Download - Implementacion de un Cubo Led RGB 8x8x8
Abstract—One of the most important things in the word is the
color, a diode LED RGB gives many colors into of visible light.
A RGB has three cathodes and an anode, when turn on more of
a cathode results a different color, also is possible to get many
colors with a PWM. In this paper shows an application with diode
LED RGB, a Cube 8x8x8 of them, with control of him.
Index Terms—Cube, RGB, microcontroller, shift register,
clock, saturation.
I. INTRODUCCIÓN
ODO cuanto nos rodea es color, es una sensación que agrega
emoción a nuestras vidas. Desde la ropa que se usa, las
pinturas que se admiran, están envueltas en color, es definitivo,
la ausencia del mismo haría de nuestro mundo un lugar menos
hermoso.
Es gracias a la luz que existe el color, es por eso que para
entender al color hay que entenderla. La luz básicamente está
formada por longitudes de onda a distintas frecuencias y
nuestros ojos solo pueden detectar una pequeña porción del
espectro de energía electromagnética, a esto se le conoce como
espectro de luz visible.
Si a la porción del espectro de luz se la dividiera en tres partes
los colores que predominarían serian el rojo, verde y azul. Estos
colores son considerados los colores primarios aditivos del
espectro de luz visible.
Un sistema de color aditivo involucra luz emitida
directamente de una fuente, antes de que un objeto refleje la luz.
La producción de una amplia gama de colores es el resultado de
una mezcla de distintas cantidades de luz de color rojo, verde y
azul. Las combinaciones de los colores primarios aditivos dan
como resultado los colores secundarios aditivos: cyan, magenta,
amarillo.
El resultado de combinar los tres colores primarios en
proporciones idénticas da origen al color blanco.
Los monitores de la televisión y del computador crean los
colores de sus imágenes usando los colores primarios de la luz.
Cada pixel de las pantallas empieza como negro. Cuando los
fósforos rojo, verde y azul de un pixel son iluminados
simultáneamente, permite que el pixel llegue a ser blanco. Este
fenómeno es llamado color aditivo.
II. DESCRIPCIÓN DE UN LED RGB
Un RGB es un diodo LED que tiene tres
semiconductores, cada uno con un color diferente. Los colores
son los colores primarios del espectro de luz visible, rojo,
verde y azul. Si se controla esta combinación de colores, se
puede obtener una amplia gama de colores en LEDs.
Un RGB bastante difundido es el que tiene 4 patas, como se
ve en la figura 1, donde se tiene tres catados (Rojo, verde y
azul) y un ánodo.
Fig. 1. RGB de 4 patas. Consta de 3 cátodos y un ánodo el cual es común.
A. Conexión de un RGB
Para conectar un RGB al igual que un diodo de uso general
es importante polarizarlo correctamente, adicionalmente para el
caso de un RGB se debe considerar los voltajes y corrientes con
los que se le debe polarizar para que funcione adecuadamente,
entiéndase por adecuadamente al hecho de que muestre la
intensidad luminosa afín.
Generador de Imágenes 3D en un Cubo LED
RGB 8x8x8
Katherine Aro, Estudiante, EPN, Gabriela Gamboa, Estudiante, EPN, Leandro Gualpa, Estudiante
EPN, Edgar Pavón, Estudiante EPN, Karla Portilla, Estudiante, EPN, y Víctor Santos, Estudiante,
EPN
T
Cuando se requiere hacer funcionar una cantidad
considerable de RGB, los cuales normalmente se conectarán en
paralelo por obvias razones, es importante tomar en
consideración principalmente la corriente que puede
suministrar la fuente.
En la siguiente tabla se muestran los requerimientos para que
un RGB funcione óptimamente.
B. Control de los colores de un RGB
El control de los colores de un RGB se lo consigue de las
siguientes maneras: Para conseguir colores secundarios
basta con combinar dos cátodos del RGB, sin embargo, si se
desea una gama más amplia de colores, esto se lo consigue
a través de distintos valores de corriente media que circulan
por cada uno de los cátodos y esto se traduce en una señal
PWM.
III. MATERIALES.
512 RGBs
Alambre de acero
1 fuente de 12V
1 Microcontrolador (ATMEGA 164P)
24 74LS164
8 Transistores TIP 127
8 resistencias de 10KΩ
8 resistencias de 330Ω
Cautín
Estaño
Crema para soldar
Acido férrico
Baquelita
Taladro
Madera
Silicón
Cables tipo macho hembra
Regla de 30 cm
IV. DISEÑO DEL SISTEMA IMPLEMENTADO
El Sistema que se implementó consto de las siguientes
etapas.
A. Construcción del Cubo de LEDs RGB
El Cubo tiene 8 caras cada una con 8 LDs RGB por lado,
dando como resultado un cubo de 512 LDs RGB.
Dado que estaba claro que se quería hacer primero se hizo la
construcción del mismo para posteriormente prestar el interés
necesario al diseño de la parte electrónica la cual consta de una
parte de potencia y una de control.
El proceso en la construcción de la maqueta fue el siguiente:
1) Una vez que se reunieron los materiales requeridos para
armar el cubo (LEDs RGB, alambre galvanizado, un cautín,
estaño y una regla de 30 cm). Se procedió a conectar una fila de
8 LEDs RGB estañando cada uno de los ánodos a un segmento
de alambre galvanizado cuidado distancias entre ellos con
ayuda de la regla. Esto se puede apreciar en la figura 2. Este
Proceso se llevó a cabo 7 veces más, para finalmente tener 8
filas de LEDs RGB.
Fig. 2. Conexión de los ánodos de 8 LEDs RGB.
2) Con 8 filas ya terminadas lo que se procedió a realizar fue
conectar en paralelo los cátodos de color rojo, de una fila con
las otras siete, el mismo procedimiento se realizó para el cátodo
de color azul y para el de color verde, sin deja a un lado el
ánodo, guardando la distancia entre ellos de igual manera con
una regla. Este proceso se puede evidenciar en la figura 3 y en
la figura 4.
TABLE I
VOLTAJES Y CORRIENTES ÓPTIMAS
Color del LED Corriente [mA] Voltaje [V]
Rojo 20mA
2.1
Verde
20mA
3.3
Azul
20mA
3.3
En esta tabla se muestra las Corrientes y Voltajes que permiten que el RGB
tenga una intensidad luminosa adecuada para sus colores.
Fig. 3. Se puede notar que conectadas las 8 filas siempre se trata de mantener
la misma distancia entre cada una de ellas.
Fig. 4. Conexión de las 8 filas de LEDs RGB.
3) El proceso 2) se realizó por 7 veces mas. Una vez que ya se
tuvo las 8 caras ahora con ayuda de un soporte de madera se
procedió, en primera instancia con un taladro a perforar en las
posiciones precisas 4 orificio por cada 8 columnas que tiene
cada cara.
Este proceso se lo realizo por 7 veces más y el resultado fue
el cubo que se tiene actualmente. El resultado se puede observar
en la figura 5.
Fig. 5. Resultado obtenido luego de haber terminado las 8 caras y haberlas
ubicado adecuadamente en soporte de madera. (Cambiar imagen)
B. Diseño Electrónico
1) Hardware
1.1 ) Análisis de entradas y salidas
Considerando la cantidad de pines que se tiene del cubo de
LEDs RGB se optó por un barrido el cual básicamente, permite
ahorrar una cantidad considerable de pines que se tendría que
manejar con un microcontrolador.
Sin embargo, aun considerando el barrido la cantidad de
pines que tenía que controlar un microcontrolador era
extremadamente grande, por lo que se decidió finalmente usar
registros de desplazamientos en este caso en particular se usó el
74LS164.
A través de esta decisión ya se podía dimensionar
adecuadamente a un microcontrolador.
TABLA II
ANÁLISIS DE ENTRADAS Y SALIDAS
Salidas Entradas Descripcion
8 0
Control de las filas
8
0
Control de las caras a
través de los registros de
desplazamientos.
1
0 Senal del clock
1 1 Comunicacion serial
20 1 Total
21
En esta tabla se muestra un análisis de las entradas y salidas que se van a
requerir de un microcontrolador.
Se decide escoger un microcontrolador ATMEGA 328
considerando la catidad de pines que se van a requerir y las
prestaciones que ofrece el mismo como por ejemplo un módulo
interno para poder realizar la comunicación serial que también
es requerida.
Por lo tanto, sobran 7 pines los cuales pueden ser de utilidad
para una implementación futura adicional.
1.2) Circuito a implementarse
Anexo 1 (Imprimir circuito en un formato A3)
1.3) Dimensionamiento de los Elementos del Circuito
1.3.1) Etapa de Control de las Caras (Barrido)
Se escogió el TIP 127 porque puede manejar una corriente
de colector en saturación de hasta 3[A] cuando la corriente
de base es de 12 mA, esto debido a que al tener 64 LEDs
RGB por cara que se van a estar barriendo en las peores
condiciones van consumir mucha corriente, como se detalla
a continuación.
Debido a que un RGB necesita 20 [mA], circulando por el
en polarización directa en las peores condiciones del barrido
se necesitara la siguiente corriente.
Imax = 20mA x 64 = 1.2 [A]
Fig. 6 Etapa para la sección de caras del cubo que se barren.
Los cálculos de las resistencias se detallan a continuación.
La corriente para que el transistor se sature es igual a 12mA
circulando por base con un factor de seguridad de 1.2 se tiene
una corriente de 14.4mA.
14.4𝑚𝐴 =7𝑉
𝑅𝐵
𝑅𝐵 = 486 𝛺
Se escoge una resistencia de 330 Ω porque de esta manera
se asegura la saturación.
La resistencia de 10KΩ conectada a base emisor es una
recomendación empírica para mejorar el switcheo.
Adicionalmente, cabe mencionar que se utilizó un transistor
PNP para que sea la fuente la provea de corriente al sistema de
LEDs RGB por lo cual la fuente también tiene que ser
dimensionada, considerando la corriente Imax que ya se
calculó.
1.3.3) Selección de los registros de desplazamiento.
La selección de los registros de desplazamiento básicamente
depende del voltaje máximo con el que pueden trabajar ya que
estos serán los que den el voltaje de polarización a los
transistores de potencia que se está utilizando (TIP 122)
2) Software
2.1) Diagrama de flujo
2.2) Código
El código que se empleo es lenguaje de alto nivel (C), esto
principalmente porque el especio de memoria que se requería
para el código era lo suficientemente pequeño como para
requerir programar en lenguaje Ensamblador, al igual que no
hay problema con los tiempos que se maneja en la ejecución de
cada instrucción.
Anexo 1
V. SIMULACIONES
Anexo 2
VI. IMPLEMENTACIÓN DEL HARDWARE
A. Diseño de las Placas
Una vez que ya se tuvo el diseño del hardware se procedió
a diseñar las placas las cuales fueron ruteados con ayuda del
software ARES, una plataforma que es un complemento de
ISIS Proteus.
El enrutamiento se puede ver en la figura 8.
Fig. 7 Proceso de planchado para pasar la pista ruteada a la baquelita.
Fig. 8 El enrutamiento se puede observar que ya fue debidamente
planchado a la baquelita.
En la figura 9 se puede apreciar el proceso que se llevó a
cabo para quitar el cobre de las placas.
Fig. 9 En esta figura se puede ver como las placas ya se encuentran en el
ácido para quitar el cobre que no es necesario para la pista.
En la figura 10 se pueden observar a las palcas una vez que
fueron extraídas del ácido. Se debe estar pendientes de las
mismas ya que no hay un tiempo fijado para retirarlas ya que
dependen de algunos factores como para que el cobre se
retire con más o menos rapidez como por ejemplo
temperatura o cantidad del ácido férrico.
Fig. 10 Resultado de las baquelitas luego de salir del ácido.
Una vez que las pistas de las baquelitas ya estaban listas
se procedió a perforar los huecos donde debían ir los pines
de cada integrado como se puede apreciar en la figura 11.
Fig. 11 Perforación de la baquelita para ubicar los elementos.
En la figura 12 se puede ver que una vez que se terminó el
proceso de perforar y soldar los elementos se procedió a
limpiarlos con tañer, esto se lo hace porque al usar la crema
para soldar esta también puede conducir y puede existir
cortocircuitos.
Fig. 12 Limpiado de impurezas de la baquelita.
B. Adecuación de La Maqueta para Acoplarla al Circuito
electrónico
Para facilitar el proceso de conexión de la maqueta, fue
necesario poner extensiones de cables a la salida de como se
observa en la figura 13. Estos cables son macho-hembra y
fueron debidamente soldados.
Fig. 13 Conexión de cables macho –hembra a las terminales de la
maqueta.
El resultado de este proceso se puede apreciar en la
figura 14 donde ya todos los cables fueron conectados, los
mismos que permitirán conectar más fácil a al circuito
electrónico diseñado.
Fig. 14 Cables macho – hembra conectados a las terminales
de la maqueta.
Una vez conectados debidamente las terminales macho-
hembra a las terminales de la maqueta, se procedió a formar
buses como se muestra en la figura 16, esto, en efecto para
facilitar en lo posterior las conexiones entre lo que sería el cubo
RGB, con la circuitería que permitirá controlarlo.
Fig. 15 Creación de buses para facilitar el proceso de conexión.
Fig. 16 Ensamblaje de la Maqueta al Circuito Electrónico
Fig. 17 Presentación finalmente de la maqueta.
VII. PRUEBAS DEL CUBO RGB IMPLEMENTADO
Fig. 18 Prueba 1
Fig. 19 Prueba 2
Fig. 20 Prueba 3
VIII. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS
Se pudo notar que para el desarrollo del proyecto gran
cantidad del tiempo se consume en el desarrollo de hardware.
En cuanto al software básicamente se tienen varias
funciones que permiten el barrido de las caras del cubo. Es
importante tener cuidado con la frecuencia con que se hace
el barrido para que la visualización sea la deseada.
IX. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Se concluye que una aplicación de los LEDs RGB
brinda una amplia comprensión de cómo se crean los
colores en una pantalla de televisor.
Se pudo notar que el dimensionamiento de los
transistores que permitirán el control de las caras en el
barrido es importante tanto para manejar la corriente de
saturación como para el voltaje necesario para los LEDs
RGB.
Se recomienda utilizar registros de desplazamiento para
el barrido ya que estos evitan el uso de una gran cantidad
de pines del microcontrolador.
Se recomienda hacer las pruebas necesarias para ajustar
la frecuencia de barrido y se pueda obtener los resultados
esperados.
Se recomienda hacer buses a las terminales del cubo
para facilitar el trabajo en cuanto a eficiencia de
conexiones y estética.
REFERENCES
[1] SOTOMAYOR, Nelson; Apuntes de la Asigantura de Control con
Microprocesadores; 2016.
[2] http://www.ledfacil.com.ar/LEDs%20RGB%20demo.pdf
[3] http://www.st.com/st-web-
ui/static/active/jp/resource/technical/document/application_note/CD001
57323.pdf
[4] http://www.areatecnologia.com/electronica/como-es-un-led.html
[5] https://www.rgbworld.com/color#add