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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  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

T

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.

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.

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

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.

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.

IV. DISEÑO DEL SISTEMA IMPLEMENTADO El Sistema que se implementó consto de las siguientes etapas. A. Construcción del Cubo de LEDs RGB

En la siguiente tabla se muestran los requerimientos para que El Cubo tiene 8 caras cada una con 8 LDs RGB por lado, dando como resultado un cubo de 512 LDs RGB.

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

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:

En esta tabla se muestra las Corrientes y Voltajes que permiten que el RGB tenga una intensidad luminosa adecuada para sus colores.

un RGB funcione óptimamente.

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.

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

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.

Fig. 5. Resultado obtenido luego de haber terminado las 8 caras y haberlas ubicado adecuadamente en soporte de madera. (Cambiar imagen) Fig. 3. Se puede notar que conectadas las 8 filas siempre se trata de mantener la misma distancia entre cada una de ellas.

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.

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.

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 20

1 1

Comunicacion serial Total 21

En esta tabla se muestra un análisis de las entradas y salidas que se van a requerir de un microcontrolador.

Los cálculos de las resistencias se detallan a continuación. 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.

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 =

Por lo tanto, sobran 7 pines los cuales pueden ser de utilidad para una implementación futura adicional. 1.2) Circuito a implementarse

7𝑉 𝑅𝐵

𝑅𝐵 = 486 𝛺 Se escoge una resistencia de 330 Ω porque de esta manera se asegura la saturación.

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]

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

Fig. 6 Etapa para la sección de caras del cubo que se barren.

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

Fig. 8 El enrutamiento se puede observar que ya fue debidamente planchado a la baquelita.

Anexo 2

En la figura 9 se puede apreciar el proceso que se llevó a cabo para quitar el cobre de las placas.

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. 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. 7 Proceso de planchado para pasar la pista ruteada a la baquelita.

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. 13 Conexión de cables macho –hembra a las terminales de la maqueta.

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.

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. 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. 14 Cables macho – hembra conectados a las terminales de la maqueta.

Una vez conectados debidamente las terminales machohembra 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. 17 Presentación finalmente de la maqueta.

VII. PRUEBAS DEL CUBO RGB IMPLEMENTADO

Fig. 16 Ensamblaje de la Maqueta al Circuito Electrónico

Fig. 18 Prueba 1

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.

Fig. 19 Prueba 2

REFERENCES

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.

[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-webui/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