Светодиодный куб 8х8х8 своими руками схема. Cветодиодный куб (LED Cube)

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

Забегая вперёд, хочется сказать о том, что не нужно думать об объёме работы как о чём-то колоссальном. Напротив, делать совсем пришлось совсем немного, а вот те, кто думают: " Ха, я сделаю это за пару дней", - приготовьтесь к обратному. Да и сам процесс вовлекает в работу не хуже написания какого-нибудь программного кода…

Наблюдая за маленькими работами, размером 3х3х3, и 4х4х4, и 5х5х5, я потихоньку понимал, что чем больше - тем лучше.

Milestone #1:

Если вы до этого не работали с паяльником, для начала осознайте что нужно будет припайвать все ножки светодиодов, это 2*512, не так-то мало. Поэтому потренируйтесь на каких-нибудь кошках.

512 светодиодов (6$ - aliexp)
- 5 специальных микросхем для светодиодов STP16CPS05MTR (9$ - aliexp)
такие детали выгоднее брать партиями естественно
- 8 BD136 pnp транзисторов (отечественные аналоги также подойдут)
- 5 1кОм резисторов (рабочая мощность 2 W)
- 5 10мкФ конденсаторов (рабочее напряжение 35-50 V)
- соединительные провода (около 10 м вышло, учитывая неудачи), припой и все, кто по-кайфу

Время приступить к изготовлению макета

Milestone #2:

Ключевое слово - «аккуратно», пару миллиметров влево или вправо, и у вас уже будет кривой куб в итоге.

А) Все аноды должны быть слева, а катоды справа. Или наоборот. Как вам удобнее.
б) Самый первый ряд сверху должен содержать светодиоды под углом:

По такому принципу соединяем катоды (-). Там, где отмечено пунктиром - прикрепите какую нибудь проволоку, чтобы слой держался с двух сторон крепко.

Держа эту нежную прослоечку, вам может показаться, что она вот-вот может развалиться, но на самом деле, когда вы начнёте скреплять слои, потом эту конструкцию можно будет спокойно бросать на пол, и скорее всего ничего не развалится.

Итог первого слоя

Перед тем, как начинать припаивать второй слой, нужно взять и загнуть все аноды следующим образом:

Соединяем несколько слоёв

Milestone #3:

Новички, пожалуйста, используйте специальную паяльную пасту (флюс), если бы имеете дело с проводами, таким образом сохраните себе очень много нервов (не то, что я в первый раз).

Когда ты немножко устал

Итак, припаяв 64 провода к анодам, которые у нас получились «на дне», можно приступать к самой электронной схеме.

Видим, что выходы наших микросхем по обе стороны переходят в общие аноды колонок куба, а в 5-ой мы мультиплексируем через транзисторы управление слоями. Вроде бы все не сложно: подаётся сигнал на определённые колонки и слои, и мы получаем пару светящихся светодиодов.

На деле это работает так:

Имеется 3 входа: тактирование, данные и защёлка. Когда отработалось 8 битов, идет защелка, и данные помещаются в регистр. Т.к. у нас микросхемы выполнены на сдвиговых регистрах, то для того, чтобы отрендерить 1 раз наш кубик разными битами информации, нам нужно записать 1 байт (8 битов с номерами слоев, на которые подавать напряжение), далее будут идти пустые данные, т.к. для пятого чипа у нас левые пины ни к чему не подсоединены. Далее мы записываем по 1 байту для каждой из группы из восьми колонок. Соответствующий бит будет определять, которая колонка должна гореть, и где это пересекается с активированным слоем, светодиод на их пересечении и должен получить напряжение.

Ниже представлена схема из даташита разработчика для общего ознакомления:

Как мы будем записывать 1 байт данных:

Void CUBE::send_data(char byte_to_send){ for(int i = 0; i < 8; i++){ if(byte_to_send & 0x01< Использовал Arduino UNO (взял попользоваться), но здесь подойдет вообще любая модель. И nano, и mini, поскольку используются только 3 цифровых входа и vcc + gnd.

Отдельно позаботьтесь о блоке дополнительного питания (я использовал адаптер 12V 2A), для отображения всех слоев кажется ток именно такой силы и нужен.

Весь исходный код в виде скетча для Arduino будет

В данной статье я пошагово расскажу об изготовлении 3D LED куба, с размерностью 3х3х3. Управление LED осуществляется при помощи контроллера Arduino.

Отличительной особенностью данного проекта от других является:

Небольшое число дополнительных компонентов, подключается напрямую к Arduino без использования различных мультиплексоров и т.п.

Простая для повторения принципиальная схема с множеством фотографий и разьяснений.

Использование универсальной библиотеки, что значительно упрощает написание программы.

Итак, нам понадобится:

• макетная плата
• 3 NPN транзистора (2N2222, 2N3904, BC547 и т.п.)
• 12 резисторов (~220 Ом и 22 кОм)
• 13 коннекторов (папа или мама)
• 27 светодиодов (LED)
• соединительные провода

А сначала, немного видео работы устройства:

Итак, посмотрели видео? Ну а теперь поехали!

Шаг 1. Подготовка LED

Этот шаг практически ни чем не отличается от предыдущего проекта , за исключением соответственно размерностью. Куб 4х4х4 более сложен, т.к. требует введения в схему дополнительный элементов. У нас же куб будет с 3 уровнями, по 9 LED в каждом.

В каждом наборе из 9-ти LED, все катоды соединены между собой, т.е. подключены по схеме с общим катодом (минус). Далее, наборы мы будем называть "уровнями". Каждый LED соединен анодом с LED другого уровня (нижестоящими или вышестоящими). Далее, по тексту я буду называть это колоннами, т.е. в одной колонне соединено 3 светодиода анодами, а на одном уровне соединено 9 LED катодами.

Как видно на фото выше, для изготовления куба я использовал старый шаблон от проекта 4х4х4 светодиодного куба. Отверстия в дереве просверлены под головку светодиода, расстояние между отверстиями составляет приблизительно 15мм.

После того, как приспособа сделана, пора приступить к формовке выводов LED. Катоды всех светодиодов необходимо аккуратно согнуть на 90 градусов. Направление изгиба вывода должно быть одинаковым у всех LED. Как определить где катод, а где анод у светодиода читайте здесь или здесь.

Шаг 2. Сборка куба

Разместите первые девять светодиодов в деревянном приспособлении. С позиционируйте направление изогнутых ножек в одном направлении, скажем по часовой стрелке (или против часовой, это не принципиально).

При помощи "крокодилов" зафиксируйте ножки LED и спаяйте их вместе. В самом конце припаяйте центральный LED. После того, как один уровень закончен, можно проверить правильность подключений LED при помощи батарейки или мультиметра. Т.к. потом, что-либо отпаять будет очень сложно, особенно если это центральный LED.

Таким образом сделайте все три уровня. После этого, необходимо установить и припаять уровни друг над другом. При этом важно соблюсти заданное расстояние. Если в приспособлении расстояние между светодиодами было 15мм, то и расстояние между уровнями у вас должно быть 15мм, иначе получится вытянутый или сжатый куб.

Куб готов. Теперь можно разместить его на макетной плате.

Шаг 3. Схемотехника

Схема устройства простая. Каждая из девяти колонн подключена к выводам Arduino через токоограничительные резисторы. А все 3 уровня подключены к общему выводу через NPN -транзисторы, которые, в свою очередь подключаются к Arduino.

Т.о. используется только 12 выводов Arduino. В один момент времени будет загораться LED только одного уровня, но за счет быстрого переключения между уровнями, будет казаться, что одновременно горят все уровни (в зависимости от программы).

Первым делом необходимо припаять 9 резисторов. Я использовал резисторы сопротивлением 220 Ом, которые ограничивают ток на уровне 22 мА. Номинал резисторов зависит от типа применяемых светодиодов, и варьируется от 135 до 470 Ом. Более точный расчет резистора для светодиода можно произвести здесь: LED калькулятор. Каждый вывод Arduino способен выдать до 40 мА.

Резисторы на плате, я припаял вертикально. После, я наклеил слой изоленты, чтобы не коротнуло с перемычками.

Следующим этапом будет монтаж радиоэлементов для управления уровнями. Здесь используется три NPN-транзистора. Базы транзисторов, через резистор 22 кОм подсоединяются к выводам Arduino. Т.о. контроллер открывает транзистор и весь уровень LED соединяется с "общим".

Шаг 4. Софт

В интернете я нашел несколько примеров управления подобными LED кубами. Но во всех них требовался огромный начальный массив bin или hex данных. Я все решил написать свою программу управления.

Первой задачей было сделать доступное для понимания соответствие программы и железа. Я принял решение обращаться к уровням и колоннам, вместо использования RAW-данных порта или традиционных x, y, z. Второй задачей было сделать базовые функции куба, такие как включение/отключение отдельного светодиода и др.

Также, я решил ввести две дополнительные возможности для реализации различных эффектов. Первая это буфер, который позволяет реализовывать основные функции для реализации сложных шаблонов, и вторая - это функция последовательности.

Всю эту функциональность я сделал в виде классов и сделал библиотеку Arduino, которую можно использовать для других проектов и даже с другой размерностью куба.

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.

Как работает декоративная скульптура из светодиодов? Можно ли её собрать самостоятельно? Сколько нужно светодиодов и что нужно кроме них? На все эти вопросы вы найдете ответ в этой статье.

Led куб – что нужно для самостоятельной сборки

Если вы увлекаетесь самоделками, любите ковыряться в схемах электроники – попробуйте собрать светодиодный куб своими руками. Для начала нужно определиться с размерами. Поняв принцип работы устройства, вы можете модернизировать схему как с целью увеличения светодиодов, так и с меньшим их количеством.

Светодиодный куб с гранями на 8 диодов

Давайте разберем как это работает на примере куба со стороной в 8 светодиодов. Такой куб может испугать начинающих, но если вы будете внимательным при изучении материалов – вы с лёгкостью освоите его.

Чтобы собрать led cube 8x8x8 вам понадобится:

• 512 светодиодов (например 5мм);
• сдвиговые регистры STP16CPS05MTR – 5 шт;
• микроконтроллер для управления, см. Arduino Uno или любую другую плату;
• компьютер для программирования системы;

Принцип работы схемы

Маленькие светодиоды типа 5 мм потребляют незначительный ток – 20 мА, но вы собираетесь зажигать их довольно много. Источник питания 12В и 2А прекрасно подойдет для этого.

Подключить все 512 светодиодов индивидуально у вас не выйдет потому, что вряд ли вы найдете микроконтроллер (МК) с таким количеством выводов. Чаще всего встречаются модели в корпусах с количеством ног от 8 до 64. Естественно вы можете найти варианты и с большим количеством ножек.

Как же подключить столько светодиодов? Элементарно! Сдвиговый регистр – микросхема которая может преобразовывать информацию из параллельного вида в последовательный и наоборот – из последовательного в параллельный. Преобразовав последовательный в параллельный вид, вы получите из одной сигнальной ножки 8 и более, в зависимости от разрядности регистра.

Ниже приведена диаграмма иллюстрирующая принцип работы сдвигового регистра.

Когда на последовательный вход Data вы подаете значение бита, а именно ноль или единицу, она по фронту тактового сигнала Clock передается на параллельный выход номер 0, не забывайте, что в цифровой электронике нумерация идёт с нуля).

Если в первый момент времени была единица, а затем в течении трёх тактовых импульсов на входе вы задали нулевой потенциал, в результате этого вы получите такое состояние входов «0001». Вы можете это наблюдать на диаграмме на строках Q0-Q3 – это четыре разряда параллельного выхода.

Как применить эти знания в построении LED куба? Дело в том, что можно применить не совсем обычный сдвиговый регистр, а специализированный драйвер для светодиодных экранов — STP16CPS05MTR. Он работает по такому же принципу.

Как соединять светодиоды?

Разумеется, что использование драйвера не полностью решит проблемы связанную с подключением большого количества светодиодов. Для подключения 512 светодиодов понадобится 32 таких драйвера, а от микроконтроллера еще больше управляющих ножек.

Поэтому мы пойдём другим путём и объединим светодиоды в строки и столбцы, таким образом мы получим двухмерную матрицу. Лед куб же занимает все три оси. Доработав идею объединения светодиодного куба 8x8x8 у которого светодиоды объединены в группы, можно прийти к такому выводу:

Объединить слои светодиодов (этажи) в схемы с общим анодом (катодом), а столбцы в схемы с общим катодом (или анодом, если на этажах объединяли катоды).

Чтобы управлять такой конструкцией нужно 8 x 8 = 16 управляющих пинов на колонки, и по одной на каждый этаж, всего этажей тоже 8. Итого вам нужно 24 управляющих канала.

На колодку input подаются сигнал с трех ножек микроконтроллера.

Чтобы зажечь необходимый светодиод, например, расположенный на первом этаже, в первой строке третий по счету, вам нужно подать минус на столбец номер 3, а плюс на этаж номер 1. Это справедливо если вы собрали этажи с общим анодом, а столбцы – катодом. Если наоборот, соответственно и управляющие напряжения должны быть инвертированы.

Для того, чтобы вам было удобно спаивать куб из светодиодов вам нужно:

Для корректной работы куба из светодиодов нужно собрать его по слоям с общим катодом, а столбцы – анодом. Подключить к выводам Arduino то что на схеме обозначено, как input в такой последовательности:

Что делать если у меня нет таких навыков?

Если вы не уверены в своих силах и знаниях электроники, но хотите себе такое украшение для рабочего стола, вы можете купить готовый куб. Для любителей мастерить простенькие электронные поделки, есть отличные варианты проще с гранями 4x4x4.

Готовые наборы для сборки можно приобрести в магазинах с радиодеталями, а также их огромный выбор на aliexpress.

Сборка такого куба разовьет у начинающего радиолюбителя навыки пайки, точность, правильность и качество соединений. Навыки работы с микроконтроллерами пригодятся для дальнейших проектов, а с помощью Arduino вы можете научится программировать простые игрушки, а также средства автоматизации для быта и производства.

К сожалению, из-за особенностей языка программирования Arduino – sketch есть некие ограничения в плане быстродействия, но поверьте, что когда вы упретесь в потолок возможностей этой платформы, скорее всего освоение работы с «чистыми» МК у вас не вызовет существенных трудностей.