Báo cáo bài tập lớn nhập môn kỹ thuật Điện thiết kế module Đèn led cube

Với khả năng lập trình linh hoạt, LED Cube có thể hiển thị các hiệu ứng ánh sáng phức tạp, mô phỏng hình ảnh 3D sống động và mang lại trải nghiệm thị giác độc đáo.. LED Cube hoạt động bằ

Hà Nam, ngày 11 tháng 01 năm 2025

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

-🙞🙞🙞🙞🙞 -BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN NHẬP MÔN KỸ THUẬT ĐIỆN

THIẾT KẾ MODULE ĐÈN LED CUBE

CBHD: PHÍ HOÀNG NHÃ

NHÓM : 2 SINH VIÊN:

NGUYỄN XUÂN HƯNG- 2024602516

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ LED CUBE VÀ ARDUINO…… 1

1.1 Giới thiệu về LED Cube………1

    1.1.1 LED Cube là gì? 2

    1.1.2 Sơ đồ khối……… 2

1.2 Nguyên lý hoạt động của LED Cube……….3

    1.2.1 Phân tầng (Lớp)……… 3

    1.2.2 Điều khiển tầng………3

    1.2.3 Quét tầng……… 4

    1.2.4 Điều khiển LED trong tầng……….4

    1.2.5 Lập trình……… 4

1.3 Ứng dụng của LED Cube……… 4

1.4 Các loại LED Cube phổ biến……….5

1.5 Lợi ích của LED Cube………6

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ MODULE LED CUBE……… 6

2.1 Quy trình thiết kế LED Cube……… 6

    2.1.1 Chuẩn bị linh kiện và dụng cụ……… 6

    2.1.2 Hàn LED thành khối 3D……… 6

    2.1.3 Thiết kế mạch điều khiển……… 7

2.2 Cấu trúc của LED Cube……… 7

2.3 Lựa chọn, chi tiết về linh kiện………8

    2.3.1 Arduino………8

    2.3.2 Phần mềm Arduino IDE……… 9

    2.3.3 Đèn LED……… 10

    2.3.4 Điện trở………10

    2.3.5 Arduino Nano……… 11

2.4 Thiết kế mạch……… 12

    2.4.1 Thi công mạch phần cứng……… 12

2.5 Các lưu ý trong quá trình thiết kế……… 15

KẾT LUẬN……… 16

TÀI LIỆU THAM KHẢO……… 17

LỜI NÓI ĐẦU

LED Cube là một cấu trúc ánh sáng ba chiều được tạo thành từ cácđèn LED sắp xếp theo dạng lưới không gian Với khả năng lập trình linh hoạt, LED Cube có thể hiển thị các hiệu ứng ánh sáng phức tạp,

mô phỏng hình ảnh 3D sống động và mang lại trải nghiệm thị giác độc đáo Đây là sự kết hợp thú vị giữa công nghệ và nghệ thuật, đượcứng dụng rộng rãi trong giải trí, giáo dục, nghệ thuật và nghiên cứu khoa học

Bài viết này nhằm giới thiệu tổng quan về LED Cube, từ nguyên lý hoạt động, cách chế tạo, đến các ứng dụng thực tiễn Đồng thời, chúng tôi sẽ đề cập đến các thách thức kỹ thuật thường gặp và

những giải pháp tối ưu để cải thiện hiệu suất Hy vọng bài viết không chỉ cung cấp thông tin hữu ích mà còn truyền cảm hứng sáng tạo cho những ai đam mê lĩnh vực công nghệ ánh sáng

Cùng khám phá thế giới đầy màu sắc và tiềm năng không giới hạn củaLED Cube!

Đây là lần đầu chúng em viết báo cáo nên không thể trách khỏi những thiếu xót, chúng em rất mong được nhận thêm những góp ý cải thiện từ thầy cô

Em xin chân thành cảm ơn!

Chương 1 GIỚI THIỆU VỀ LED CUBE VÀ ARDUINO

1.1 Giới thiệu chung về LED Cube

1.1.1 LED Cube là gì?

Hình 1.1 Đèn LED CUBE

LED Cube (hay khối đèn LED) là một cấu trúc ba chiều bao gồm các đèn LED được sắp xếp theo dạng ma trận không gian Thông thường, LED Cube có các kích thước phổ biến như 4x4x4 hoặc 8x8x8, với mỗi điểm trong không gian đại diện cho một đèn LED có thể phát sáng độc lập Đây

là một công cụ tuyệt vời để thể hiện các hiệu ứng ánh sáng phức tạp và thú vị

LED Cube hoạt động bằng cách điều khiển các LED theo từng lớp và cột thông qua mạch điện tử, vi điều khiển và các phần mềm lập trình Ngoài

tính thẩm mỹ, LED Cube còn mang lại giá trị học tập về điện tử, lập trình và thiết kế mạch.

 Nguồn điện: Cung cấp năng lượng cho toàn bộ hệ thống.

 Vi điều khiển (Arduino): Điều khiển và quản lý trạng thái của

các LED

 LED: Thành phần chính hiển thị ánh sáng.

 Mạch điều khiển: Kết nối vi điều khiển với LED, bao gồm các

transistor, điện trở, và dây dẫn

 Phần mềm: Viết mã lập trình để tạo ra các hiệu ứng ánh sáng

theo ý muốn

1.2.Nguyên lý hoạt động của LED Cube

Nguyên tắc làm việc quét tầng (multiplexing) trong LED Cube là cách điều khiển từng tầng (lớp) của LED Cube một cách tuần tự và nhanh chóng để tạo ra hiệu ứng ánh sáng liên tục và mượt mà Đây là cách tiết kiệm số lượng chân điều khiển và năng lượng, đồng thời cho phép điều khiển số lượng lớn đèn LED

Dưới đây là cách quét tầng hoạt động:

Hình 1.3 Sơ đồ dây nối led cube

1.2.4 Điều khiển LED trong tầng:

o Khi một tầng được kích hoạt, các đèn LED trong tầng đó sẽ được điều khiển riêng lẻ bởi các chân điều khiển của vi điều khiển (microcontroller)

o Bằng cách thay đổi tín hiệu điều khiển, bạn có thể tạo ra các hiệu ứng ánh sáng phức tạp và đa dạng trong từng tầng

1.3 Ứng dụng của LED Cube

LED Cube được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm:

 Giải trí: Hiển thị các hiệu ứng ánh sáng và hình ảnh động ba

chiều

 Giáo dục: Công cụ học tập trong các môn học về điện tử và lập

trình

 Nghệ thuật: Tạo ra các tác phẩm nghệ thuật ánh sáng độc đáo.

 Thí nghiệm khoa học: Minh họa các hiện tượng và thuật toán

toán học

1.4 Các loại LED Cube phổ biến

 4x4x4: Thiết kế đơn giản, dễ tiếp cận

Hình 1.4 LED CUBE 4x4x4

 8x8x8: Hiệu ứng phức tạp hơn, cần kỹ thuật cao

Hình 1.5 LED CUBE 8x8x8

1.5 Lợi ích của LED Cube

 Học tập kỹ thuật điện tử

 Sáng tạo nghệ thuật ánh sáng

 Ứng dụng thực tế trong công nghiệp và giải trí

Chương 2: Thiết kế module LED Cube

2.1 Quy trình thiết kế LED Cube

1 Chuẩn bị linh kiện và dụng cụ: LED, điện trở, transistor, dây nối,

2 Xếp các tầng và xuyên thanh cực âm nối giữa các tầng

3 Chỉnh khoảng cách các tầng và hàn cố định

3 Thiết kế mạch điều khiển:

Đấu dây kết nối 4 tầng với 4 trở 100 Ohm lần lượt các chân A0, 2-A1, 3-A2, 4-A3

1-Các chân còn lại có thể tùy chọn đấu nối sao cho tương ứng với các chân khai báo trong Arduino IDE hoặc nối như hình

2.2 Cấu trúc

Cấu trúc của LED Cube bao gồm ba phần chính:

2.2.1 Khung LED: Các LED được gắn vào một khung 3D bằng nhựa

hoặc kim loại

2.2.2 Mạch điều khiển: Được thiết kế để điều khiển từng LED

theo tín hiệu từ vi điều khiển

2.2.3 Phần mềm: Chương trình lập trình trên Arduino để điều

khiển LED

Kích thước và hình dạng của LED Cube phụ thuộc vào số lượng LED

Ví dụ, một LED Cube 4x4x4 có 64 LED được sắp xếp thành 4 tầng, mỗitầng 16 LED

2.3 Lựa chọn, chi tiết về linh kiện

2.3.1 Arduino

Arduino là nền tảng phần cứng mã nguồn mở phổ biến, dễ sử dụng

và phù hợp để điều khiển LED Cube Các loại Arduino thường dùng:

 Arduino Uno: Lý tưởng cho các dự án LED Cube cỡ nhỏ (4x4x4).

 Arduino Mega: Dùng cho các dự án lớn hơn với số lượng LED

nhiều

2.3.2 Phần mềm Arduino IDE

Arduino IDE là công cụ lập trình chính cho các dự án Arduino Nó hỗ trợ viết mã, biên dịch và tải chương trình lên vi điều khiển Các thư viện như "FastLED" thường được sử dụng để tạo hiệu ứng ánh sáng

2.3.3 LED

Cấu tạo Led đơn sắc

LED sử dụng cho LED Cube thường là LED 5mm hoặc 3mm với ánh sáng đơn sắc (trắng, đỏ, xanh) hoặc RGB để tạo ra nhiều màu sắc

2.3.5 Arduino Nano

Arduino Nano

Arduino Nano là phiên bản nhỏ gọn của Arduino, thích hợp cho các

dự án yêu cầu không gian hạn chế

 Chân kỹ thuật số (Digital I/O): 14 chân (D0-D13).

 Chân tương tự (Analog I/O): 8 chân (A0-A7).

 Chân SPI: 3 chân (MISO, SCK, MOSI).

 Chân đặt lại (Reset): 2 chân (RST).

 Chân nguồn (Power): 7 chân (VIN, GND, +5V)

Tính năng vượt trội so với dòng arduino khác:

 Kích thước nhỏ gọn: Arduino Nano có kích thước rất nhỏ gọn,

dễ dàng để lắp đặt vào các dự án cần không gian hẹp hoặc đặt trên breadboard

 Tiện lợi khi lập trình và nguồn cung cấp: Arduino Nano có thể

được cấp nguồn và lập trình thông qua cổng mini-USB, làm cho

nó thuận tiện cho việc kết nối với máy tính và các nguồn cung cấp linh hoạt khác

 Tính tương thích: Mặc dù nhỏ gọn, Arduino Nano vẫn có số

lượng chân I/O tương đương với Arduino UNO, giúp bạn không

bị giới hạn trong việc sử dụng nhiều cảm biến và thiết bị ngoại

vi khác

 Tiết kiệm năng lượng: Arduino Nano tiêu thụ ít điện năng hơn

so với Arduino Mega, làm cho nó phù hợp với các dự án yêu cầupin kéo dài

 Giá cả hợp lý: So với nhiều dòng Arduino khác, Arduino Nano

có giá cả phải chăng hơn, đặc biệt phù hợp cho những ai mới bắt đầu học lập trình và phát triển các dự án nhỏ

2.4 Thiết kế mạch

2.4.1 Thi công mạch phần cứng

Thiết kế mạch phần cứng bao gồm các bước:

1 Chuẩn bị linh kiện: Bao gồm Arduino, LED, điện trở, transistor,

và dây dẫn

Linh kiện và Dụng cụ Số lượng

Cuộn dây chì … ( nối từ khối lập phương đến Arduino) 4 mét

3 Lắp ráp mạch điều khiển: Kết nối các tầng LED với Arduino

thông qua mạch điều khiển

4 Kiểm tra mạch: Đảm bảo rằng tất cả các kết nối hoạt động đúng

và không có lỗi

Sau khi hoàn tất phần cứng, phần mềm sẽ được tải lên Arduino để điều khiển LED Cube

2.5 Các lưu ý trong quá trình thiết kế

a Chọn loại LED phù hợp: Chọn LED có độ sáng cao, màu sắc

đa dạng và kích thước nhỏ gọn LED RGB sẽ cho phép tạo ra các hiệu ứng ánh sáng đa dạng hơn

b Thiết kế mạch điều khiển: Có thể tự thiết kế mạch điều

khiển hoặc sử dụng các bản thiết kế có sẵn trên mạng Đảm bảo mạch điều khiển có đủ chân để điều khiển tất cả các LEDtrong khối lập phương

c Lắp ráp LED: Sắp xếp các LED theo hình khối lập phương,

đảm bảo khoảng cách đều nhau giữa các LED Kết nối các LED với nhau và với mạch điều khiển một cách chính xác

d Sử dụng túi điện: Sử dụng túi điện để bảo vệ các thành phần

điện tử khỏi bị quá tải và tránh các sự cố nguy hiểm

e Kiểm tra và điều chỉnh: Sau khi lắp ráp xong, hãy kiểm tra lại

mạch để đảm bảo mọi thứ hoạt động đúng cách Điều chỉnh cường độ dòng điện nếu cần thiết để đạt được độ sáng mong muốn

f Lưu ý về kích thước: Điều chỉnh kích thước của khối lập

phương phù hợp với dự án của mình Kích thước lớn hơn sẽ yêu cầu nhiều LED và kết nối phức tạp hơn

g Lập trình và thử nghiệm: Sử dụng Arduino hoặc các vi điều

khiển khác để lập trình và điều khiển LED Cube Thử nghiệm

và điều chỉnh mã lập trình để đạt được hiệu ứng ánh sáng mong muốn

h Bảo vệ và bảo trì: Đảm bảo LED Cube được bảo vệ khỏi bụi

bẩn và nước Thực hiện bảo trì định kỳ để duy trì hiệu suất tốt

KẾT LUẬN

Dự án LED Cube là một ứng dụng kết hợp giữa kỹ thuật điện tử, lập

trình và thiết kế sáng tạo, mang lại một sản phẩm trực quan, sinh động và đầy thẩm mỹ Qua việc chế tạo và lập trình LED Cube, chúng

ta có thể:

1 Hiểu rõ hơn về nguyên lý hoạt động của LED và mạch điện tử:

Dự án yêu cầu nắm vững kiến thức về điều khiển LED, cách mắcmạch và kết nối các thành phần phần cứng

2 Phát triển kỹ năng lập trình: Lập trình cho LED Cube đòi hỏi

phải sử dụng thành thạo ngôn ngữ lập trình như C/C++ (trên Arduino hoặc vi điều khiển), tạo ra các hiệu ứng ánh sáng và hình ảnh động thông qua điều khiển ma trận

3 Ứng dụng sáng tạo: LED Cube không chỉ đơn thuần là một sản

phẩm kỹ thuật mà còn mang tính nghệ thuật cao Các hiệu ứng ánh sáng được lập trình có thể tùy chỉnh, giúp người dùng thỏa sức sáng tạo

4 Nâng cao kỹ năng làm việc thực tế: Từ giai đoạn thiết kế, lắp

ráp đến xử lý lỗi, dự án giúp cải thiện khả năng làm việc nhóm, giải quyết vấn đề và kiểm tra sản phẩm trong thực tế

Dự án này không chỉ là một thách thức bổ ích cho những người đam

mê kỹ thuật và công nghệ, mà còn là một cơ hội để khám phá khả năng cá nhân trong việc kết hợp giữa công nghệ và nghệ thuật LED Cube cũng có tiềm năng được phát triển thêm để ứng dụng trong lĩnh vực trình diễn ánh sáng, giáo dục STEM hoặc các sản phẩm trang trí thông minh

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Arduino.cc – Tài liệu chính thức về Arduino

2 Datasheet của LED, transistor, điện trở

3 Các diễn đàn về lập trình Arduino như Stack Overflow, Arduino Forum

4 Sách “Giáo trình vi điều khiển và ứng dụng”