Представляю проект 3D светодиодного куба (LED Cube) с матрицей 4х4х4.

64 светодиода образуют куб со сторонами 4х4х4, который управляется микроконтроллером Atmel Atmega16. Каждый имеет свой виртуальный адрес и может управляться с микроконтроллера индивидуально, позволяя таким образом добиваться потрясающих эффектов.

Видео работы куба смотрите ниже:

Итак, начнем...

Шаг 1. Что нам понадобится?

Первое, это терпение спаять все 64 светодиода вместе;)

Список радиодеталей:
Макетная плата (ну или вытравленная печатная)
Микроконтроллер Atmel AVR Atmega16
Программатор Atmega16
64 светодиода
2 светодиода состояния. Я использовал красный и зеленый. (опционально)
Микросхема Max232 rs-232 или подобная
16х резисторов для светодиодов. (100-400 Ом)
2x резистора по 470 Ом для светодиодов состояния
1x резистор 10кОм
4x резистор 2.2кОм
4x NPN транзистора BC338 (отеч. аналоги КТ645, КТ646, КТ660Б) или другой выдерживающий ток до 250 мА
1x 10мкФ конденсатор
1x 1000мкФ конденсатор
6x 0.1мкФ керамический конденсатор
2x 22пФ керамический конденсатор
1x кварц 14.7456 MHz
2x кнопки
Выключатель питания
Разъем питания 12В
Разъем питания 5В

Шаг 2. Мультиплексирование

Как управлять 64 светодиодами, если нет столько выводов управления? Мультиплексирование!

Если к аноду каждого светодиода присоединить вывод управления, то это будет непрактично, да и выглядеть будет не очень красиво. Один из способов побороть эту проблему - это разделить куб на 4 слоя, в каждом из которых будет 4х4=16 светодиодов.

У светодиодов в вертикальных колонках общий анод (+)
У светодиодов в горизонтальных плоскостях общий катод (-)

Теперь, если нужно засветить светодиод в верхнем левом углу сзади (0,0,3), необходимо подать GND(-) к верхнему слою и Vcc(+) к колонке в левом углу куба.

Если нужно засветить один светодиод или полностью весь слой, то это работает отлично...

Однако, если нужно засветить нижний правый угол спереди (3,3,0), возникают проблемы. Когда я подал GND на нижний слой и Vcc к передней левой колонке, я также засветил верхний правый светодиод спереди (3,3,3) и нижний левый светодиод сзади (0,0,0). Эта проблему казалось бы не побороть, без использования 64 индивидуальных линий управления светодиодами.

Но можно одновременно засвечивать только один слой и делать это очень быстро, чтобы глаз не успел разглядеть время переключения между слоями. Этот эффект называется

Каждый слой - это изображение из 4х4=16 точек (светодиодов) и если мы будем быстро переключать слои, то мы получим 4х4х4 3D куб!

Шаг 3. Конструирование шаблона для куба

Спаять обьемный куб из 64 светодиодов без каких-либо приспособлений будет сложно. Поэтому мы облегчим нашу задачу воспользовавшись инструментом и приспособлениями:

Для начала, изготовим шаблон 4х4 из дерева.

Т.к. я не хотел сильно замарачиваться с решеткой куба, то решил по возможности использовать выводы светодиодов как основу решетки куба. Дистанция линий на сетке шаблона была выбрана исходя из длины ножек светодиодов. У меня получилось 25мм. Т.о. при такой сетке, нет необходимости что-либо наращивать или обрезать.

Итак, последовательность действий:
- найти и вырезать кусок фанеры
- нарисовать на ней решетку 4х4
- сделать углубления на всех пересечениях шилом или другим инструментом
- найти сверло, чтобы светодиод уверенно стоял в отверстии, и в то же время в последствии вы его могли легко вытащить
- просверлить 16 отверстий в шаблоне

Шаблон для куба готов!

Шаг 4. Конструирование светодиодных слоев

Итак, нам необходимо спаять 4 слоя светодиодов по 16 в каждом, а затем все 4 слоя спаять в один обьемный куб.

Процесс изготовления одного слоя (4х4) из светодиодов следующий:
- вставьте светодиоды в отверстия по 2-м дальним сторонам от вас и спаяйте их между собой
- вставьте светодиоды для следующего ряда, и также их спаяйте
- заполните так всю матрицу из 16 шт
- спереди, где нет соединения, добавьте связующие пересечения
- повторить процедуру 3 раза для оставшихся слоев.

Шаг 5. Конструирование куба

Все четыре слоя готовы, осталось их спаять вместе в один куб.

Положите первый слой на шаблон вниз головой. Это будет верхний слой куба.

Поместите второй слой на первый и очень точно совместите их. Также соблюдите расстояние между слоями 25мм, чтобы у вас получился идеальный куб. Это расстояние между катодами.
После того, как все выставили (воспользуйтесь приспособлением "третья рука"), припаяйте угловой анод первого слоя к угловому аноду второго слоя. И так все 4 угла.

Еще раз проверьте, чтобы все слои были выравнены относительно друг друга во всех измерениях. Если это не так, то подогните или перепаяйте. После этого, спаяйте 12 оставшихся светодиодов.

Повторите процедуру для оставшихся 2-х слоев.

Шаг 6. Подбор токоограничивающих резисторов

Ток микроконтроллера AVR в сумме не может превышать 200 мА. Т.о. 200/16 дает нам 12 мА на один светодиод.

Я использовал резисторы номиналом 220 Ом. Получилось как раз 12 мА на один светодиод.

Шаг 7. Схемотехника

Схема контроллера для управления кубом, показана на рисунке выше.

RS-232 опционален и может быть опущен (микросхема IC2).

Шаг 8. Присоединение МК к светодиодному кубу

Обьяснять я думаю не надо, все показано на картинках.

Шаг 9. Программа, компиляция и прошивка МК

Наш куб готов, осталась только программная часть.
Вы можете использовать мою программу, написать сами ее, либо дополнить мою программу дополнительными эффектами.

Если вы захотите использовать ATMega32 вместо ATMega16, то необходимо будет поменять настройки в makefile и перекомпилировать.

Для прошивки МК я использовал и программатор .

Итак, сперва нужно соединение программатора с микроконтроллером. Подсоедините программатор к плате куба и ПК.
Команда: avrdude -c usbtiny -p m16

Наш куб должен будет перезапуститься и стартовать. МК запуститься на очень низкой частоте 1 МГц используя встроенный тактовый генератор. Некоторые LED работать не будут, потому что порты GPIO заняты под JTAG.

Чтобы подключить внешний тактовый генератор и выключить JTAG, нужно перезаписать фьюзы:
введите: avrdude -c usbtiny -p m16 -U lfuse:w:0xef:m
затем: avrdude -c usbtiny -p m16 -U hfuse:w:0xc9:m

Все, после этого, наш светодиодный куб должен запуститься в нормальном режиме!

Ниже вы можете скачать прошивку, исходники и печатную плату в формате LAY

Список радиоэлементов

Обозначение	Тип	Номинал	Количество	Примечание	Магазин	Мой блокнот
IC1	МК AVR 8-бит	ATmega16	1			В блокнот
IC2	ИС RS-232 интерфейса	MAX232	1			В блокнот
IC3	Линейный регулятор	LM7805CT	1	7805T		В блокнот
Q2-Q5	Биполярный транзистор	BC338	4	КТ645, КТ646, КТ660Б		В блокнот
LED1, LED2	Светодиод	АЛ307В	1			В блокнот
	Светодиод	АЛ307Б	1			В блокнот
	Светодиод		64	Куб		В блокнот
C1-C5	Конденсатор	0.1 мкФ	6			В блокнот
C9		10 мкФ	1			В блокнот
C10	Электролитический конденсатор	1000 мкФ	1			В блокнот
	Конденсатор	22 пФ	2	Керамика		В блокнот
R1-R16	Резистор	100-400 Ом	16	12 мА на один светодиод		В блокнот
R17	Резистор	10 кОм	1			В блокнот
R18-R21	Резистор

Куб описанный на этой странице использует 5 х 5 х 5 матрицу с одним цветом светодиода. Это хороший размер для эксперимента, но количество светодиодов требуется 125, что ведет к увеличению расходов. Мощность - до 1 амп ток и 5В напряжение т.е. 5Вт (арифметика простая).

Весь куб обновляется каждые 10МС (100Гц). Это не приводит к никаким видимым мерцаниям.

Каждый из светодиодных слоев расположены в 5 х 5 матрице и контролируются транзисторами подключенных к светодиодным анодам. При соответствующем контроля слоя из ПОС выходит высокий уровень базы транзистора, +5 V и эмиттер находится около 0,7 вольт. Транзисторы используются BC637 NPN , если альтернативные используется должны быть аналогичной спецификации.

Катоды из светодиодов подключены к IC2 И IC3. Эти STP16CP05 16-бит постоянного тока драйвер для светодиодов. В 680R Резистор дает светодиодный ток ~ 28mA;номинал этого резистора может быть изменен для установки различных светодиодов (у разных светодиодов разные номинальные данные).

Один слой куба:

Одна колонка светодиодов в кубе:

Конденсаторы обеспечивают электропитание... C4 и C5, в частности, являются важными и должны быть танталовые, расположенных рядом с ICs.

Что касается светодиодов можно использовать практически любые 5 мм или 3 мм светодиоды, как Вы хотите.

По моему мнению кубик с 3 мм светодиоды они имеют большее пространство внутри куба, которое делает его визуально более красивее.

Рис. 3


Рис.4

Рис.5

Рис. 6


Рис.7

Рис. 9

Рис.10

Рис. 12

Рис 1. Анода должен быть согнут под углом 90 °.

Рис 2. Аноды соедините вместе, а катоды должны быть прпендикулярны анодам.

Рис 3. Использование 5 вольт питания и резистор (от 120 до 330 Ом), необходимо проверить и визуально убдится,что все спаяно правильно. Подайте "+" на анод, а "-" на катод и светодиод должен загорется. Сопротивление необходимо для ограничения тока! Не забудьте при проверке!

Внимание. Если вы пропустите этот тест и получите светодиоды собраны в кубе, найти светодиод не рабочий, будет очень трудно!

Рис 4,5,6. Установка светодиодов в следующей строке и припаять их аноды вместе.

Рис 7. Продолжить установку светодиодов в каждой из строк, пайки и тестирование, как вы идете.

Рис 8. Со всеми пятью рядами завершили, припаять провода во всех строках провести слоем в форму. Этот провод служит также электрические соединения. Обратите внимание, каким проводам идет над и под светодиод анода приводит.

Повторите предыдущие шаги для каждого из пяти слоев.

Рисунок 9-12. Эти фотографии показывают общее расположение светодиодов куб.

Доброго времени суток, друзья и гости сайта "Радиосхемы"! Закончил свой второй светодиодный куб. Схему и печатку нашел в просторах интернета, уже не помню где точно. После , хотелось чего-то побольше, посолиднее что-ли. Как раз и подвернулась эта схемка. На реализацию с закупкой деталей ушло около месяца. Первый запуск производился, как всегда, в навесном виде, собранным кое-как. Часть не работала, о корпусе и речи не было, на один этаж светодиодов вообще не хватило и пока так оставил на тот момент, просто хотелось посмотреть на него перед новым годом, а это было 30 декабря 00:01 на часах. Не горели два ряда по 8 этажей светодиодов и 4 светодиода горели постоянно. Недавно отремонтировал, проблема оказалась в том, что был обрыв дорожек на одной микросхеме (видимо когда травил, там тонер был поцарапан или волосок какой попал под него), а проблема с горящими постоянно светодиодами была исправлена путем проверки ключей управления с их обвязкой (не хотел покупать в DIPe транзисторы, купил в корпусе sot-23, при компактной разводке необходимо было использовать перемычку, smd резистор 0 сопротивления, 0805 типоразмера моего любимного, ну и закоротил этой перемычкой на дорожку между двумя транзисторами). При пайке самого куба был обнаружен недочет - ножки светодиодов коротковаты, а хотелось большой куб, ну и пришлось надставлять каждую ножку наращивать - сколько же терпения потребовалось... Led cube имеет всего 512 светодиодов по 2 ножки = 1024. Был коробок обрезков от резисторов и конденсаторов, его весь израсходовал. Потом проволока луженая пошла, ее несколько метров ушло, теперь ни одной ножки нет отрезанной. Но это были еще мелочи. Потом нужно было соединять этажи между собой, вот тут ушло около 2 дней только на это. При этом выявляются все кривые моменты, которые были незначительны при сборке этажей. Ну ничего, выровняли. Два дня были затрачены на изготовления корпуса из пластика от холодильника, ну там все крепления для платы, крепеж крышки, индикация, панель управления... Проводки на плате были аккуратно примазаны селиконовым герметиком, на случай "а мало ли чё". Для пайки этажей в ДСП сверлил небольшие отверстия, чтобы ставить светодиоды, а потом паять. Так удобнее, но потом понял, что надо было отдельно линиями паять, а не этажами - так куда проще.

Схема LED CUBE

Общий вид:

Покрасил короб куба в матовый цвет.

Лицевая и тыльная панель:

Внутренности с бородой из 72 проводов:

Провода рядов светодиодов приклеенные силиконовым герметиком:

Площадка-крепление для платы с противоположной стороны относительно входа питания и панели индикации с кнопками:

Панелька с кнопками управления кубом и весь вид в сборке:

Выявил еще один недостаток: светодиоды нужно было покупать матовые, а не сверхъяркие, а то по глазам чуть бьет. Фьюзы для ПониПрога далее, вроде шил Khazama"ой, ориентируюсь на Spienб так что даже не запоминаю от чего выкладываются фьюзы.

Прошивка и файл Eeprom"a, печатная плата и всё остальное для куба в архиве . Шил сначала память, потом прошивку, и про фьюзы не забываем. Видео снимал ночью. На одном виде led cube стоит на коробе, а на втором перевернут вверх-ногами.

Видео LED CUBE

В данном кубе также имеется COM-порт для подключения к компьютеру, чтобы через программу можно было самостоятельно послойно создавать фигуры, а потом проиграть их все вместе. Можно и без куба их создавать, потом подключить и увидеть, а можно в режиме реального времени зажигать определенные светодиоды и видеть их. Правда не пробовал еще так, надо провод поискать и компьютер с разъемом таким, или переходник под USB. Позже смотрел многоцветные светодиоды, думал их заказать, но на куб наверное они не самый лучший вариант, они ведь мигают в определенной последовательности, а там не знаю как получилось бы... В общем заказал RGB 100 штук, побалуюсь потом... Автор проекта DGR .

Обсудить статью LED CUBE

В проекте предложена конструкция светодиодного куба (LED cube) 4x4x4 стоимостью около 15 долларов.

В кубе использовано 64 зеленых светодиода, которые формируют 4 слоя и 16 колонок. Управление кубом реализуется на базе Arduino. Приведен пример программы для Arduino Uno, в которой реализовано управление каждым отдельным светодиодом из всего массива.

Необходимые детали для проекта

• 64 светодиода
• 4 резистора на 100 Ом
• Коннекторы для распайки
• Проводники
• Макетная плата для распайки
• Коробка
• Источник питания на 9 В
• Arduino Uno

Инструменты, которые могут вам пригодиться, приведены на фото ниже.

Формируем основу светодиодного куба

Можете воспользоваться эскизом, который приведен . Распечатайте его и наклейте на картонную коробку. При печати проверьте, чтобы был выставлен фактический размер и горизонтальная ориентация. Карандашом сделайте отверстия в узловых точках. Проверьте, хорошо ли садятся светодиоды в подготовленные отверстия.

Собираем светодиодный куб

Возьмите 64 светодиода и проверьте их работоспособность, подключив каждый к пальчиковой батарейке. Это, конечно, скучная процедура, но она необходима. Иначе из-за одного нерабочего светодиода впоследствии может быть куча проблем. Установите 16 светодиодов в отверстия в соответствии со стрелками на распечатке. Красные стрелки соответствуют плюсу (анод), синие - минусу (катод). Все аноды соедините между собой. После этого переверните коробку и вытолкните светодиоды. Выталкивайте аккуратно, чтобы не повредить собранный слой. Все. Первый слой готов. Аналогичным образом формируем еще три слоя. После соединяем четыре получившихся слоя с помощью свободных катодов. Советую соединять контакты начиная с центра и перемещаясь к периферии. Светодиодный куб начинает принимать необходимые очертания!

Установка светодиодного куба

Сделайте разметку на макетной плате с помощью маркера. Учтите, что размеченный прямоугольник должен быть немного меньше коробки, на которой будет установлен ваш куб. После разметки сделайте небольшой паз вдоль линии будущей грани и аккуратно отломайте ребра макетной платы. Сделайте 20 отверстий на верхней части вашей коробки для куба. Можно разметить места для сверления по соответсвующим отверстиям макетной платы.

Подключаем светодиодный куб

Сначала разделите вашу рейку коннекторов на три части таким образом, чтобы они подошли к цифровым и аналоговым пинам Arduino Uno. Зачистите и установите на вашей маетной плате в коробке 16 проводов для цифровых входов (рядов). 4 провода от аналоговых входов подключите с использованием резисторов на 100 Ом. Теперь переходите к подключению концов проводов к трем рейкам коннекторов. Подключение реализовано таким образом, что есть возможность управлять светодиодами вдоль трех осей. Колонки соответсвуют осям X и Y. Плюс к этому, благодаря четырем слоям мы получаем координату Z. Если вы посмотрите вниз с угла светодиодного куба, первый квадрант будет соответствовать обозначению (1, 1). Таким образом, каждый светодиод может быть инициализирован по подобной же методике. Давайте рассмотрим пример. Посмотрите на рисунок выше и найдите светодиод A(1,4). "A" означает, что это один и первых слоев, а "(1,4)" соответсвтует координатам X=1, Y=4.

Схема подключения

Ряды/колонки

Слои

[Пины для слоев]

Подключаем источник питания для Arduino

Для питания платы можно использовать отдельный адаптер на 9 вольт, 1 ампер. Можно использовать переходник для батарейки типа крона и питать от нее. В любом случае, вам понадобится сделать еще одно отверстие для провода питания. Когда будете делать отверстие, предусмотрите его размер немного большим, чем сам коннектор.

В общем то все, что вам после этого останется - загрузить скетч на Arduino и наслаждаться результатом:

Ваш куб готов!

Видео собранного светодиодного куба 4x4x4

На youtube часто попадаются интересные проекты. Одним из таких, является, светодиодный куб. Прелесть данного устройства в том, что выводится настоящее 3D изображение. Можно рисовать любые объемные анимированные фигуры. Но в пределах выбранного разрешения куба.

За основу была взята статья с радиокота (кто захочет может нагуглить). Размер куба 5х5х5 выбран не случайно. Чтобы собрать данный куб понадобится 5*5*5=125 светодиодов. Если сравнить с еще одним популярным вариантом 8*8*8=512, т.е. количество светодиодов увеличится в 4 раза. Поэтому оптимальным мне кажется 5х5х5.

У меня не было времени заказывать светодиоды, поэтому покупал в розницу. К сожалению, в наличии, были только зеленые прозрачные 5мм, поэтому финальный результат сильно пострадал. Синие матовые смотрятся более эффектно, но увы. Матовые светодиоды, рекомендуется брать потому, что прозрачные засвечивают соседние светодиоды и создается эффект, что не горящий светодиод светится.

Начал непосредственно с самого куба. Нарисовал матрицу размером 100х100. Расстояние между кружками 20мм. Диаметр 5мм. Распечатал на бумаге и приклеил к деревяшке.

Просверлил отверстия. Хитро загибаем катод (-) светодиода. Анод сгибаем под 90 градусов.

Катод оставляем торчать к верху, а анод припаиваем к соседнему светодиоду. Получается «этаж» светодиодов с общим «+».

Для усиления конструкции слева припаял еще проводник. Первый этаж готов. Аналогично делаем еще 4 этажа.

Собираем все этажи вместе. Для этого припаиваем к предыдущие этажи к последующим.

Для основания использовал фольгированный стеклотекстолит размером 100х100. Места для пайки светодиодов вытравил. В результате получилась следующая конструкция:

Не совсем ровно, но все легко подгибается. Теперь непосредственно к схеме. Для сборки необходимо:

1. 25 резисторов 150-220 Ом,
2. 125 светодиодов,
3. 5 конденсаторов 0,1мкФ (ставятся по питанию триггеров),
4. 2 конденсатора 22пФ,
5. Atmega16,
6. кварц 12-16МГц,
7. 5 резисторов 2,2коМ,
8. 5 триггеров 74hc574,
9. 5 транзисторов BC558.
10. 1 конденсатор 100мкФ (по питанию обязательно!!! иначе схема работать не будет)

С одной стороны тут все просто, но нужно не запутаться. В отличие от предыдущих проектов здесь используется Atmega16(Atmega16A-16PU). Я использовал рабочую частоту 12МГц, на 16МГц будут чуть быстрее светодиоды переключаться. Кроме того, здесь используются триггеры. Чтобы понять зачем, нужно проникнуться логикой схемы.

Все входы триггеров подключены параллельно. Допустим нам нужно включить первый светодиод на 2 этаже (D2.1) и при этом не включить светодиоды на 1,3,4,5 этаже (D1.1, D3.1, D4.1, D5.1). Выводим на PORTC.0=0, так как именно 0 в данном случае включает светодиод. На входе триггера появляется 0, однако на выходе его состояние не меняется. Для изменения состояния нужно подать импульс на вход CLK, т.е. вывести поочередно, на ножку PA1 логический ноль и логическую единицу. Теперь все катоды DA1.1-DA5.1 подключены к земле, чтобы зажечь именно D2.1, нужно всего навсего включить 2 этаж, т.е. открыть транзистор Q2, вывести логический ноль в PD6.

Свои эффекты писать пробовал, получилось, но как то в голову не пришло ничего, чего не было в готовых прошивках. Поэтому итоговой взял готовую прошивку, для куба 5х5х5 в интернете нашлось несколько вариантов. Чистого времени на сборку ушло 3 дня. Хороший подарок, собранный своими руками.

На последок, видео получившегося куба, в темноте смотрится особенно эффектно.