Tabla periódica LED interactiva: 12 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:42

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Mi novia y yo tenemos una colección de elementos: ¡muestras de los fragmentos únicos de materia que componen todo en el universo! Para una colección tan interesante, decidí construir una vitrina que muestre las muestras en todo su esplendor de construcción mundial.

Sé que no muchas personas tienen una colección de elementos, ¡pero todos tienen algo que mostrar! El objetivo de este instructivo es brindarle una comprensión suficiente del proceso de construcción, la electrónica y el código para crear su propia pantalla personalizada para lo que desee.

La interactividad de la pantalla la convierte en una gran ayuda didáctica para que los profesores demuestren características de la tabla periódica y cómo se relacionan los diferentes elementos entre sí. ¡También es muy divertido de ver en general!

Paso 1: lo que necesita

Todo lo comprado en la ferretería local a menos que se indique lo contrario.

Todos los productos electrónicos comprados en Ali Express (enlaces proporcionados). Ali Express es un lugar para obtener productos electrónicos baratos que suelen ser de una calidad sorprendentemente alta.

Materiales

Marco - Clave: (largo x ancho x alto) x cantidad

• Tablones de pino (2400x60x10mm) x7
• Hoja de MDF (1200x600x4.5mm) x2
• Papel de lija (grano 120)
• Pegamento de madera
• Llenador de madera
• Pintura acrílica blanca --- Tienda de arte
• Lápiz
• Moldura decorativa (2400 mm) x2
• Madera de balsa (1000x10x2mm) x6 --- Tienda de arte

Electrónica

• LED (Neopixels / ws2812b) x90 --- Ali Express Link "1m 100 IP30" le dará 100 LED no impermeables
• Alambre (rollos de 5 m de calibre 22 o similar. Se prefieren diferentes colores) x3 --- Ali Express Link
• Arduino Nano --- Enlace Ali Express
• Módulo Bluetooth (HC05) --- Ali Express Link
• Fuente de alimentación (5V 4A) --- Ali Express Link
• Cable de alimentación --- Tienda de artículos usados
• Soldadura --- Ali Express Link
• Tablero de puntos prototipo --- Ali Express Link
• Encabezados de pin hembra --- Ali Express Link
• Terminales de tornillo --- Ali Express Link

Instrumentos

• Soldador
• Multímetro --- Ali Express Link
• Sierra de mano (o sierra de mesa)
• Pistola de pegamento caliente (con barras de pegamento)
• Taladro
• Broca (3-8 mm)
• Abrazaderas
• Cinta métrica
• Pelacables --- Ali Express Link

Paso 2: planificación

Características

• La pantalla tiene la forma de la tabla periódica. De esta manera, los LED pueden mostrar características y tendencias de la tabla periódica.
• Cada posición en la tabla periódica es un estante cerrado en el que puede descansar la muestra del elemento.
• Usé LED WS2812B que puedo iluminar individualmente cualquier color.
• La pantalla tiene funcionalidad Bluetooth y una aplicación de teléfono para controlarla. Lo principal que quería con esta pantalla era que fuera interactiva. ¡La aplicación del teléfono hace que sea muy divertido jugar con ella!

Construcción

La pantalla está hecha de tablones de pino de 60x10 mm. Conseguí el mío en longitudes de 2,4 m, pero había muchas longitudes disponibles. Todas las piezas necesarias para cortar caben fácilmente en 7 longitudes de 2,4 m. Quedaba casi un tramo entero, ¡en caso de que cometiera algunos errores!

He elaborado un "plan de encuadre" para que lo sigas. Use esto con "Longitudes y cantidades de armazón" que muestra cuántas de cada longitud necesita ser cortada. Ambos diagramas están codificados por colores y etiquetados con letras para que sepa qué pieza va y dónde. Todas las piezas se cortarán y luego se pegarán con pegamento para madera.

El último diagrama muestra las formas para el panel frontal y el panel posterior que se cortarán de MDF y se pegarán en su lugar. Recomiendo colocar el marco encima del MDF y trazar las formas con un lápiz. Las formas de los paneles son solo para darle una idea de cómo se ven.

Lantánidos y actínidos

Actualmente no tengo ninguna muestra de lantánidos y actínidos, por lo que no hice la parte de la tabla periódica que los contiene. ¡Aunque lo haré en el futuro!

Electrónica

La planificación de la electrónica se documenta más adelante en el Instructable.

Paso 3: cortar la madera

Siguiendo el plan, las piezas de pino de 60x10 mm debían medirse y cortarse a sus longitudes específicas. Usé una cinta métrica y un lápiz para marcar cuánto tiempo necesitaba cada pieza de madera y luego usé un cuadrado para dibujar una línea a través de la madera. Después de cada línea marcada, usé una sierra para cortar justo detrás de la línea. No corte directamente en la línea o terminará con un trozo de madera que es un poco demasiado pequeño debido al grosor de la hoja de la sierra. Alisé los bordes ásperos de cada pieza con papel de lija. Después de cada corte, es útil etiquetarlo con un lápiz de acuerdo con el plan para facilitar el montaje.

Nota: la precisión es muy importante. Mis cortes no fueron perfectos, así que tuve bastantes huecos para rellenar con relleno de madera más tarde. Una sierra de mesa o una sierra para cortar ingletes con una guía o un bloque de tope, respectivamente, haría que los cortes fueran mucho más precisos.

Paso 4: Montaje del marco

Quería que todas las secciones verticales de 60 mm estuvieran alineadas, medidas, marcadas y cuadradas donde cada una de ellas debería pegarse a las tablas horizontales. Por ejemplo, la tabla inferior "J" está marcada en 10 mm (para dejar espacio para la tabla lateral vertical), luego cuento 60 y marco en 70, luego cuento 10 para la sección vertical, luego otros 60 y marco en 140 y así sucesivamente.

Para unir las piezas, apliqué pegamento para madera a las superficies que se unirían y las coloqué cuidadosamente en sus posiciones correctas y las aseguré con abrazaderas. Solo pegué unas pocas piezas a la vez y las dejé secar debido a mi número limitado de abrazaderas y porque era difícil mantener todo recto de otra manera. Descubrí que ayudó a colocar todo sobre una superficie plana y apretar las abrazaderas lo suficiente como para que pudiera seguir jugando con el posicionamiento sin que todas las piezas se cayeran. Una vez que las piezas estuvieron en posición, apreté completamente las abrazaderas. Cuando el marco estaba completamente ensamblado, era mucho más fuerte de lo que esperaba debido a la cantidad de juntas adhesivas diferentes que había. Si desea una pantalla más resistente, puede usar tornillos pequeños o cortar ranuras para unir las piezas.

Nota: Al pegar una estructura como esta, ayuda tener tantas abrazaderas como sea posible. Es posible que pueda pedir prestados algunos de sus amigos o encontrarlos baratos de segunda mano.

Paso 5: Fronteras

Para que la pantalla se vea un poco mejor para colgarla en la pared, decidí enmarcarla. Traje algunas molduras decorativas (el tipo de madera contorneada que hace los marcos de fotos) y la madera la pegué a los lados de la pantalla asegurándome de sujetarla en su posición mientras se secaba el pegamento. La parte complicada de esto fue cortar los ángulos de 45 grados en la moldura para que las esquinas encajen bien. Mi método fue doblar una hoja de papel A4 de borde corto a borde largo para hacer un ángulo de 45 grados y usarlo para trazar una línea en la parte inferior (lado plano) de la moldura. Para alinear las molduras, mida la longitud del lado de la pantalla en la que está colocando la moldura y marque el borde interior de la moldura con esa longitud. Asegúrese de comenzar unos 30 mm hacia adentro y marque el punto de partida también. Las líneas de 45 grados luego van hacia afuera desde los dos puntos marcados.

Paso 6: Panel trasero y frontal

Apoyo

La pantalla necesita un respaldo para dar a los LED algo para reflejarse, hacer que la pantalla sea más segura y ocultar todos los cables que estarán allí. Para hacer el respaldo utilicé dos láminas de MDF de 1200x600x4.5mm. Coloqué las hojas de MDF en una superficie plana en orientación horizontal una al lado de la otra y coloqué el marco de la pantalla encima de ellas. Moví el marco hasta que la costura quedó oculta por una de las tablas verticales del marco. Luego tracé alrededor del exterior de la pantalla en el MDF con un lápiz y lo corté con una sierra. Le di la vuelta a la pantalla y pegué el respaldo a la parte posterior de la pantalla con pegamento para madera. Cubrí el respaldo con objetos pesados para evitar que se levantara o se moviera mientras se secaba.

Agujeros de respaldo

El respaldo necesita agujeros en cada celda para que pasen los cables de los LED. Usé un taladro inalámbrico y una broca de 6 mm para perforar dos agujeros en cada celda. Un agujero en cada esquina superior. Con los orificios y los cables en las esquinas superiores, son más difíciles de ver cuando se mira la pantalla.

Panel frontal

Quería que la pantalla fuera más rectangular, así que coloqué una pieza de MDF de 4,5 mm debajo del marco y tracé la forma irregular de la celda de 16x3 en el MDF. Luego utilicé una sierra para recortar la forma y la pegué al marco con pegamento para madera.

Pestañas

Corté pequeños cuadrados de MDF con una esquina cortada para pegarlos en su lugar y mantener el panel frontal y el marco juntos un poco más firmemente. (Se pueden ver fotos de estas pestañas en la sección de electrónica).

Paso 7: Toques finales

Cuadro

Fue una decisión difícil si teñir la madera o pintarla. Al final, pinté toda la pantalla de blanco con pintura acrílica barata. Decidí que el blanco reflejaría bien la iluminación LED y realmente iluminaría las celdas. ¡Definitivamente funcionó a mi favor!

Letras cortadas con láser

Recientemente tuve la suerte de tener acceso a un cortador láser para cortar algunas letras acrílicas negras personalizadas para la pantalla. Creo que realmente completa la estética de la pantalla. Antes de tener acceso a la cortadora láser, estaba pensando en comprar letras de madera baratas y pintarlas. (Encuentra el archivo que utilicé adjunto).

Paso 8: Electrónica - Planificación

LED

Usé LED WS2812B debido a su facilidad de cableado y codificación. Originalmente estaba planeando una configuración de LED multiplexados y registros de desplazamiento. ¡Los WS2812B hacen la vida mucho más fácil! Incluso si no construye la pantalla, le recomiendo jugar con estos LED porque son increíbles (¡y baratos de Ali Express)!

Poder

Usé 90 LED WS2812B para la pantalla. Cada LED tiene 3 colores (rojo, verde y azul) y cada uno consume hasta 20 mA con brillo total. Si los 3 colores tienen el brillo máximo, el LED consumirá hasta 60 mA.

60 mA x 90 LED = 5400 mA (5,4 A)

Encontré una fuente de alimentación barata de 5 voltios en Ali Express que podía suministrar 4 A, así que la traje. Esta fuente de alimentación será suficiente siempre que no tenga demasiados LED a pleno brillo al mismo tiempo. Tuve un problema con los LED parpadeantes, pero se debió principalmente a la caída de voltaje (que explicaré más adelante). Recomendaría calcular el consumo máximo de corriente como lo hice yo y comprar una fuente de alimentación de al menos ese valor.

Los LED WS2812B funcionan con 5 V, así que asegúrese de obtener una fuente de alimentación de 5 V.

Bluetooth

Quería que la pantalla fuera interactiva. La conectividad Bluetooth con una aplicación de teléfono fue la forma más fácil de hacerlo. El módulo Bluetooth HC05 es fácil de usar. Simplemente trátelo como una conexión en serie.

Paso 9: Electrónica

Mapa de conexiones

Lea las conexiones de la imagen del diagrama de cableado o escritas a continuación:

(Arduino) D9 - DIN (Inicio de la cadena de LED)

(Arduino) GND - GND (fuente de alimentación)

(Arduino) + 5V - + 5V (fuente de alimentación)

(Arduino) TX - Resistencia 1K - Resistencia 2K - GND (Fuente de alimentación)

Punto central de las dos resistencias - RX (módulo Bluetooth)

(Arduino) RX - TX (módulo Bluetooth)

(Fuente de alimentación) + 5V - + 5V (Inicio de la cadena de LED)

(Fuente de alimentación) GND - GND (Inicio de la cadena de LED)

(Fuente de alimentación) + 5V - + 5V (módulo Bluetooth)

(Fuente de alimentación) GND - GND (módulo Bluetooth)

Cableado de los LED

El cableado de los LED WS2812B es bastante simple, ¡pero hay MUCHO! Hay 90 LED cada uno con 6 conexiones de soldadura cada uno. ¡Son 540 juntas de soldadura! Traje WS2812B en pequeñas placas de circuito circulares, lo cual fue algo molesto ya que tuve que pegarlas en caliente en la parte superior de cada estante. Recomendaría obtener las tiras de LED WS2812B que vinculé en la sección "Lo que necesita" porque ya tienen un respaldo adhesivo y tienen una superficie más grande, por lo que es más fácil trabajar con ellas. Si elige las tiras, cada LED debe cortarse cortando las líneas entre las almohadillas de contacto.

Cada WS2812B tiene 6 conexiones. 2 + 5V, 2 GND, DIN y DOUT. DIN y DOUT significan entrada y salida de datos. El cable de datos debe viajar desde los LED anteriores DOUT al siguiente LED DIN. Los cables de alimentación y de tierra siguen su ejemplo hasta que todos los LED estén conectados como una cadena. ¡El diagrama de cableado muestra cómo se conectan los LED si mi explicación no tuviera sentido!

Nota: Los LED tienen una flecha para indicarle en qué dirección deben mirar en la cadena. Este es un buen indicador en lugar de simplemente mirar DIN y DOUT.

Pegué los LED en caliente en la parte superior de cada estante mirando en la dirección que se muestra en el diagrama de "disposición de LED".

De nuevo, siguiendo el diagrama de "disposición de LED", corté los cables que llegaban entre cada LED de la cadena a través de los orificios perforados en el respaldo de MDF. Usé un color diferente de cable para las líneas de + 5V, GND y Data para asegurarme de que no haya confusión en cuanto a qué cable se suelda a qué LED. Tuve que pelar cada cable con un pelacables antes de soldarlos como se describe en los 3 párrafos anteriores.

Cableado de la fuente de alimentación

ADVERTENCIA: LA ALIMENTACIÓN DE LA RED PUEDE MATAR. TENGA PRECAUCIÓN MIENTRAS CONECTA EL CABLEADO DE LA FUENTE DE ALIMENTACIÓN O COMPRE UNA FUENTE DE ALIMENTACIÓN CON UN CABLE YA CONECTADO.

La fuente de alimentación que traje no tenía un cable de red conectado. Encontré un cable de alimentación en una tienda local de artículos usados de mi país. La fuente de alimentación que vinculé en "Lo que necesita" está clasificada para una entrada de 110/240 V, por lo que debería funcionar en la mayoría de los países.

NOTA: LOS CABLES DE RED CODIFICADOS POR COLORES A CONTINUACIÓN PUEDEN SER DIFERENTES EN DIFERENTES PAÍSES.

Quité el cable de alimentación para exponer los 3 cables de colores. Verde para tierra, azul para neutro y marrón para fase. Conecté estos cables a los terminales de tornillo de la fuente de alimentación.

(Cable) Verde -> GND (Fuente de alimentación)

(Cable) Azul -> N (Fuente de alimentación)

(Cable) Marrón -> L (Fuente de alimentación)

NOTA: SI INTENTA CONECTAR EL CABLEADO PRINCIPAL, BUSQUE SU CODIFICACIÓN DE COLOR LOCAL.

Módulo Arduino y Bluetooth

Usé una placa prototipo para soldar los componentes. Coloqué el Arduino Nano en dos tiras de encabezados de clavija hembra cortados a medida y luego coloqué los encabezados con Arduino en la placa prototipo. Luego soldé los encabezados a la placa prototipo desde abajo. Esto nos permite tener un Arduino extraíble para programar. De hecho, usé un terminal nano Arduino para mi pantalla, pero usaría encabezados si lo volviera a hacer.

Hice lo mismo con el módulo Bluetooth pero sin los encabezados (no es necesario que sea extraíble).

Los terminales de tornillo se soldaron para facilitar las conexiones a la cadena de LED y la fuente de alimentación (el cableado sigue siendo el mismo que el del diagrama, pero los cables de la fuente de alimentación y los cables de la cadena de LED están interrumpidos con un terminal de tornillo.

El módulo Bluetooth, Arduino, la fuente de alimentación y el extremo inicial de la cadena de LED se soldaron con cables cortados a medida y pelados de acuerdo con el diagrama de cableado.

Asegurar la electrónica

La placa prototipo y la fuente de alimentación se aseguraron a la parte posterior de la tabla periódica con pegamento caliente.

Paso 10: Código

He intentado comentar descriptivamente y hacer que el código sea fácil de seguir.

Aquí hay un resumen rápido de cómo funciona:

Definiciones

La parte superior del código está llena de matrices para almacenar información sobre la tabla periódica y convertir la forma en que se organiza la cadena de LED y cómo se deben organizar los elementos.

Bluetooth

El único código en el bucle es el código para leer datos de la conexión en serie (a la que está conectado el módulo Bluetooth) y llamar a una función que elige qué hacer con los comandos que recibe.

Comandos

La mayoría de los comandos son solo palabras. Algunos tienen un prefijo y un sufijo, por ejemplo: select23 activará el elemento 23. Hay una función que determina si el comando dado tiene un prefijo y devuelve su sufijo si lo tiene.

Funciones

Cada animación o funcionalidad está en una función. ¡Verás que hay bastantes si miras el código! Cuando las funciones se llaman con los parámetros correctos dados, la pantalla se ilumina y hace cosas.

Recursos

Basé mi código de conexión Bluetooth en este tutorial: tutorial de Bluetooth y Arduino

La biblioteca FastLED para controlar WS2812B se puede descargar aquí: Biblioteca FastLED

Puede encontrar información sobre cómo utilizar la biblioteca FastLED aquí: Información FastLED

Paso 11: Aplicación de teléfono

MIT App Inventor es una gran herramienta en línea que facilita la creación de aplicaciones de Android. Tiene varias formas de ver su aplicación a medida que la crea para asegurarse de que sea correcta. Utiliza una programación basada en bloques fácil de aprender.

¡La razón principal por la que me encanta App Inventor es porque puede usar el Bluetooth de mi teléfono para conectarse a un Arduino con un módulo Bluetooth!

Hay muchos tutoriales para comenzar. Aquí hay un gran instructivo para App Inventor con Arduino.

Mi novia contribuyó aquí creando la aplicación utilizada para controlar la pantalla. Hay una lista de búsqueda para seleccionar elementos individuales, barras deslizantes para las funciones de temperatura y fecha y botones para todo lo demás. ¡También tiene un menú superior desplazable!

El archivo de App Inventor se adjunta si desea verlo. Tenga en cuenta que todavía estamos resolviendo algunos errores.

Paso 12: Consejos

Aquí hay algunos consejos para cualquier proyecto de electrónica

Siempre que haga un proyecto complejo con muchas partes que interactúan, comience con los pequeños componentes individuales.

Para la pantalla, comencé siguiendo un tutorial para conectar el módulo Bluetooth a un Arduino y enviar datos con una aplicación de terminal Bluetooth lista para usar.

Después de que eso funcionara, los LED WS2812B funcionaron solos, luego los conecté y luego agregué el módulo Bluetooth.

Después de agregar algunas funciones diferentes, mi novia me creó la aplicación con App Inventor 2 para enviar los comandos automáticamente cuando se presionan los botones.

No hagas todo a la vez. Comience con algo pequeño y luego construya a lo grande.

LEDs parpadeantes

Tuve un gran problema con los LED parpadeando cuando hice demasiados LED blancos al mismo tiempo.

¿Fue esto porque mi fuente de alimentación estaba subestimada por la cantidad de LED? Probablemente. Pero otro factor que contribuye es la caída de voltaje en los cables de larga distancia.

Para arreglar la caída de voltaje, conecté la fuente de alimentación + 5V y los cables GND directamente al final y al centro de la cadena de LED. Esto solucionó mi problema.

Tenga en cuenta que solo los cables de + 5V y GND deben conectarse al extremo y al centro. Solo debe haber 1 cable de datos que conecte la cadena.

Corte y llenado

Tenga cuidado al cortar las piezas para obtener cortes precisos. Una sierra para cortar ingletes con un bloque de tope probablemente ayudaría mucho para las piezas pequeñas. Mis cortes no fueron perfectos, lo que provocó huecos que condujeron a una gran cantidad de relleno y lijado de madera.

Gracias por leer, espero que hayas disfrutado del proceso