گوی نوری سهبعدی با LED آدرسپذیر و ESP32
طراحی مدار بدون استفاده از برد مدار چاپی (PCB) همیشه یه حس هنری و خاص به پروژههای الکترونیکی میده. وقتی قطعات مستقیما با سیمهای مسی یا برنجی به هم وصل میشن، خروجی کار شبیه یه مجسمه مدرن و جذاب میشه که حتی تو حالت خاموش هم چشمها رو به خودش خیره میکنه. ما تو تیم آیسیمدار همیشه دنبال ایدههایی هستیم که الکترونیک رو با هنر ترکیب کنن و این گوی نوری دقیقا یکی از همون شاهکارهای جذابه.
توی این آموزش قرار هست یه گوی سهبعدی توخالی بسازیم که با حدود 200 تا الایدی آدرسپذیر WS2812b و یه میکروکنترلر نقلی مثل ESP32 جون میگیره. تمام ساختار این گوی فقط با سیمهای فلزی شکل گرفته و باتری و کنترلر هم خیلی تمیز داخلش جاساز میشن تا بدون هیچ سیم اضافهای، افکتهای نوری خیرهکنندهای رو به نمایش بذاره.
ساختن این پروژه نیاز به کمی حوصله و دقت تو لحیمکاری داره، ولی نتیجه نهایی به قدری خفنه که تمام خستگیهات رو میشوره و میبره. بریم سراغ جمعآوری قطعات و ابزارها تا قدمبهقدم این گوی جادویی رو با هم خلق کنیم.
نگاهی کلی به روند ساخت گوی نوری
قبل از اینکه دست به هویه بشیم، بهتره یه دید کلی از مسیری که پیش رو داریم داشته باشی. ساخت این گوی نوری شامل فرمدهی سیمها، قرار دادن قطعات داخل قالب، لحیمکاری دقیق و در نهایت کدنویسی میکروکنترلره.
تکتک این مراحل با جزئیات کامل و قدمبهقدم تو همین آموزش بررسی میشن تا بتونی بدون هیچ ابهامی این ساختار پیچیده رو به زیبایی هرچه تمامتر بسازی.
ابزار و قطعات لازم برای شروع
برای اینکه وسط کار لنگ نمونی، اول از همه تجهیزاتت رو روی میز مرتب کن. ابزارهای مورد نیاز:
- انبردست باریک (دمباریک)
- انبر دمگرد
- سیمچین
- هویه و تجهیزات لحیمکاری
- پنس
- چند تا اشیای استوانهای در سایزهای مختلف مثل قوطی نوشابه یا اسپری (برای گرد کردن سیمها)
- پرینتر سهبعدی (برای چاپ قالب)
مواد اولیه:
- سیم برنجی با ضخامت 0.8 میلیمتر (سیم مسی یا فولادی هم میشه)
- سیم لحیم
- روغن لحیم یا فلاکس
قطعات الکترونیکی:
- برد ESP32 با پشتیبانی از باتری (مثل TTGO T8 یا FireBeetle) تا به راحتی داخل گوی جا بشه
- 200 عدد الایدی آدرسپذیر WS2812b
- باتری لیتیومپلیمر 1000 میلیآمپر ساعت
چاپ سهبعدی قالب (شابلون)؛ کلید موفقیت پروژه
ساختن یه شکل کروی دقیق با دست خالی و بدون قالب تقریبا غیرممکنه. برای همین، یه شابلون مخصوص طراحی شده که باید با پرینتر سهبعدی چاپش کنی. این قالب شبیه یه بشکه است و از چهار تیکه مجزا تشکیل شده که با دو تا حلقه پلاستیکی به هم وصل میشن.
دلیل اینکه قالب رو چهار تیکهای در نظر گرفتیم اینه که بعد از اتمام لحیمکاری، بتونی به راحتی نیمکره رو از توش دربیاری. اگه قالب یه تیکه بود، قطعاتت داخلش گیر میکرد و کل زحماتت به باد میرفت. این قالب طوری طراحی شده که نصف کره رو بسازه. خبر خوب اینه که با همین یه دونه قالب میتونی هر دو نیمه گوی رو به راحتی بسازی.
فایلهای STL این قالب طوری طراحی شدن که برای ساخت یکچهارم کره مناسبن (چون کره کاملا متقارن نیست، دو نوع قطعه داریم). تو باید از هر فایل دو بار پرینت بگیری تا قالب کامل یه نیمکره برات آماده بشه.
ساخت حلقههای سیمی برای بدنه
اول بریم سراغ اسکلت کار. ساختار اصلی این کره از 11 تا حلقه الایدی تشکیل شده. هر حلقه شامل دو رشته سیم فلزی (یکی برای تغذیه و یکی برای زمین) و تعدادی الایدی روی اونهاست. پس برای کل گوی، به 22 تا دایره سیمی با اندازههای مختلف نیاز داری.
از اونجایی که قطر گوی تو بخشهای مختلف فرق میکنه، اندازه این حلقهها هم با هم متفاوته. برای اینکه کارت راحتتر بشه، بهتره یه نقشه کاغذی با اندازه دقیق دایرهها بکشی، هرچند که 100٪ دقیق هم نباشه مشکلی پیش نمیاد.
یادت باشه ظاهر نهایی و بینقص بودن گوی به شدت به دقت تو تو این مرحله بستگی داره. هرچی حلقههای سیمی صافتر و گردتر باشن، کرهات در نهایت خوشفرمتر میشه. پس با استفاده از ابزارهایی که داری حسابی براش وقت بذار و سیمها رو خیلی تمیز شکل بده.
جایگذاری و لحیمکاری LEDها داخل قالب
حالا وقتشه که اولین حلقه رو بسازیم. کار رو با پایینترین و کوچیکترین حلقه تو قالب شروع کن که 8 تا الایدی داره. یه ترفند خیلی خوب اینه که قبل از شروع، با یه ماژیک پایه GND تمام الایدیها رو علامت بزنی تا موقع لحیمکاری پایهها رو با هم اشتباه نگیری.
الایدیها رو طوری داخل قالب بچین که پایه GND به سمت داخل (مرکز دایره) و پایه VCC به سمت حلقه بیرونی باشه. این آرایش برای تکتک حلقهها ثابته و نباید عوضش کنی!
همیشه سیم داخلی به زمین و سیم بیرونی به تغذیه وصل میشه. قبل از جا زدن الایدیها میتونی اونا رو تو فلاکس یا روغن لحیم فرو ببری تا هم محکمتر سر جاشون بشینن و هم لحیمکاریشون راحتتر بشه.
حالا حلقه سیمی داخلی رو سر جاش قرار بده و تمام پایههای GND رو بهش لحیم کن. بعد حلقه بیرونی رو بذار و پایههای VCC (که دقیقا روبهروی GND قرار دارن) رو به اون لحیم کن. خیلی مراقب باش که سیمهای فلزی با پایههای دیتای الایدی (DIN و DOUT) اتصالی نکنن. این پروسه رو برای 6 حلقه به ترتیب تکرار کن:
- حلقه اول: 8 عدد الایدی
- حلقه دوم: 14 عدد الایدی
- حلقه سوم: 18 عدد الایدی
- حلقه چهارم: 20 عدد الایدی
- حلقه پنجم: 24 عدد الایدی
- حلقه ششم: 26 عدد الایدی
نکته مهم اینه که حلقه ششم (26 تایی) بزرگترین حلقه و خط استوای کره محسوب میشه. پس فقط یکی از نیمکرهها به این حلقه نیاز داره و نیمکره بعدی فقط شامل 5 حلقه میشه.
اگه تا حالا با WS2812b کار نکردی، باید بگم این یه الایدی آدرسپذیر هوشمنده. یعنی به جای اینکه برای تغییر رنگش چند تا پین رو درگیر کنی، فقط با یه سیم ارتباطی میتونی هر رنگی از رنگینکمان رو بهش بدی.
برخلاف الایدیهای معمولی که نورشون با تغییر جریان کم و زیاد میشه، این الایدی به طور ثابت برق دریافت میکنه و نورش فقط با سیگنال دیجیتال کنترل میشه. شاید بپرسی پس چرا 4 تا پایه داره؟ پایه چهارم (DOUT) دقیقا برای اینه که سیگنال کنترلی رو به الایدی بعدی تو زنجیره پاس بده. این بهترین ویژگی این قطعهست.
با این سیستم میتونی یه ریسه فوقالعاده طولانی بسازی و همهشون رو فقط با یه پین میکروکنترلر هدایت کنی. کافیه دستورات رو به اولین الایدی بفرستی، اون خودش دستور بقیه رو به نفر بعدی تحویل میده. Datasheet)
سیمکشی خطوط دیتا (DIN و DOUT)
پایههای تغذیه که به حلقههای سیمی وصل شدن، حالا باید مسیر عبور دیتا رو بسازی. پایه DIN دقیقا کنار پایه GND و پایه DOUT کنار پایه VCC قرار داره.
برای اتصال پایههای دیتا از تیکهسیمهای کوچیک 5 میلیمتری استفاده کن. این مرحله خیلی حساسه؛ باید به شدت دقت کنی که سیمهای دیتا به حلقههای تغذیه یا زمین برخورد نکنن و اتصالی پیش نیاد. یادت نره که تحت هیچ شرایطی نباید پایههای دیتا به حلقههای تغذیه لحیم بشن.
کار رو حلقه به حلقه از پایین انجام بده. وقتی دیتای یه حلقه کامل شد و خواستی به حلقه بالایی بری، باید از یه سیم جامپر که به شکل حرف C خم شده استفاده کنی تا بتونی ارتباط دیتای این دو حلقه رو برقرار کنی.
دلیل استفاده از سیم C شکل اینه که بتونی اون رو از روی سیمهای تغذیه و زمین رد کنی بدون اینکه بهشون بخوره. این کار رو تا جایی ادامه بده که تمام الایدیهای اون نیمکره مثل یه مار بزرگ به هم وصل بشن.
در نهایت فقط دو تا پایه دیتای آزاد برات میمونه: یه DIN تو بالاترین حلقه (ورودی اصلی کل نیمکره) و یه DOUT تو پایینترین حلقه.
اتصال لایههای تغذیه و ساخت نیمکره دوم
قدم آخر برای تکمیل این نیمکره، اتصال خطوط تغذیه حلقههای مختلف به همدیگه است. این اتصالات نه تنها برق رو تو کل مدار پخش میکنن، بلکه به عنوان اسکلت و استخوانبندی کره عمل میکنن تا حلقهها از هم نپاشن. برای این کار بازم از سیمهای C شکل استفاده کن تا حلقههای پاور و زمین مجاور رو به هم گره بزنی.
برای سه حلقه کوچیکتر حداقل 4 تا پل ارتباطی و برای حلقههای بزرگتر حدود 8 تا پل قرار بده تا ساختار نیمکره به اندازه کافی سفت و محکم بشه.
حالا میتونی یه نفس راحت بکشی و نیمکره رو از قالب دربیاری. این لذتبخشترین قسمت کاره! اول حلقههای پلاستیکی که چهار تکه قالب رو به هم نگه داشتن باز کن.
بعد با ملایمت و احتیاط زیاد، تکههای قالب رو از مدار جدا کن. حواست باشه فشار الکی نیاری که یه وقت الایدیها نشکنن یا لحیمها کنده نشن. اگه از نتیجه نیمکره اول راضی هستی و همهچیز مرتبه، حالا باید تمام این مراحل رو برای نیمکره دوم از اول تکرار کنی. فقط یادت نره که نیمکره دوم یه حلقه کمتر داره (همون حلقه 26 تایی وسط رو دیگه نیاز نداره) و فقط از 5 حلقه تشکیل میشه.
تست و عیبیابی نیمکرهها قبل از مونتاژ نهایی
وقتی هر دو تا نیمکره آماده شدن، وسوسه میشی سریع به هم بچسبونیشون، اما دست نگه دار! عاقلانهترین کار اینه که اول حسابی تستشون کنی تا بعدا پشیمون نشی.
اول با تست بیزر مولتیمتر، مطمئن شو که هیچ اتصالیای بین خطوط مثبت و منفی وجود نداره. بعد، دو تا سیم کوتاه به حلقههای تغذیه و زمین هر نیمکره وصل کن و اونا رو به پینهای 3.3 ولت و GND برد ESP32 متصل کن.
یادت نره که تو ساختار ما، الایدیها به صورت زنجیرهای به هم وصلن. نیمکره کوچیکتر رو بردار و پین DIN اون رو به پایه IO21 روی ESP32 وصل کن. بعد پین DOUT همون نیمکره رو به پین DIN نیمکره بزرگتر متصل کن.
حالا باید فقط یه پین دیتای آزاد برات باقی مونده باشه و اون هم DOUT نیمکره بزرگتره که نماینده آخرین الایدی تو کل زنجیرهست.
همه اینا رو انجام دادی؟ حالا برد ESP32 رو روشن کن و کد برنامهای که در ادامه میذاریم رو روش آپلود کن. اگه همه الایدیها بدون مشکل روشن شدن، عالیه! یعنی کارت رو بینقص انجام دادی.
اما اگه دیدی یه جایی از مسیر دیتات قطع شده، نگران نباش. احتمالا همون قسمت یه لحیمسردی یا اتصالی کوچیک داری. یه نگاه دقیق بنداز و درستش کن؛ پیدا کردن این باگها هم بخشی از لذت الکترونیکه! ساختار این گوی واقعا پیچیدهست و اینکه تا اینجای کار رسوندیش یعنی شاهکار کردی!
جاسازی میکروکنترلر و باتری در قلب کره
حالا بریم سراغ مغز متفکر مدار یعنی برد ESP32. چون قراره این برد کلا داخل کره حبس بشه، دسترسی به دکمه خاموش/روشن روی برد کاملا غیرممکن میشه.
پس کلید روشن/خاموش رو از روی برد دیلحیم کن و به جاش دو تا سیم مسی کوچیک لحیم کن. این سیمها رو فعلا آزاد بذار تا بعدا یه کلید خارجی بهشون وصل کنیم تا وقتی رفت داخل گوی بتونیم از بیرون کنترلش کنیم.
برد ESP32 چند تا سوراخ پیچ تو گوشههاش داره. ما از پیچ استفاده نمیکنیم؛ به جاش این سوراخها رو با قلع پر کن. از این سوراخها برای اتصال فیزیکی برد به اسکلت گوی استفاده میکنیم و قراره نقش اتصال زمین (GND) رو هم بازی کنن!
نیمکره کوچیکتر رو بردار و برد رو طوری وسط کوچیکترین حلقهاش قرار بده که درگاه USB و کانکتور باتری از سوراخ حلقه به سمت بیرون باشن. حالا سوراخهای قلعاندود شده برد رو به اون حلقه کوچیک (که زمین مدار بود) لحیم کن. دو تا سیمی که برای کلید کشیده بودی رو هم از حلقه بیار بیرون و کلید رو بهشون لحیم کن.
بدنه فلزی کلید رو میتونی به همون حلقه زمین لحیم کنی تا محکم سر جاش فیکس بشه. فقط خیلی دقت کن که پایههای کلید با اسکلت کره اتصالی نکنه و کلید زیاد از بدنه بیرون نزنه که جلوی غلت خوردن گوی رو بگیره.
یه تیکه سیم صاف بردار و پین 3.3 ولت برد رو به حلقه تغذیه وصل کن. برای محکمکاری بیشتر میتونی چند تا سیم صاف دیگه بین حلقههای زمین و پینهای GND برد لحیم کنی تا ساختارت ضدضربه بشه. حتما پشت برد برای باتری جا بذار!
در نهایت پین DIN اصلی نیمکره رو به پین IO21 برد متصل کن. حالا بیس نیمکره اول کاملا ستاپ شده. باتری رو وصل کن و یه تست دیگه بگیر. همهچیز اوکیه؟ عالیه! حالا باتری رو با یه چسب دوطرفه قوی پشت برد ESP32 محکم بچسبون و کانکتورش رو وصل کن.
مونتاژ نهایی و اتصال دو نیمکره
با مولتیمتر یه بار دیگه چک کن که سوراخهای متصل شده برد به حلقه زمین، واقعا به GND وصل باشن. اگه نبودن، یه سیم کوچیک ازشون به نزدیکترین پین GND برد بکش تا زمین نیمکره دوم هم بدون مشکل تأمین بشه.
حالا یه سیم کوتاه بکش و DOUT نیمکره اول رو به DIN نیمکره دوم وصل کن (دقیقا مثل مرحله تست). بعد حدود 8 تا سیم کوتاه 2 میلیمتری ببر و به بالاترین حلقه نیمکره دوم لحیم کن.
از اونجایی که بالاترین حلقه تو هر دو نیمکره نقش تغذیه (VCC) رو دارن، با خیال راحت میتونی این دو تا حلقه رو مستقیما به هم متصل کنی. نیمکرهها رو با دقت روی هم قرار بده و با همون سیمهای کوچیک به هم لحیمشون کن.
حواست باشه فاصلهی بین دو نیمکره یکدست و منظم باشه تا شکل کره بههم نریزه. تو مرحله آخر، سوراخهای زمین برد رو هم با لحیم به حلقه زمین مربوطه متصل کن تا مدار کاملا بسته بشه. تبریک میگم! حالا یه کره نوری یکپارچه و خارقالعاده تو دستاته. لمسش کن و از ظرافتش لذت ببر. حس فوقالعادهای داره، مگه نه؟ حالا روشنش کن و ببین چطور کل اتاق رو نوربارون میکنه!
کدنویسی و خلق افکتهای نوری
برای راهاندازی این گوی باید کدهای آردوینو رو روش آپلود کنی. تو این پروژه از کتابخونه قدرتمند Neopixel Bus برای کنترل رشته الایدیها استفاده میکنیم که رابط کاربری خیلی خوب و روانی برای ساخت افکتها داره.
برای اینکه کنترل دقیقی روی انیمیشنها داشته باشیم، الایدیها تو قالب یه آرایه دو بعدی (11 سطر و 26 ستون) مپ (Map) شدن. اینطوری دقیقا میدونیم هر الایدی کجای کره قرار داره و میتونیم افکتهای سهبعدی بینظیری خلق کنیم. افکتهایی که تو کدها آماده شده شامل این موارده:
- چرخش دایرهای عمودی
- چرخش دایرهای افقی
- رنگینکمان عمودی
- رنگینکمان افقی
- افکت رنگینکمان ساده
- پترنهای نوری تصادفی
یه نکته خیلی مهم: میزان روشنایی (Brightness) تو کدها روی حدود 20 درصد محدود شده. چون اگه 194 تا الایدی رو با حداکثر توان روشن کنی، حدود 10 آمپر جریان میکشن و یه برد کوچیک و باتری فسقلی اصلا توانایی تأمین همچین جریانی رو ندارن! البته نگران نباش، حتی اگه روشنایی رو تو کد زیاد کنی، برد فقط به خاطر افت ولتاژ ریستارت میشه و آسیب فیزیکی جدی نمیبینه.
نتیجهگیری و پایان کار
امیدوارم از ساخت این پروژه بینهایت لذت برده باشی. طراحی و ساختار آزاد این مدار بدون شک یکی از چالشبرانگیزترین اما شیرینترین تجربههای لحیمکاریه. این گوی نوری حتی وقتی خاموشه هم شبیه یه اثر هنری رو میزت میدرخشه و دکور فوقالعادهایه. این کره نوری میتونه جذابترین دکور برای اتاق یا میز کارت باشه.
فراموش نکن که عکس و فیلمهای گوی نوری خفنی که ساختی رو تو اپلیکیشن آیسیمدار با بقیه بچهها به اشتراک بذاری. دیدن پروژههای کاملشدهی شما همیشه بهترین انگیزه برای ماست تا آموزشهای جذابتری براتون آماده کنیم. موفق باشی!
فایلهای پیوست
تو میتونی اولین سازنده باشی!
اگه پروژه رو ساختی به اشتراک بزار و اعتبار هدیه بگیر
این آموزش با استانداردهای اختصاصی آیسیمدار بازنویسی و بهینهسازی شده و تمامی حقوق انتشار آن متعلق به این مجموعه است و در صورت کپی یا بازنشر پیگرد قانونی خواهد داشت.
آموزشهای مشابه
گفتگوهای کاربران
هنوز نظری ثبت نشده؛ تو شروع کن!
هنوز نظری ثبت نشده؛ تو شروع کن!