˇrit celou krychli, viz obr. 4.4. D˚ uleˇzit´e je LED diody nevystavovat vysok´e teplotˇe moc dlouho. Citlivost LED diod je vysok´a, a tak by se LED dioda pomˇernˇe snadno zniˇcila. Jednotliv´e vrstvy je dobr´e jeˇstˇe zpevnit tak, ˇze jsou katody spojeny vodiˇcem i na druh´e stranˇe.
Obr´azek 4.4: Hotov´e verstvy kostky
KAPITOLA 4. KONSTRUKCE 3D LED KOSTKY
4.3
17
Konstrukce krychle
Hotov´e vrstvy z LED diod jsou n´aslednˇe sp´ajeny pomoc´ı kovov´eho leˇsen´ı, kter´e je pˇridrˇzuje, aby byla konstrukce snaˇzˇs´ı a pˇresnˇejˇs´ı, viz obr. 4.5.
Obr´azek 4.5: Spojov´an´ı vrstev
Vznikne tak krychle z LED diod, kde jsou 4 vrstvy se spoleˇcn´ymi katodami a 16 sloupc˚ u se spoleˇcn´ymi anodami, viz obr. 4.6. Toho je pot´e vyuˇzito v programu. K rozsv´ıcen´ı vybran´e LED diody dojde tak, ˇze je nap´ajena vrstva a sloupec, ve kter´em se dioda nach´az´ı. Hotov´a krychle je nap´ajena na DPS a spojena s ˇr´ıdic´ı deskou.
Obr´azek 4.6: Hotov´a krychle
Kapitola 5 Z´ avˇ er C´ılem t´eto pr´ace je navrhnout, zkonstruovat a oˇzivit 3D LED kostku, coˇz je krychle zkonstruovan´a z LED diod, kter´e jsou rozdˇeleny do jednotliv´ych vrstev a sloupc˚ u, ovl´adan´a deskou ploˇsn´eho spoje, na kter´e je mikroprocesor ATmega16. Tato kostka bude slouˇzit jako didaktick´a pom˚ ucka a objekt pro prezentov´an´ı ˇskoly. Nejprve bylo pops´ano, co je to 3D LED kostka a kde se s podobn´ymi technologiemi setk´av´ame. D´ale bylo uvedeno, kdo se touto problematikou jiˇz dˇr´ıve zab´yval, k jak´ym v´ysledk˚ um dospˇel a jak´e bude vyuˇzit´ı pro model 3D LED kostky. N´asleduje popis principu 3D LED kotky, kde je pops´ano, jak cel´a kostka pracuje a jak´eho principu je vyuˇzito k jej´ı funkˇcnosti. Pops´ano je nˇekolik z´akladn´ıch efekt˚ u, se kter´ymi se m˚ uˇzeme u 3D LED kostek setkat a popisy jsou doplnˇeny demonstraˇcn´ımi obr´azky. D´ale jsou pops´any nejd˚ uleˇzitˇejˇs´ı souˇc´astky, kter´e jsou nutn´e pro spr´avnou funkˇcnost modelu v dan´em projektu. N´asleduj´ıc´ım krokem byla tvorba fyzick´e konstrukce 3D LED kostky. Bylo navrˇzeno sch´ema zapojen´ı jak ˇr´ıdic´ı desky, tak desky pro krychli z LED diod. N´aslednˇe byly zkontrolov´any a vybr´any vhodn´e souˇc´astky, pˇredevˇs´ım LED diody, u kter´ych byla nutn´a vysok´a sv´ıtivost a rezistory, kter´e omezuj´ı elektrik´y proud tekouc´ı z mikroprocesoru do LED diod. D´ale byly navrˇzeny a n´aslednˇe vyrobeny desky ploˇsn´ych spoj˚ u. Pot´e byl pops´an princip ˇcasov´eho multiplexov´an´ı, vytvoˇreny v´yvojov´e diagramy pro programy efekt˚ u 3D LED kostky, bylo struˇcnˇe pops´ano, co jsou to podprogramy a kter´e byly pouˇzity pr´avˇe pro tento model. Na z´avˇer je pops´ana tvorba cel´e krychlov´e konstrukce z LED diod, tvorba a pouˇzit´ı dˇrevˇen´e ˇsablony s kovov´ym leˇsen´ım pro snadnˇejˇs´ı pr´aci pˇri konstruov´an´ı krychle z LED diod. D´ale tak´e poznatky a rady z p´ajen´ı LED diod pˇri vysok´e teplotˇe, kter´a je pˇri p´ajen´ı nezbytn´a. 18
´ ER ˇ KAPITOLA 5. ZAV
19
V n´aslednuj´ıc´ıch bodech jsou struˇcnˇe shrnuty splnˇen´e body, kter´e jsou v zad´an´ı AP. 1. Byl pops´an z´akladn´ı princip 3D LED kostky a pouˇz´ıvan´e souˇc´astky. 2. Bylo navrˇzeno obvodov´e zapojen´ı hardwaru 3D LED kostky. 3. Byly vytvoˇreny v´yvojov´e diagramy a ˇr´ıdic´ı programy pro realizaci vybran´ych svˇeteln´ych efekt˚ u. 4. Byla zkonstruov´ana cel´a 3D LED kostka. 5. Byla laboratornˇe ovˇeˇrena spr´avn´a funkˇcnost 3D LED kostky.
Literatura ˇ SS, ˇ COP SeziDezort, M. (2015), Hardware 3D LED kostky, (Maturitn´ı pr´ace), VOS, ´ ı, Sezimovo Ust´ ´ ı. movo Ust´ Instructables (2008), Instructables – LED Cube 4x4x4 [online]. [cit. 2015-04-20], hhttp://www.instructables.com/id/LED-Cube-4x4x4i. Rouse, M. (2015), Time-division multiplexing (TDM) [online]. [cit. 2015-04-20], hhttp://whatis.techtarget.com/definition/time-division-multiplexing-TDMi. Schenk, C. (2009), MiKTeX [online]. [cit. 2009-06-16], hhttp://www.miktex.org/i. Tkotz, K. a kol. (2006), Pˇr´ıruˇcka pro elektrotechnika, Europa-Sobot´ales cz. ISBN 80-86706-13-3.
20
Pˇ r´ıloha A Obsah pˇ riloˇ zen´ eho CD/DVD K t´eto pr´aci je pˇriloˇzeno CD/DVD s n´asleduj´ıc´ı adres´aˇrovou strukturou. • Absolventsk´ a pr´ ace v LATEX2e • Datasheety vˇ sech souˇ ca ´tek • Fotodokumentace • N´ avrhy DPS • Sch´ ema zapojen´ ı elektroniky • Fort AP 2015 2016.pdf - absolventsk´a pr´ace ve form´atu PDF
I
Pˇ r´ıloha B Pouˇ zit´ y software CorelDRAW hhttp://www.corel.com/cs/i EAGLE hhttp://www.cadsoftusa.com/download-eagle/i LATEX 2ε hhttp://www.miktex.org/i TeXstudio hhttp://http://www.texstudio.org/i Software z v´yˇse uveden´eho seznamu je bud’ volnˇe dostupn´y, nebo jeho licenci toho ˇcasu vlastn´ı Vyˇsˇs´ı odborn´a ˇskola, Stˇredn´ı ˇskola, Centrum odborn´e pˇr´ıpravy, Sezimovo ´ ı, Budˇejovick´a 421, kde autor t´ehoˇz ˇcasu studoval a vytvoˇril tuto absolventskou pr´aci. Ust´
II
Pˇ r´ıloha C ˇ Casov´ y pl´ an absolventsk´ e pr´ ace ˇ Cinnost
ˇ Casov´ a
Term´ın
n´ aroˇ cnost
ukonˇ cen´ı
Splnˇ eno
n´avrh sch´eme el. zapojen´ı
3 t´ydny
25.09.2015 17.10.2015
tvorba seznamu souˇc´astek, cenov´a kalkulace
3 t´ydny
30.10.2015 04.12.2015
objedn´an´ı a dod´an´ı souˇc´astek
2 mˇes´ıc
29.01.2016 21.03.2016
AP: teoretick´a“ ˇc´ast ” konstrukce: n´avrh DPS
2 t´ydny
29.01.2016 10.04.2016
1 mˇes´ıc
05.02.2016 10.02.2016
konstrukce: V´yroba a osazen´ı DPS
3 t´ydny
04.03.2016 28.04.2016
tvorba v´yvojov´ych diagram˚ u efekt˚ u kostky
3 t´ydny
14.03.2016 20.03.2016
realizace program˚ u kostky
1 mˇes´ıc
21.03.2016 25.03.2016
AP: praktick´a“ ˇc´ast ”
15.04.2016 04.05.2016
III
Pˇ r´ıloha D Sch´ ema zapojen´ı
Obr´azek D.1: Elektrick´e sch´ema zapojen´ı ˇr´ıd´ıc´ı desky
IV
Pˇ r´ıloha E N´ avrhy desek ploˇ sn´ ych spoj˚ u
(a) Osazovac´ı pl´an pro ˇr´ıdic´ı desku
(b) Osazovac´ı pl´an pro desku konstrukce
Obr´azek E.1: Osazovac´ı pl´ any pro DPS
V
ˇ ´ILOHA E. NAVRHY ´ ˇ YCH ´ ˚ PR DESEK PLOSN SPOJU
(a) Pl´ an propojek pro ˇr´ıdic´ı desku
(b) Pl´an propojek pro desku konstrukce
Obr´azek E.2: Pl´ any propojek pro DPS
VI
Pˇ r´ıloha F Rozpoˇ cet projektu N´asleduj´ıc´ı tabulka uv´ad´ı finanˇcn´ı rozpoˇcet modelu zahrnuj´ıc´ı n´akupy jednotliv´ych souˇc´ast´ı. Ceny jsou uvedeny vˇcetnˇe DPH. Tabulka F.1: Finanˇcn´ı rozpoˇcet projektu
Komponenta
Kus˚ u Cena za kus
Cena celkem
Kondenz´ator CE 1000 uF / 25 V
2
16,80,-
33,60,-
Kondenz´ator CE 10 uF / 25 V
2
0,40,-
0,80,-
Kondenz´ator CT 10 uF / 25 V
2
14,80,-
29,60,-
Kondenz´ator CK 22 pF / 50 V
7
16,10,-
112,70,-
LED 5 mm RED
1
2,60,-
2,60,-
LED 5 mm GREEN
1
3,90,-
3,90,-
LED 5 mm BLUE
67
3,50,-
235,-
Rezistor 150R / 0,25 W
20
2,60,-
52,-
Rezistor 470R / 0,25 W
2
2,60,-
5,20,-
Rezistor 2K2 / 0,25 W
6
2,60,-
15,60,-
Rezistor 10K / 0,25 W
2
2,60,-
5,20,-
Mikrosp´ınaˇc do DPS
2
3,50,-
7,-
Krystal HC49/S 14,7456MHz
1
6,70,-
6,70,-
ATmega16 ATMEL
1
100,-
100,-
Celkem
-
-
610,-
Tabulka obsahuje zkratky: CE – elektroliztick´y hlin´ıkov´y kondenz´ator, CT – elektroliztick´y tantalov´y kondenz´ator, CK – elektroliztick´y keramick´y kondenz´ator. VII
