Світлодіодний 3d куб своїми руками. Що робити, якщо у мене немає таких навичок

У проекті запропоновано конструкцію світлодіодного куба (LED cube) 4x4x4 вартістю близько 15 доларів.

У кубі використано 64 зелені світлодіоди, які формують 4 шари і 16 колонок. Управління кубом реалізується з урахуванням Arduino. Наведено приклад програми для Arduino Uno, у якій реалізовано управління кожним окремим світлодіодом із усього масиву.

Необхідні деталі для проекту

• 64 світлодіоди
• 4 резистори на 100 Ом
• Конектори для розпаювання
• Провідники
• Макетна плата для розпаювання
• Коробка
• Джерело живлення на 9 В
• Arduino Uno

Інструменти, які можуть стати вам у нагоді, наведені на фото нижче.

Формуємо основу світлодіодного куба

Можете скористатися ескізом, який наведено . Роздрукуйте його та наклейте на картонну коробку. Під час друку перевірте, чи виставлено фактичний розмір та горизонтальну орієнтацію. Олівцем зробіть отвори у вузлових точках. Перевірте, чи добре сідають світлодіоди у підготовлені отвори.

Збираємо світлодіодний куб

Візьміть 64 світлодіоди та перевірте їхню працездатність, підключивши кожен до пальчикової батарейки. Це, звичайно, нудна процедура, але вона потрібна. Інакше через один неробочий світлодіод згодом може бути купа проблем. Встановіть 16 світлодіодів у отвори відповідно до стрілок на роздруківці. Червоні стрілки відповідають плюсу (анод), сині – мінусу (катод). Усі аноди з'єднайте між собою. Після цього переверніть коробку та виштовхніть світлодіоди. Виштовхуйте акуратно, щоб не пошкодити зібраний шар. Всі. Перший шар готовий. Аналогічним чином формуємо ще три шари. Після з'єднуємо чотири шари, що вийшли, за допомогою вільних катодів. Раджу з'єднувати контакти з центру і переміщаючись до периферії. Світлодіодний куб починає приймати необхідні контури!

Встановлення світлодіодного куба

Зробіть розмітку на макетній платі за допомогою маркеру. Врахуйте, що розмічений прямокутник повинен бути трохи меншим за коробку, на якій буде встановлений ваш куб. Після розмітки зробіть невеликий паз уздовж лінії майбутньої грані та акуратно відламайте ребра макетної плати. Зробіть 20 отворів на верхній частині коробки для куба. Можна розмітити місця для свердління по відповідним отворам макетної плати.

Підключаємо світлодіодний куб

Спочатку розділіть рейку конекторів на три частини таким чином, щоб вони підійшли до цифрових і аналогових пін Arduino Uno. Зачистіть та встановіть на вашій маєтній платі в коробці 16 проводів для цифрових входів (рядів). 4 дроти від аналогових входів підключіть з використанням резисторів на 100 Ом. Тепер переходьте до підключення кінців дротів до трьох рейок конекторів. Підключення реалізовано таким чином, що є можливість керувати світлодіодами вздовж трьох осей. Колонки відповідають осям X і Y. Плюс до цього завдяки чотирьом шарам ми отримуємо координату Z. Якщо ви подивіться вниз з кута світлодіодного куба, перший квадрант буде відповідати позначенню (1, 1). Таким чином, кожен світлодіод може бути ініціалізований за такою ж методикою. Давайте розглянемо приклад. Подивіться на малюнок вище та знайдіть світлодіод A(1,4). "A" означає, що це один і перших шарів, а "(1,4)" відповідає координатам X=1, Y=4.

Схема підключення

Ряди/колонки

Шари

[Піни для шарів]

Підключаємо джерело живлення для Arduino

Для живлення плати можна використовувати окремий адаптер на 9 вольт, 1 ампер. Можна використовувати перехідник для батарейки типу крона та живити від неї. У будь-якому випадку вам знадобиться зробити ще один отвір для проводу живлення. Коли робитимете отвір, передбачте його розмір трохи більшим, ніж сам конектор.

Загалом все, що вам після цього залишиться - завантажити скетч на Arduino і насолоджуватися результатом:

Ваш куб готовий!

Відео зібраного світлодіодного куба 4x4x4

Представляю проект 3D світлодіодного куба (LED Cube) із матрицею 4х4х4.

64 світлодіоди утворюють куб зі сторонами 4х4х4, який керується мікроконтролером Atmel Atmega16. Кожен має свою віртуальну адресу і може керуватися з мікроконтролера індивідуально, дозволяючи таким чином досягати приголомшливих ефектів.

Відео роботи куба дивіться нижче:

Тож почнемо...

Крок 1. Що нам знадобиться?

Перше, це терпіння спаяти всі 64 світлодіоди разом;)

Список радіодеталей:
Макетна плата (ну або витрачена друкована)
Мікроконтролер Atmel AVR Atmega16
Програматор Atmega16
64 світлодіоди
2 світлодіоди стану. Я використав червоний та зелений. (опціонально)
Мікросхема Max232 rs-232 або подібна
16х резисторів для світлодіодів. (100-400 Ом)
2x резистора по 470 Ом для світлодіодів стану
1x резистор 10кОм
4x резистор 2.2кОм
4x NPN транзистора BC338 (набрякл. аналоги КТ645, КТ646, КТ660Б) або інший витримуючий струм до 250 мА
1x 10мкФ конденсатор
1x 1000мкФ конденсатор
6x 0.1мкФ керамічний конденсатор
2x 22пФ керамічний конденсатор
1x кварц 14.7456 MHz
2x кнопки
Вимикач живлення
Роз'єм живлення 12В
Роз'єм живлення 5В

Крок 2. Мультиплексування

Як управляти 64 світлодіодами, якщо немає стільки висновків керування? Мультиплексування!

Якщо до анода кожного світлодіода приєднати виведення управління, це буде непрактично, та й виглядати буде не дуже красиво. Один із способів подолати цю проблему – це розділити куб на 4 шари, у кожному з яких буде 4х4=16 світлодіодів.

У світлодіодів у вертикальних колонках загальний анод (+)
У світлодіодів у горизонтальних площинах загальний катод (-)

Тепер, якщо потрібно засвітити світлодіод у верхньому лівому куті ззаду (0,0,3), необхідно подати GND(-) до верхнього шару та Vcc(+) до колонки у лівому куті куба.

Якщо потрібно засвітити один світлодіод або повністю весь шар, то це працює чудово.

Однак, якщо потрібно засвітити нижній правий кут попереду (3,3,0), виникають проблеми. Коли я подав GND на нижній шар та Vcc до передньої лівої колонки, я також засвітив верхній правий світлодіод спереду (3,3,3) та нижній лівий світлодіод ззаду (0,0,0). Ця проблема здавалося б не подолати, без використання 64 індивідуальних ліній керування світлодіодами.

Але можна одночасно засвічувати лише один шар і робити це дуже швидко, щоб око не встигло розглянути час перемикання між шарами. Цей ефект називається

Кожен шар - це зображення з 4х4=16 пікселів (світлодіодів) і якщо ми швидко перемикатимемо шари, то ми отримаємо 4х4х4 3D куб!

Крок 3. Конструювання шаблону для куба

Спаяти об'ємний куб із 64 світлодіодів без будь-яких пристроїв буде складно. Тому ми полегшимо наше завдання скориставшись інструментом та пристроями:

Для початку виготовимо шаблон 4х4 з дерева.

Т.к. я не хотів сильно забруднюватися з гратами куба, то вирішив по можливості використовувати висновки світлодіодів як основу грат куба. Дистанцію ліній на сітці шаблону було обрано виходячи з довжини ніжок світлодіодів. У мене вийшло 25мм. Т.о. при такій сітці немає необхідності що-небудь нарощувати або обрізати.

Отже, послідовність дій:
- знайти та вирізати шматок фанери
- намалювати на ній ґрати 4х4
- зробити поглиблення на всіх перетинах шилом чи іншим інструментом
- знайти свердло, щоб світлодіод впевнено стояв в отворі, і в той же час ви його могли легко витягнути.
- просвердлити 16 отворів у шаблоні

Шаблон для куба готовий!

Крок 4. Конструювання світлодіодних шарів

Отже, нам необхідно спаяти 4 шари світлодіодів по 16 у кожному, а потім усі 4 шари спаяти в один об'ємний куб.

Процес виготовлення одного шару (4х4) із світлодіодів наступний:
- Вставте світлодіоди в отвори по 2-м дальнім сторонам від вас і спаяйте їх між собою
- вставте світлодіоди для наступного ряду, а також їх спаяйте
- Заповніть так всю матрицю з 16 шт
- спереду, де немає з'єднання, додайте сполучні перетину
- повторити процедуру 3 рази для шарів, що залишилися.

Крок 5. Конструювання куба

Усі чотири шари готові, лишилося їх спаяти разом в один куб.

Покладіть перший шар шаблон вниз головою. Це буде верхній шар куба.

Покладіть другий шар на перший і дуже точно поєднайте їх. Також дотримуйтесь відстані між шарами 25мм, щоб у вас вийшов ідеальний куб. Це відстань між катодами.
Після того, як усі виставили (скористайтеся пристосуванням "третя рука"), припаяйте кутовий анод першого шару до кутового анода другого шару. І так всі 4 кути.

Ще раз перевірте, щоб усі виміри були вирівняні відносно один одного. Якщо це не так, то підігніть або перепаяйте. Після цього, спаяйте 12 світлодіодів, що залишилися.

Повторіть процедуру для 2-х шарів, що залишилися.

Крок 6. Підбір струмообмежувальних резисторів

Струм мікроконтролера AVRу сумі не може перевищувати 200 мА. Т.о. 200/16 дає нам 12 мА на світлодіод.

Я використовував резистори номіналом 220 Ом. Вийшло якраз 12 мА на один світлодіод.

Крок 7. Схемотехніка

Схема контролера управління кубом, показано малюнку вище.

RS-232 опціональний і може бути опущений (мікросхема IC2).

Крок 8. Приєднання МК до світлодіодного куба

Пояснювати я думаю не треба, все показано на картинках.

Крок 9. Програма, компіляція та прошивка МК

Наш куб готовий, залишилася лише програмна частина.
Ви можете використовувати мою програму, написати її або доповнити мою програму додатковими ефектами.

Якщо ви захочете використовувати ATMega32 замість ATMega16, необхідно буде поміняти налаштування в makefile і перекомпілювати.

Для прошивки МК я використав і програматор.

Отже, спочатку потрібне з'єднання програматора з мікроконтролером. Підключіть програматор до плати куба та ПК.
Команда: avrdude -c usbtiny -p m16

Наш куб повинен буде перезапуститися та стартувати. МК запуститися на дуже низькій частоті 1 МГц, використовуючи вбудований тактовий генератор. Деякі LED не працюватимуть, тому що порти GPIO зайняті під JTAG.

Щоб підключити зовнішній тактовий генератор та вимкнути JTAG, потрібно перезаписати фьюзи:
введіть: avrdude -c usbtiny -p m16 -U lfuse:w:0xef:m
потім: avrdude -c usbtiny -p m16 -U hfuse:w:0xc9:m

Все, після цього, наш світлодіодний куб має запуститись у нормальному режимі!

Нижче ви можете скачати прошивку, вихідники та друковану плату у форматі LAY

Список радіоелементів

Позначення	Тип	Номінал	Кількість	Примітка	Магазин	Мій блокнот
IC1	МК AVR 8-біт	ATmega16	1			До блокноту
IC2	ІС RS-232 інтерфейсу	MAX232	1			До блокноту
IC3	Лінійний регулятор	LM7805CT	1	7805T		До блокноту
Q2-Q5	Біполярний транзистор	BC338	4	КТ645, КТ646, КТ660Б		До блокноту
LED1, LED2	Світлодіод	АЛ307В	1			До блокноту
	Світлодіод	АЛ307Б	1			До блокноту
	Світлодіод		64	Куб		До блокноту
C1-C5	Конденсатор	0.1 мкФ	6			До блокноту
C9		10 мкФ	1			До блокноту
C10	Електролітичний конденсатор	1000 мкФ	1			До блокноту
	Конденсатор	22 пФ	2	Кераміка		До блокноту
R1-R16	Резистор	100-400 Ом	16	12 мА на один світлодіод		До блокноту
R17	Резистор	10 ком	1			До блокноту
R18-R21	Резистор

Як працює декоративна скульптура зі світлодіодів? Чи можна її зібрати самостійно? Скільки потрібно світлодіодів і що потрібно, крім них? На всі ці запитання ви знайдете відповідь у статті.

Led куб – що потрібно для самостійного збирання

Якщо ви захоплюєтеся саморобками, любите колупатися в схемах електроніки - спробуйте зібрати світлодіодний куб своїми руками. Для початку потрібно визначитися із розмірами. Зрозумівши принцип роботи пристрою, ви можете модернізувати схему як для збільшення світлодіодів, так і з меншою їх кількістю.

Світлодіодний куб з гранями на 8 діодів

Давайте розберемо як це працює на прикладі куба зі стороною 8 світлодіодів. Такий куб може налякати початківців, але якщо ви будете уважними при вивченні матеріалів – ви з легкістю освоїте його.

Щоб зібрати led cube 8x8x8, вам знадобиться:

• 512 світлодіодів (наприклад, 5мм);
• зсувні регістри STP16CPS05MTR - 5 шт;
• мікроконтролер для керування, див. Arduino Uno або будь-яку іншу плату;
• комп'ютер для програмування системи;

Принцип роботи схеми

Невеликі світлодіоди типу 5 мм споживають незначний струм - 20 мА, але ви збираєтеся запалювати їх досить багато. Джерело живлення 12В та 2А чудово підійде для цього.

Підключити всі 512 світлодіодів індивідуально у вас не вийде, тому що навряд чи ви знайдете мікроконтролер (МК) з такою кількістю висновків. Найчастіше зустрічаються моделі в корпусах з кількістю ніг від 8 до 64. Природно, ви можете знайти варіанти і з великою кількістюніжок.

Як підключити стільки світлодіодів? Елементарно! Зсувний регістр – мікросхема яка може перетворювати інформацію з паралельного виду на послідовний і навпаки – з послідовного на паралельний. Перетворивши послідовний на паралельний вигляд, ви отримаєте з однієї сигнальної ніжки 8 і більше, залежно від розрядності регістра.

Нижче наведена діаграма, що ілюструє принцип роботи зсувного регістру.

Коли на послідовний вхід Data ви подаєте значення біта, а саме нуль або одиницю, вона фронтом тактового сигналу Clock передається на паралельний вихід номер 0, не забувайте, що в цифровій електроніці нумерація йде з нуля).

Якщо в перший момент часу була одиниця, а потім протягом трьох тактових імпульсів на вході ви задали нульовий потенціал, в результаті цього ви отримаєте такий стан входів «0001». Ви можете спостерігати це на діаграмі на рядках Q0-Q3 – це чотири розряди паралельного виходу.

Як застосувати ці знання у побудові LED куба? Справа в тому, що можна застосувати не зовсім нормальний зсувний регістр, а спеціалізований драйвер для світлодіодних екранів - STP16CPS05MTR. Він працює за таким же принципом.

Як поєднувати світлодіоди?

Зрозуміло, що використання драйвера не повністю вирішить проблеми, пов'язані з підключенням великої кількості світлодіодів. Для підключення 512 світлодіодів знадобиться 32 таких драйвера, а від мікроконтролера ще більше ніжок, що управляють.

Тому ми підемо іншим шляхом і об'єднаємо світлодіоди в рядки та стовпці, таким чином ми отримаємо двомірну матрицю. Лід куб займає всі три осі. Доопрацювавши ідею об'єднання світлодіодного куба 8x8x8, у якого світлодіоди об'єднані в групи, можна дійти такого висновку:

Об'єднати шари світлодіодів (поверхи) у схеми із загальним анодом (катодом), а стовпці у схеми із загальним катодом (або анодом, якщо на поверхах об'єднували катоди).

Щоб керувати такою конструкцією потрібно 8 x 8 = 16 керуючих пінів на колонки, і по одній на кожен поверх, всього поверхів теж 8. Усього вам потрібно 24 керуючі канали.

На колодку input подаються сигнал із трьох ніжок мікроконтролера.

Щоб запалити необхідний світлодіод, наприклад, розташований на першому поверсі, у першому рядку третій за рахунком, вам потрібно подати мінус на стовпець номер 3, плюс на поверх номер 1. Це справедливо якщо ви зібрали поверхи із загальним анодом, а стовпці - катодом. Якщо навпаки, відповідно й напруга, що управляє, повинні бути інвертовані.

Для того, щоб вам було зручно спаювати куб із світлодіодів вам потрібно:

Для коректної роботи куба зі світлодіодів потрібно зібрати його за шарами із загальним катодом, а стовпці – анодом. Підключити до висновків Arduino те, що на схемі позначено, як input в такій послідовності:

№ висновку Arduino	Назва ланцюга
2	LE
3	SDI
5	CLK

Що робити, якщо у мене немає таких навичок?

Якщо ви не впевнені у своїх силах та знаннях електроніки, але хочете собі таку прикрасу для робочого столу, ви можете купити готовий куб. Для любителів робити прості електронні вироби, є хороші варіанти простіше з гранями 4x4x4.

Куб з розміром грані 4 діоди.

Готові набори для складання можна придбати в магазинах з радіодеталями, а також їхній величезний вибір на aliexpress.

Складання такого куба розвине у радіолюбителя-початківця навички паяння, точність, правильність і якість з'єднань. Навички роботи з мікроконтролерами стануть у нагоді для подальших проектів, а за допомогою Arduino ви можете навчитися програмувати прості іграшки, а також засоби автоматизації для побуту та виробництва.

На жаль, через особливості мови програмування Arduino- sketch є деякі обмеження в плані швидкодії, але повірте, що коли ви впертеся в стелю можливостей цієї платформи, швидше за все, освоєння роботи з «чистими» МК у вас не викличе суттєвих труднощів.

Привіт усім паяльникам-самоукам!
Нещодавно отримав довгоочікувану посилку з цікавим набором для самостійного складання 3D куб, що складається з світлодіодів.

Запаковано в звичайний пакет, проте все доїхало цілістю та безпекою.


Посилка складалася з пакетика з блакитними світлодіодами в кількості 76 штук, чотири RGB світлодіоди, резистори, один полярний і три неполярні конденсатори, кварцовий резонатор, мікросхема, роз'єм живлення та кабель живлення від USB роз'єму, колодка, дроти та кріпильні елементи.




До речі, мене дуже порадувало якість монтажної плати. Приємно, коли все зроблено на совість!


Отже, тепер безпосередньо про збирання конструктора.
У комплекті не було ні монтажної схеми, не інструкції зі збирання, тому довелося трохи попрацювати головою =)
Я почав з того, що встановив і припаяв усю дрібничку. Резистори однакового номіналу, тож проблем із ними не виникло. RGB світлодіоди ставляться на спеціальні пластикові обмежувачі і потім вже припаюються до плати (не забуваймо про полярність). Обмежувачі потрібні для того, щоб всі чотири світлодіоди були встановлені на однаковій висоті. Полярний конденсатор на 470µF встановлюємо відповідно до полярності, на платі позначено, де знаходиться мінус. Далі ставимо два неполярні конденсатори, кварцовий резонатор, роз'єм живлення і колодку під мікросхему. Колодку також ставимо з дотриманням ключа (на платі вказано).




Після цього ставимо мікросхему (завжди пам'ятаємо про ключ) і підключаємо живлення для першої перевірки.




Як видно світлодіоди заморгали, отже, вся схема зібрана правильно.


Переходимо до другого етапу збирання!
Наше завдання полягає в тому, щоб зібрати із світлодіодів куб 4x4x4.
Для цього шукаємо на платі плюс та мінус для блакитних світлодіодів. Всі контакти з позначенням "B+" - це, як не складно здогадатися і є плюс, всі контакти з позначенням "J" - це мінус. Якщо піднести до цих контактів світлодіод (довга ніжка – анод «плюс», коротка ніжка – катод «мінус»), то він має спалахнути.
До речі, у такий спосіб можна заздалегідь перевірити світлодіоди, щоб після збирання кубика не з'ясувалося, що половина з них не працює =)




Далі я вирішив зібрати один ряд світлодіодів. Усього таких рядів має бути 6 штук. Сам ряд складається з 8 світлодіодів, при цьому мінусові ніжки у них спаяні між собою.
Для зручності я паяв світлодіоди безпосередньо на платі, для цього загинав коротку ніжку (мінусову) під кутом 90 градусів, а плюсову опускав в отвір на платі.




У результаті вийшов один ряд, що складається з восьми світлодіодів. На мінусовій ніжці першого світлодіода одягнена термозбіжна трубка, щоб уникнути короткого замикання мінусової і плюсової ніжки, оскільки вони практично впритул один до одного.




Після того, як я впорався з одним рядом, я зробив все те саме ще п'ять разів.


Тепер моє завдання полягало в спаюванні трьох рядів в єдине ціле. Для цього необхідно було припаяти плюсову ніжку верхнього світлодіода до плюсової ніжки нижнього світлодіода.


Після цього я приступив до встановлення нижнього ряду світлодіодів, які розташовуватимуться безпосередньо на платі. Для зручності монтажу я спочатку припаяв колодки для світлодіодів, вони йдуть у комплекті. І далі у ці колодки встановив світлодіоди. Особливість монтажу нижнього ряду полягає в тому, що загальний мінусовий контакт мають лише чотири світлодіоди. Тобто у нас має вийде чотири ряди, по чотири світлодіоди в кожному, причому у кожного ряду загальний мінус.


Після того, як зібрали нижній ряд, можна підключити живлення і перевірити правильність зібраної схеми, якщо світлодіоди засвітилися, все зібрано правильно.


Тепер справа за малим, припаюємо ті дві конструкції, які ми зібрали раніше, до нижнього ряду.
Паяємо за старою схемою - плюсова ніжка верхнього світлодіода підпаюється до плюсової ніжки світлодіода нижнього ряду. Повинно вийде приблизно так:








Коли конструкція буде повністю зібрана, нам потрібно підключити мінус від другого, третього та четвертого рядів до плати кубика. Для цього припаюємо червоні проводки до вільних мінусових ніжок кожного ряду (крім першого ряду). І далі паяємо вільний кінець проводка від другого правого ряду (щодо роз'єму живлення) в роз'єм P20, від другого лівого ряду в роз'єм P24, від третього правого ряду в роз'єм P21, від третього лівого в P25, від четвертого правого в P22 і четвертий лівий ряд у роз'єм P26.




Підключаємо живлення та насолоджуємося!)




До речі, споживання цього кубика лише 20мА.


Це бюджетний варіант кубика, є такі ж, але з корпусом з оргскла, за бажання корпус можна зробити і самому, або