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IcosaLEDron: Ein Multi-LED-Smart-Kugel

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IcosaLEDron: Ein Multi-LED-Smart-Kugel

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Was ist ein IcosaLEDron? Es ist ein programmierbarer, wiederaufladbarer 20-seitiger "Ball" mit einer RGB-LED auf jeder Seite. Im Inneren befindet sich eine benutzerdefinierte PCB mit dem ATMEGA328P ausgestattet, ist Arduino erlaubt eine einfache Programmierung von verschiedenen Effekten kompatibel. Mit zwanzig WS2812B LEDs (auch bekannt als Neopixels ) positioniert gleichmäßig um und einer 3-Achsen - Beschleunigungsmesser ist der IcosaLEDron eine sphärische Plattform für die Erstellung Lichteffekte basierend auf den Ball aufgebracht Beschleunigungen. Nach dem Brauch zu tun Inertialsensoranordnung Entwicklung MEMS haben wir beschlossen , die Regal MEMS mit handels ein Projekt zu tun Beschleunigungsmesser . Dies ist unser erstes Projekt mit 3D-Druck und Arduino.

Das Basisprogramm fühlt sich am Ball auf und leuchtet die obere LED entsprechend, egal wie Sie es drehen. Wenn der Beschleunigungsmesser Freifall erfasst, leuchtet die Kugel alle LEDs in einem Regenbogenmuster, das eine vibrierende Show des Lichtes und der Farbe schafft. Wenn keine Bewegung gemessen wird, schaltet die Elektronik ein und schaltet sich aus. Entworfen, um Open Source und leicht programmierbar, laden wir Menschen, die Möglichkeiten dieser Plattform zu prüfen. Stellen Sie sich vor, den IcosaLEDron als Würfel zu verwenden, wenn er gerollt wird, wird eine zufällige Anzahl von Gesichtern aufleuchten, oder ein Simon Says wie ein Gedächtnisspiel, bei dem Sie den Ball so drehen, dass er einem vom Gerät eingestellten Muster entspricht.

Mit dem IcosaLEDron, hoffen wir, zu begeistern Entscheidungsträger und Programmierer zu bauen, eigene, erstellen und teilen benutzerdefinierte Codes und helfen, eine Gemeinschaft von glücklichen Besitzern.

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Schritt 1: Entwicklung

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Vom Beginn unserer Arbeit an einer LED "smart" Kugel, 3D-Druck von Teilen hat Ideen für die Entwicklung leicht zu entwickeln. Wir waren in der Lage, mehrere Konzepte zu produzieren, zu modifizieren und iterieren Designs am selben Tag in den meisten Situationen. Während des gesamten Entwurfsprozesses blieb das grundlegende Konzept hinter dem IcosaLEDron das selbe - eine geometrische Kunststoffrahmen-Gehäuseelektronik, um eine Anzahl von LEDs, die gleichmäßig um eine gummiartige kugelförmige Schale positioniert sind, zu versorgen und zu steuern.

Einige Entwürfe wurden getestet, bevor sich unser Fokus auf eine Form verlagerte, die leicht entfaltet und verdrahtet werden konnte. Dies war ein Ikosaeder, das flach gedruckt, zusammengebaut und zusammengelegt werden konnte. Es wurde entworfen, um eine frustrationsfreie Montage trotz seiner geringen Größe zu ermöglichen; Über die eines Baseballs. Mit ineinandergreifenden Zapfen und Befestigungen, die über mehrere Iterationen entwickelt haben, ist die IcosaLEDron ziemlich stabil, wenn abgeschlossen.

Schritt 2: 3D-Druck von mechanischen Teilen

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Herunterladen und drucken die gefundenen Dateien hier: Thingiverse - IcosaLEDron

Dazu gehören starre Kunststoffteile gedruckt in ABS oder PLA, und die Gummi - Außen , die wir mit Druck NinjaFlex Wasser (halbtransparent) thermoplastischen Elastomer (TPE) Filaments. Diese beiden Stücke werden später zusammengeklebt.

Alle Teile sind flach und ohne Träger bedruckbar. NinjaFlex kann auf einigen Druckern schwer zu bedienen sein. Um dies zu bewältigen haben wir mit dem Gießen des Stückes in durchsichtigem Gummi experimentiert.

Für das Rapid Prototyping wird der 3D-Druck immer mehr zugänglich. Jeder mit einigen Modellierung und CAD-Kenntnisse können virtuelle Objekte, kompliziert und präzise, ​​um die Realität in Kunststoff zu bringen. Eine der größten Sachen zum 3D-Druck ist die schrittweise aktive Teilung von Qualitätsmodellen online. Webseiten ähnlich Thingiverse , YouMagine etc. bieten einen Ort für die gemeinsame Nutzung von Nutzern eingereichten Modelle frei von der skulpturalen der Nutzungs bis hin zum Download bereit .

Schritt 3: Schaltungsentwurf

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Schaltungsentwurf ist der erste Schritt zum Aufbau der Elektronik. Es gibt eine Reihe von kostenlosen oder kostengünstigen Schaltplänen und Layout-Tools zur Verfügung.

  • Adler - Adler CAD ist sehr häufig (Sie können direkt Eagle - Board - Dateien hochladen OSHpark ), niedrige Kosten und relativ einfach zu bedienen. Tutorials gibt es hier, hier und hier.
  • KiCAD - Ein Open - Source kostenloses Tool , das auch sehr beliebt ist.
  • Fritzing - Fritzing ist eine weitere Open - Source - Tool.

Wenn Sie eine Steckbrett Version eines erstellt haben Arduino kompatibles Board dann haben Sie eine gute Vorstellung davon , was das Schaltschema aussehen sollte. Wenn nicht, beginnen Sie mit Blick auf einige Open-Source-Beispiele der Mikrocontroller-Boards. Alle der Arduino - Boards sind Open Source und haben eine schematische verfügbar. Außerdem untersuchen das Datenblatt für den Atmel - Prozessor und anderen Komponenten auf der Platine gehen. Die Hersteller von integrierten Schaltkreisen haben oft hilfreiche Informationen in den Datenblättern und Anwendungshinweisen. Die Komponentenauswahl muss auch während des Entwurfs berücksichtigt werden. Haben Sie keine Angst, SMT-Geräte zu verwenden - sie können leicht an die Platine durch eine Reihe von DIY Methoden gelötet werden (BGAs sind etwas schärfer aber). Im Idealfall, wenn das Schema vollständig ist, haben Sie alle Komponenten richtig ausgewählt. Dies bedeutet , dass Sie die Art der Verpackung identifiziert haben jede Komponente sowie einen Anbieter für jeden Teil ( Octopart kann hier wirklich helfen). Für das Beispielprojekt machen wir ein Brett mit einem ATMEGA328P und MMA8652 3 - Achsen - Beschleunigungsmesser an Bord wie in der schematischen gesehen werden. Diese Platine verfügt auch über ein eingebautes Ladegerät für eine LiPo-Batterie und einen sechspoligen Anschluss für die Programmierung über einen AVR-Anschluss.

Schritt 4: Board-Layout

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Nach Fertigstellung des Schaltplanes ist es Zeit, auf das Layout zu wechseln. In diesem Schritt werden Sie lokalisiert, wo jede Komponente auf die Platine gehen und Routing der elektrischen Verbindungen. Wichtige Parameter wie Platinengröße, Anzahl der Platinenschichten und minimale Platz- und Bahnbreite müssen zuerst ermittelt werden. Im allgemeinen steigt die Kosten, wenn die Anzahl der Schichten ansteigt und die minimale Raum- und Spurbreite abnimmt. Für einen Anfänger - Projekt sind zwei Schichtplatten kostengünstig und allgemein ausreichend für einfache Arduino - Boards.

Mehr fortgeschrittene Werkzeuge haben Auto-Platzierung und Routing, die diesen Prozess schnell geht. Der Eagle - Autorouter funktioniert ziemlich gut , aber ich lege noch Komponenten manuell. Da diese Schaltungen relativ niederfrequent sind, ist die Platzierung der Komponenten nicht extrem kritisch (immerhin funktioniert eine Steckbrettversion gewöhnlich). Aber für die manuelle Komponentenzuordnung, ist es am besten, assoziierte Komponenten zusammen auf der Platine zu halten. Zum Beispiel können die meisten Atmel-Mikrocontroller einen Kristalloszillator verwenden. Das Platzieren des Kristalls in der Nähe der zugehörigen Pins auf dem Mikrocontroller ist gut. Dies minimiert die Anzahl der Durchkontaktierungen und die Verfolgungslänge, die erforderlich ist, um den Kristall mit dem Mikrocontroller zu verbinden.

Führen Sie nach dem Platzieren und Routing eine Entwurfsprüfung durch. Zumindest überprüft dieser Schritt, dass alle unabhängigen elektrischen Signale durch den minimalen Raum getrennt sind, der auf der Platine geätzt werden kann. Entwurfsregeldateien können vom Herstellungshersteller erstellt oder heruntergeladen werden.

Schritt 5: Plattenherstellung

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Wenn das Board die Designregelprüfung bestanden hat, ist es Zeit, die Dateien an den Hersteller zu übermitteln. Viele Hersteller sind jetzt verfügbar. Das Erhalten eines Brettes ist einfacher und preiswerter als überhaupt. Einige, die ich verwendet habe, sind unten aufgelistet.

Ich benutze OSHpark am häufigsten. Sie sind nicht die billigsten, aber es ist einfach zu bedienen und relativ schnell. Ihre Website akzeptiert Eagle-Board-Dateien. Direkt hochgeladene Eagle-Board-Dateien werden konvertiert und Vorschaubilder erstellt. Andere Websites akzeptieren im allgemeinen Gerber - Dateien . Eagle erzeugt Gerber-Dateien - Sie müssen den CAM-Prozessor und die zugehörigen .cam-Dateien verwenden. Diese Dateien können in der Regel vom Hersteller heruntergeladen werden, oder Sie können einen erstellen. Zur Herstellung von Gerber - Dateien für einen bestimmten Anbieter folgen ihren Anweisungen und Ratschläge. Gerbv ist ein Open - Source - Gerber - Viewer, der einfach zu bedienen ist. Die Überprüfung Ihrer neu erstellten Gerber-Dateien ist eine gute Idee.

Schritt 6: Platinenmontage

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Die Platinenmontage erfordert Folgendes:

Die manuelle Montage der Komponenten auf der Platine ist der beste Weg, um einige Prototypen zu machen. Um dies zu tun Montageort Lotpaste mit der Hand oder mit einer Schablone. Sparkfun ein schönes stenciling hat Tutorial . Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung eines scharfen Sonde Lotpaste auf jedem Pad auf der Leiterplatte einzeln zu platzieren. Dies ist langsamer als die Schablone Ansatz, aber es ist gut genug, wenn man ein Brett auf einmal. Dann mit Pinzetten setzen jede Komponente auf dem Brett. Mit einem optischen Mikroskop hilft, aber die Arbeit kann noch ohne ein Mikroskop durchgeführt werden.

Nach dem Platzieren aller Komponenten reflow das Lötmittel. Die einfachste Methode ist die Verwendung und elektrische Bratpfanne oder eine heiße Platte. Eine Reihe von DIY-Reflow-Ofen-Projekte wurden, die auch funktionieren. Die Skillet-Methode ist wahrscheinlich am einfachsten mit zu beginnen. Dieses Brett wurde auf einer Oster-elektrischen Pfanne von Target refluziert. Legen Sie Ihr Brett auf die Pfanne. Drehen Sie die Temperatur auf etwa 400 Grad F. Warten Sie etwa 5 Minuten. Schalten Sie die Pfanne. Lassen Sie das Board einige Minuten abkühlen, bevor Sie es aus der Pfanne nehmen. Dieses Verfahren sollte das ungefährste Temperaturprofil erzeugen, das für das oberflächenmontierte Löten der meisten Komponenten erforderlich ist.

An dieser Stelle sollten Sie eine fertige, programmierbare Karte haben.

Schritt 7: Programmierung des Mikrocontrollers

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Der Mikrocontroller ist ein ATMEGA328P so kann es mit Hilfe der so programmiert werden , Arduino IDE . Die folgende Methode verwendet ein Arduino Mega 1280 als ISP . Verbinden Sie zunächst den Arduino Mega mit einem sechspoligen ISP-Anschluss. In diesem Beispiel wird ein Pogo - Pin - Adapter von Sparkfun. Sechs Verbindungen zum Arduino Mega müssen vom Pogo Pin Adapter hergestellt werden. Reset wird mit Pin 53 verbunden. MOSI verbindet mit 51. MISO verbindet mit 50. SCK verbindet mit 52. Vcc verbindet mit +5 und Masse mit Masse auf der Arduino-Platine. Die ArduinoISP-Beispielskizze ist mit Version 1.06 der Arduino IDE vorinstalliert. Die Kommentare dieser Skizze listen auch diese Verbindungen auf. Nach dem Anschließen des Mega an den Pogo-Pin-Adapter werden die Pins auf die Platine gedrückt. Um den Arduino Mega als ISP in der IDE zu verwenden, wählen Sie unter "Tools / Programmer" den Programmierer "Arduino als ISP". Ab diesem Punkt können Sie Ihren Code mit dem "Upload using programmer" unter "File." -u führt denselben Befehl aus. Eine andere Möglichkeit ist, einen Arduino-Bootloader zu laden. Die Platine für dieses Projekt läuft auf 8MHz und 3.3V, so dass die Auswahl der "Arduino Pro oder Pro Mini (3.3V, 8MHz) w / Atmega328" Board im Menü "Tools / Board" den richtigen Bootloader auswählen wird. Um den Bootloader zu brennen, benutzen Sie im Menü "Tools" den Befehl "Bootloader booten".

Schritt 8: Baugruppenliste

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Sammeln Sie die Teile benötigt, um die IcosaLEDron zusammenzubauen. Dazu gehören die 3D-gedruckten Teile und montierte Platine aus früheren Schritten, sowie Hardware und Leim.

3D gedruckte Teile

  • Icosahedron Netz: 3D gedruckt in ABS oder PLA
  • Flexibles, transparentes äußeres Ikosaeder: 3D transparentes NinjaFlex oder experimentell gegossener Gummi
  • Chassis für Leiterplatte und Batterie: 3D gedruckt in ABS oder PLA
  • 2x Befestigungskappen: 3D bedruckt in ABS oder PLA

Hardware

Elektronik

  • 1x Mikrocontrollerplatine
  • 20x WS2812B RGB LEDs
  • Draht: Verseiltes 28 oder 30 Gauge
  • 1x LiPo Batterie 400 bis 500 mAh Kapazität
  • Winkelstecker

Werkzeuge

  • Lötkolben und Löten
  • Drahtschneider / Stripper
  • Kreuzschlitzschraubendreher
  • Pinzette

Schritt 9: Endmontage Teil eins: Kleben

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Einige Teile müssen zusammen geklebt werden, um die Haltbarkeit zu gewährleisten und die Teile vor dem Brechen frei in der Kugel zu halten. Super Kleber wird empfohlen; Es ist preiswert und verschmilzt Kunststoffe gut zusammen. Es ist chaotisch, so vermeiden mit auf jede schöne Möbel.

1. Das flexible äußere Ikosaeder muss mit dem harten Kunststoff-Ikosaeder-Netz verklebt werden, wobei die beiden Teile zusammenlaminiert werden. Stellen Sie das harte Plastiknetz glatte Seite herauf auf stabile ebene Oberfläche. Tragen Sie Leim in einer kontinuierlichen Perle Tracing der Dreiecke. Ausgerichtetes weiches Schalennetz über Rahmen und Presse auf geklebte Oberfläche. Überschüssiger Leim wird wahrscheinlich sickern und sollte entfernt werden. Putting so etwas wie ein Buch oder eine Box auf die Stücke über die Oberseite gleichmäßig für einige Minuten hilft sicherzustellen, dass es bleibt zusammen.

2. Nachdem der Klebstoff vom vorherigen Schritt eingestellt worden ist, drehen Sie das Stück um. Kleben Sie die LEDs an Ort und Stelle - beachten Sie Richtungspfeile auf der Rückseite jedes LED-Chips. Die Pfeile müssen nach oben und nach unten zeigen, beginnend mit dem Dreieck markiert als Nummer eins und nach oben. Tragen Sie Kleber in Tropfen oben und unten jedes Quadrat ausgeschnitten. Drücken Sie LED-Bretter in Aussparungen, lichtemittierende Seite nach außen gerichtet in Richtung Außenschale. Vor dem Löten der Drähte einige Minuten einwirken lassen.

3. Drücken Sie eine M2 Sechskantmutter in den Schlitz, der sich in der Mitte des ersten Stegs an der Kante des Ikosaedernetzes befindet. Dies ist, was die endgültige Schließschraube einfädeln wird.

Schritt 10: Endmontage Teil 2: Verdrahtung

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In diesem Schritt werden die Mikrocontrollerplatine, die Batterie und die LEDs angeschlossen. Dies erfordert die zweiteiligen Rahmen mit LEDs im vorherigen Schritt montiert, die 3D gedruckten Chassis für die Platine und Batterie, komplette Mikro-Controller-Board und LiPo-Batterie. Sechs Stift-Header, Lötmittel und einige Hardware werden auch an diesem Punkt verwendet werden.

  1. Befestigen Sie Baugruppe und Batterie an Chassis und schließen Sie Batterie an.
    1. Beginnen Sie mit dem Löten der rechten Winkel sechs Stiftkopf, um die bezeichneten Durchgangslöcher auf der Platine, so dass es abgewinkelt und Komponenten von der Oberfläche des Mikrocontrollers entfernt.
    2. Schraube zu 3D gedrucktem Chassis. Zuerst zwei M2-Sechskantmuttern in hexagonale Vertiefungen auf einer Seite des Chassis drücken. Setzen Sie die Mikrocontrollerplatine, die Komponenten auf, die Kopfstifte in Richtung der Anzeige, auf die flache Oberfläche des Chassis. Richten Sie die beiden Schraubenlöcher an Bord mit denen auf dem Chassis aus und befestigen Sie sie mit 4mm M2 Schrauben, durch Sechskantmuttern auf der gegenüberliegenden Seite.
    3. Schieben Sie den Akku in die Halterung an der Unterseite des Schlittens, achten Sie darauf, dass Sie keine Schraubenköpfe, die belichtet werden können, abschaben. Die Verwendung der vorgesehenen Schraubenlängen sollte jegliche Behinderung verhindern. Die Batterie passt gut.
    4. Schließen Sie die Batterie an die Platine an. Obwohl ein Stecker möglich ist und in späteren Versionen dieses Gerätes vorhanden ist, wird der Akku hier direkt an die Platine gelötet. Hierzu wird der an den Batterieleitungen angebrachte Stecker entfernt. Schneiden Sie jeden Draht einzeln, um nicht schockiert zu werden oder die Batterie zu beschädigen. Löten Sie die positive Leitung, rote Ader, auf das Loch V + und das schwarze Kabel auf GND an Bord, wo die beiden Löcher vorhanden sind. Achten Sie darauf, die freiliegenden Drahtenden nicht zusammen mit anderen Teilen der Platine zu berühren.
  2. Verdrahten Sie alle LEDs in der Richtung, die durch die Pfeile auf der Rückseite der beiden gekennzeichnet ist. Sie benötigen Drahtabschnitte in zwei verschiedenen Längen hier - ungefähr einen halben Zoll für die kurzen Abstände (14 Fälle) und zwei Zoll für die längeren Ausdehnungen (5 Fälle). Es ist hilfreich, eine kleine Menge an Lötmittel auf die LED-Anschlüsse und Drahtenden zuerst aufzubringen. Mit Pinzetten an den Drähten halten ist hilfreich. Lötkolben bis zur dritten LED in der Säule anlöten. Verwenden Sie die längeren Schnitte des Drahtes zur Überbrückung auf benachbarte LED mit Pfeilen nach unten. Setzen Sie die Verdrahtung der Spalten der LEDs zusammen ein Eine Seite Die andere mit kurzen Drähten und von einer Reihe zur nächsten mit den längeren. Beachten Sie, dass zwischen der 10. und 11. LED die längeren Schnitte des Kabels verwendet werden müssen, um den Pfosten zu vermeiden, an dem das Board und das Batterie-Chassis befestigt werden.
  3. Vorbereiten, LEDs an Bord zu verbinden. Eine dritte Länge des Drahtes, ungefähr drei Zoll, wird hier verwendet. Während die IcosaLEDron noch entfaltet ist, löten Sie diese Drähte auf die erste LED. Es ist hilfreich, auf jedem Draht eine schwarze Markierung anzugeben, die 5V, GND und DIN entspricht. Warten Sie, bis zum Mikrocontroller zu löten.
  4. Befestigen Sie das Board und den Batteriewagen mit dem IcosaLEDron Netz. Beachten Sie die beiden keilförmigen Stützen, die für die Befestigung der Chassismontage am Rahmen vorgesehen sind. Erste Schraubenrückseite des Chassis, Seite gegenüberliegende Stifte, zur Mitte aufrecht mit zwei 4mm Schrauben. Falten Sie das Netz so, dass die Schraubenlöcher der Vorderseite der Chassis-Baugruppe denen am Ständer am Rand des Netzes entsprechen und befestigen Sie sie mit zwei weiteren 4mm-Schrauben. Die Hälfte des IcosaLEDron nimmt Form, Brett oben und Batterie nach unten und nach innen.
  5. Schließen Sie die an die erste LED angeschlossenen Drähte ab Schritt 3 an die Micro-Controller-Platine an. Wenn die IcosaLEDron halb zusammengefaltet ist, löten Sie die entsprechenden Drähte von LED 1 zu den drei Kontakten an Bord; 5V auf LED zu + V an Bord, Din auf LED zu DATA an Bord und gnd zu GND. An diesem Punkt wird das IcosaLEDron aufleuchten und reagiert auf Bewegung.

Schritt 11: Endmontage Teil drei: Fold Up

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Jetzt sehen Sie die IcosaLEDron nehmen Form, alles, was bleibt sind die Endkappen halten die Ecken zusammen von innen. Vorbereiten der Kappen zuerst durch Drücken einer Mutter in die hexe geformte Vertiefung auf beiden, legte eine Scheibe auf eine 16-mm-Schraube und Faden durch die Innenseite jeder Kappe nur ein wenig. Falten Sie sich fest in einen Ball und Sie werden bemerken, dass die vier inneren Stifte an jedem Ende zusammen kommen. Sie werden auch bemerken, eine Frontklappe Ergebnisse, die Sie auf die Bord-und Endkappen zugreifen können. Halten Sie die Form zusammen und gleiten Endkappe und Schraube Kombination an Ort und reißt über die internen Stifte. Ziehen Sie die Schraube fest, um die Ecken zusammenzuhalten, aber seien Sie vorsichtig, die Batterie nicht zu punktieren. Die Scheibe sollte über die flexible äußere Schicht hinausgehen und auf den Ecken des starren Kunststoffs aufliegen, wobei der Kopf der Schraube daran gehindert wird, an der Schale vorbei zu ragen. Wiederholen Sie für die andere Seite. Die Frontklappe kann nun mit einer 6 mm Schraube von außen geschlossen und befestigt werden.

Laden und Programmieren

Die Platine ist mit einer LiPo-Ladeschaltung ausgestattet. Verwenden Sie ein FTDI - Kabel , das USB - Seriell - wandelt das Gerät zu laden und zu programmieren. Der sechspolige Stecker ist mit dem Kopfteil auf der Platine verbunden. Der schwarze Draht am FTDI-Kabel sollte am nächsten am Stift mit der Bezeichnung GND am Header sein. Mit diesem FTDI-Kabel können Sie mit dem Board mit der Arduino IDE sprechen.

Herzlichen Glückwunsch, Sie haben erfolgreich die IcosaLEDron zusammengebaut! Wir schätzen alle Rückmeldungen und freuen uns darauf, zu hören, was die Leute mit ihren eigenen Multi-LED-Smart-Ball tun.

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