Blinky - Cub LED 4x4x4 cu animații și timer

Blinky este un cub LED 4x4x4 controlat de un microcontroller ATmega328P (Arduino Nano), care servește drept dispozitiv de birou pentru studenți. Proiectul combină o parte creativa, de jocuri de lumini, care acționeaza ca stress reliever, si o parte practica, de cronometrare a timpului de învățat sau a pauzelor.

Cubul are două moduri de funcționare, selectabile printr-un buton:

• Modul Animații - ruleaza în buclă jocuri de lumini 3D, viteza luminilor poate fi ajustată de utilizator printr-un potenționmetru
• Modul Timer - utilizatorul selectează un interval de timp prin butoane, LCD-ul afișeaza timpul rămas, iar LED-urile indică vizual progresul numărătorii inverse. Expirarea timpului e semnalizată printr-un semnal sonor dat de buzzer.

Ideea a pornit de la un cub LED mult mai mare și complex (văzut pe Tik Tok), și mi-am dorit să fac și eu ceva asemănător, doar că pe o scară mai mică. După aceea, mi-a venit ideea de timer, fie pentru studiu (tehnica Pomodoro), fie ca timer general (la gătit, de exemplu)

Proiectul este util mai ales pentru studenti, pentru ca arată bine pe birou, alungă plictiseala, e un stress reliever bun si contribuie la un stil de învățat mai organizat.

Proiectul are la bază un microcontroller ATmega328P (Arduino Nano), care acționeaza ca unitate centrală și coordonează toate modulele hardware si software.

Module hardware de intrare:

• BTN_MODE - schimbă modul de funcționare a cubului, între Animații și Timer
• BTN_UP - incrementează timpul setat în modul timer
• BTN_DOWN - decrementează timpul setat în modul timer
• BTN_START/STOP - pornește și oprește timerul
• Potențiometru - controlează viteza animațiilor în modul Animații

Module hardware de ieșire:

• Cub LED 4x4x4 - afișeaza jocurile de lumini și progresul vizual al timer-ului prin cele 64 de led-uri, multiplexate pe 4 straturi
• LCD 1602 I2C - afișează modul curent de funcționare și timpul rămas
• Buzzer pasiv - semnalizează sonor expirarea timpului

Module software:

• FSM - gestionează stările sistemului și tranzițiile dintre ele
• Driver LED - implementează multiplexarea celor 4 straturi ale cubului
• Motor Animații - rulează jocurile de lumini 3D, cu viteza controlată din potențiometru
• Motor Timer - gestionează numărătoarea inversă, actualizează LCD-ul și declanșează alerta sonora la final

Interacțiunea modulelor:

Utilizatorul pornește cubul si selectează modul de funcționare prin apăsarea butonului BTN_MODE. Modul curent este afișat pe LCD, iar FSM-ul gestionează tranziția între stările sistemului.

În modul Animații, FSM-ul acționează Motorul de Animații, care gestionează jocurile (pattern-urile) de lumini. Driver LED-ul preia aceste pattern-uri si le afișează pe cub prin multiplexarea celor 4 straturi, trimițând datele catre shift registers prin SPI și comutând straturile prin tranzistoare. Viteza animațiilor e controlată prin Potențiometru, a cărui valoare e citită continuu prin ADC.

În modul Timer, utilizatorul setează durata dorită (în minute) prin butoanele BTN_UP si BTN_DOWN, iar LCD-ul afișează timpul setat. La apăsarea BTN_START/STOP, Motorul Timer pornește numărătoarea inversă și actualizează LCD-ul la fiecare secundă. LED-urile indică vizual timpul rămas. La expirarea timpului, FSM-ul trece in starea de “alertă” ⇒ Driver LED-ul afișează animația corespunzătoare pe cub, iar Buzzer-ul emite un semnal sonor prin PWM. Timer-ul poate fi oprit oricand prin BTN_START/STOP.

Creierul proiectului este plăcuța Arduino Nano V3 CH340 (ATmega328P). Microcontroller-ul controlează cubul LED prin două registre de deplasare 74HC595, folosite pentru cele 16 coloane ale cubului, și prin patru tranzistoare NPN 2N2222, folosite pentru comutarea celor 4 straturi

Cubul este alcătuit din 64 de LED-uri albastre, organizate ca matrice 4x4x4. Coloanele verticale sunt anoduri comune, iar layerele orizontale sunt catoduri comune. Astfel, pentru aprinderea unui LED, se setează coloana corespunzătoare prin shift registere și se activează stratul corespunzator prin tranzistorul asociat.

Cele două shift registere 74HC595 sunt conectate în lanț. Microcontroller-ul trimite datele serial pe pinul D11, semnalul de clock este pe D12, iar latch-ul este pe D10. Primul shift register controlează coloanele C1-C8, iar al doilea coloanele C9-C16. Fiecare coloană este conectată printr-o rezistența de 330 ohm pentru limitarea curentului prin LED-uri.

Straturile cubului sunt comutate separat cu tranzistoare NPN. Bazele tranzistoarelor sunt conectate la pinii D2-D5 prin rezistențe de 1k ohm, emitorii sunt legați la GND, iar colectorii sunt conectați la catodurile comune ale straturilor. Prin activarea rapidă a straturilor, cubul generează animații 3D prin multiplexare.

Interfața utilizatorului este formată dintr-un LCD 1602 cu modul I2C, 4 butoane, un potentiometru și un buzzer pasiv. LCD-ul folosește magistrala I2C pe pinii A4 și A5, potentiometrul este citit analogic pe A0 (ADC), iar buzzerul este conectat pe D6 pentru generarea semnalului sonor

Am incercat sa pastrez o impartire cat mai logica pentru alegerea pinilor si sa ii aleg consecutivi. Am grupat pinii folositi pentru aceeasi componenta, ca sa fie mai usor de urmarit atat schema, cat si codul. De asemenea, am verificat ca pinii pentru butoane au suport PCINT pe ATmega328P. Astfel pot detecta apasarile fara sa blochez programul principal, iar multiplexarea cubului si timerul pot rula in paralel

Export to PDF