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.
В этой статье описана сборка светодиодного куба 5 х 5 х 5, который управляется при помощи Arduino и вся конструкция располагается на печатной плате.
Видео работы светодиодного куба:
Разработка куба и материалы
Я видел много проектов светодиодных кубов, и основной их проблемой является управление большим количеством светодиодов при помощи маленького количества контактов. Во многих проектах для этой цели использовались сдвиговые регистры. Основной их проблемой является время, требуемое на сдвиг всех битов и проблемы возникающие из-за него. Мне это не понравилось, и я решил нарисовать свою схему.
Я использую 5 дешифраторов по 3-8 линии на каждый (также они известны как демультиплексоры), чтобы преобразовывать двоичный сигнал с 5-битного параллельного входа в 25-битный параллельный выход, который управляет светодиодами. Особенностью этих дешифраторов является то, что высокий уровень сигнала может быть одновременно только на одной из 25 линий. Если на пяти контактах Arduino 01010 (10 в двоичной системе), дешифраторы принимают этот сигнал и выводят его на свой 10 контакт. Всего их 25 с номерами 0-24.
В схеме также используются NPN транзисторы, на катодах каждой плоскости куба.
Куб собран на специальной печатной плате изготовленной на заводе, что позволило избежать большего количества проводов. Всего проект обошелся в $100.
Предварительно удостоверьтесь, что ваши дешифраторы дают высокий уровень сигнала на один из выводов, а на все остальные низкий, т.к. есть микросхемы, которые дают низкий уровень сигнала на один вывод, а высокий на все остальные.
Предварительные наброски схемы и таблицу
Сборка куба
Первый шаг - это изготовления куба из светодиодов. Я купил дешевые светодиоды с очень короткими выводами, и мне пришлось использовать дополнительный провод.
Я просверлил в доске отверстия 5мм с расстоянием между ним 2.5 см. Светодиоды вставляются в эти отверстия и соединяются вместе. Таким образом делается 5 слоев.
Когда все 5 слоев готовы, их надо соединить. Расстояние между слоями должно быть 2.5 см, чтобы куб не был сплющенным или растянутым. От катода каждого слоя приведите вниз куба по проводу, который затем будет впаян в плату. Всего такой куб насчитывает около 300 точек пайки.
Для подключения куба я использовал кабель CAT5, т.к. он дешев и доступен. Я собрал схему на макетной плате. Выберите угол куба который будет считаться точкой начала отчета и подключите к его аноду вывод 0 дешифратора. Следующим анодом считается ближайший анод по оси X, а когда они закончатся, используйте аноды по оси Y. Я использовал резисторы по 150 Ом между дешифратором и столбцом.
Для подключения катодов используется NPN транзистор. Используйте резистор между базой транзистора и Arduino. Подключаете 1вывод транзистора к GND, 2 к Arduino, 3 к катоду.
Программа для Arduino
После того, как куб подключен к прототипу схемы, необходимо напивать программу.
Код разбит на 4 основных части:
LEDs.h:
Содержит номера всех контактов и массивов.
DisplayBasics.pde:
Содержит несколько основных «формы» в кубе, для использования в модели.
Patterns.pde:
Содержит образцы программ отображения, которые можно увидеть на видео в начале статьи.
LEDCubePCB.pde:
Это окончательный вариант моего кода. Номер исполняемой программы изменяется в зависимости от положения потенциометра.
Расширение функциональности
Для того, чтобы светодиодный куб был ещё лучше, необходимо изменять программу отображения, неперепрошивая микроконтроллер. Для переключения программ я решил использовать перемычки, а для изменения длительности программы потенциометр. Но я забыл, что при использовании перемычек необходимо подтягивающее напряжение. Его можно получить путем использования подтягивающих резисторов.
Печатная плата
Я разработал эту схему и печатную плату в Eagle. К статье прилагаются исходники в формате Eagle, которые можно редактировать. При проектировании печатной платы обратите внимание на размер отверстий, особое внимание уделите проводам.
Плата была изготовлена на заводе на заказ. Если вы не можете изготовить плату на заводе, вы можете сделать её при помощи ЛУТа или фоторезиста.
Производство и сборка печатной платы
Чтобы отправить проект на производство, необходимы файл сверловки и Gerber файлы. Я не умею их делать, но следуя инструкциям в интернете смог сделать и их. Эти файлы прилагаются к статье. Обратите внимание, что перемычки теперь подключены к GND и работают за счёт внутренних подтягивающих резисторов Arduino.
Начните сборку с резисторов и панелек, а сам куб паяйте в последнюю очередь. Все компоненты использованы в обычном выводном корпусе, поэтому монтаж достаточно пост. Паяйте плату чистым жалом, соблюдайте температурный режим и не перегревайте компоненты. Я использовал разъемы для всех микросхем.
Готово!
После сборки платы загрузите программу в Arduino и проверите её. Если схема работает неправильно, перепроверите правильность подключения и сборки куба.
В архиве ниже прилагаются файлы Eagle, Gerber и исходники ПО
Список радиоэлементов
| Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот |
|---|---|---|---|---|---|---|
| U$1 | Плата Arduino | Arduino Duemilanove | 1 | В блокнот | ||
| V1-V5 | Кодер, декодер | CD74HC238 | 5 | В блокнот | ||
| T1-T5 | Биполярный транзистор | 2N4401 | 5 | В блокнот | ||
| Светодиод | Синий | 125 | 5 мм | В блокнот | ||
| R1-R25, R27-R31 | Резистор | 150 Ом | 30 | В блокнот | ||
| R26 | Подстроечный резистор | 10 кОм | 1 | В блокнот | ||
| SV1, RESET | Джампер | 6 |
Куб? Это - куб, по всему объему которого расположены светодиоды. И каждый светодиод (можно цветной) - управляется отдельно. С помощью светодиодного куба можно создавать различные световые шоу и анимацию. Светодиодный куб может отображать различную световую анимацию, которая уже запрограммирована в нем. Сложные схемы 3Д светодиодных кубов даже могут отображать различные объемные слова и надписи. Проще говоря светодиодный куб по своей сути является объёмным монитором, только с низким разрешением, который позволяет отображать пространственные структуры и графику. Конечно, это решение не подходит для просмотра видео, но может быть хорошо использовано для оформления шоу и презентаций, для развлечений и выставок, рекламы и дизайна. Думаю, многим хотелось собрать такой LED кубик, но не у всех была возможность приобрести микроконтроллер, и конечно не все умеют программировать. Поэтому вот очень простая схемотехническая альтернатива:
Предложенный вариант светодиодного куба не нуждается в программировании, схема проста и все детали доступы. А микросхема CD4020 дает разнообразные композиции, почти не уступающие программируемым кубикам. Привожу список используемых в кубе деталей с описанием:
1)КР1006ВИ1 (NE555)
Микросхема включает около 20 транзисторов, 15 резисторов, 2 диода. Выходной ток 200 мА, ток потребления примерно на 3 мА больше. Напряжение питания от 4,5 до 18 вольт. Точность таймера не зависит от изменения напряжения питания и составляет не более 1% от расчетного значения.
2) К561ИЕ16 (CD4020, MC14020)
Это 14-разрядный двоичный счетчик-делитель.
3)Светодиоды - на ваш вкус, 27шт;
4)Резистор 33К;
5)Конденсатор 10мкФ;
6)Микро выключатель с фиксацией (не обязательно);
7)Крона 9В;
8)Панели для микросхем (не обязательно).
Итак, рисуем печатную плату светодиодный куба на стеклотекстолите и погружаем в хлорное железо .
А пока наша плата травится займемся самой сложной частью - самим LED кубиком. Просверлим отверстия в фанере или плотном картоне под светодиоды и вставим их туда. Теперь все катоды (минусы) сгибаем по часовой стрелке и спаиваем их. К среднему светодиоду припаиваем проволочки самостоятельно.
Таким же образом делаем остальные этажи светодиодного куба.
Теперь надо их спаять вместе. Только на этот раз спаиваем аноды светодиодов (плюсы).
Припаиваем последний третий этаж. Готово!!)))
Берем нашу уже протравившуюся плату и сверлим отверстия. Сначала к печатной плате припаиваем перемычки, а потом детали.
И наконец, последний штрих – припаиваем кубик.
Теперь подключаем 9В и ждём результат. УРА - работает:
Но если поднять питание схемы 12В может сгореть микросхема CD4020. Именно по этому я и поставил крону 9В. В этом есть свои плюсы: кубик можно таскать с собой, ему не нужна розетка и микросхема уже не сгорит. Но есть и минусы – периодически придется менять батарейку. Для своего светодиодного куба я сделал коробочку из картона. И вот что у меня в итоге получилось:
Материал и фото предоставил [)еНиС.
Обсудить статью СВЕТОДИОДНЫЙ КУБ
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:
| № вывода Arduino | Название цепи |
|---|---|
| 2 | LE |
| 3 | SDI |
| 5 | CLK |
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.
Куб с размером грани 4 диода 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.
Введение
LED Кубы появились уже давно, есть множество примеров их изготовления. На просторах интернета можно найти различные, начиная от , заканчивая большими объемными 3D LED экранами. Наиболее оптимальный размер с которого можно начать освоение их построения и программирования для начинающих это 8х8х8 (512 светодиодов), кубы меньших величин, не столь явно показывают световые эффекты, а кубы начиная уже с 16х16х16, довольно сложны в изготовлении начинающим.
В этой статье я хочу поведать создание LED Куба, размером 8х8х8, с использованием в качестве управляющего микроконтроллера, платы Arduino Pro Mini. Данная модель куба, может работать в двух режимах: световых эффектов и режим часов. Это стало возможным, благодаря интеграции в схему модуля RTC.
Принцип действия
Управление световым кубом из 512 светодиодов осуществляется посредством MOSFET-транзисторов, 64 транзистора отвечают за подачу положительного напряжения на столбцы, и 8 транзисторов за подачу отрицательного напряжения на слои. Ток (соответственно яркость) светодиода регулируется по средством 64 резисторов (R011-R641) стоящих после выхода транзисторов на столбцах. Открытие и закрытие транзисторов осуществляется при помощи сдвиговых регистров, которые в свою очередь управляются по двум линиям (отдельно столбцы и слои) платой Arduino.
Вся конструкция куба разделена на части:
- Схема №1 или главная плата, на которой установлен сам микроконтроллер (плата Arduino), RTC модуль, SD модуль, сдвиговый регистр и MOSFET-транзисторов, отвечающие за слои;
- Схема №2 или плата контактов, которая отвечает за крепления самого куба и открытия подачи положительного напряжения на столбцы;
- Схема №3 или пульт, отвечает за кнопочные команды устройству;
- Блок питания 5V (15A в данной конструкции применён такой, но поддержка такого тока не обязательна, всё зависит от тока светодиодов, смотрите ниже расчёт);
- Сам Куб 8х8х8 из 512 светодиодов.
Блок питания подбирается из учёта питания светодиодов, так как одновременно возможно свечение только одного слоя, то есть это 64 светодиода. Если принять ток одного светодиода равным 30мА, то получаем: 30мА*64=1920мА, то есть будет достаточно 3А блока питания, для питания всей конструкции.
Схемотехника
И так, главная плата, представляет собой в основном коммутационный характер, сопряжение всех модулей и управление слоями. Для наглядности, разделим на две части: коммутационная и управление слоями.
Схема №1, главная управляющая плата:
Коммутационная часть, осуществляет ввод основного питания на устройство (J6). Для прошивки платы Arduino Pro Mini, служит модуль USB to TTL, который подключается через J6-1, контакты J6-J1 и J6-J2, служат для подключения питания на плату Arduino от модуля (данное питание необходимо для прошивки, если не используется блок питания). Разъем J4, служит для подключения SD карты, а J5 для подключения модуля RTC. Плата Arduino Pro Mini, подключается через, группу разъемов J1 (1-1, 1-3, 1-4). Группы разъемов J2 и J3, служат для подключения сигнальных линий для управления платами контроля питания столбцов (Схема 2), и подачи питания. Группа разъемов J7, служит для подключения клавиатуры (Схема 3). И наконец группа J8, отвечает за подключение второй части Схемы 1 (управление слоями):
Вторая часть Схемы 1, предельно проста: сдвиговый регистр, дает команды MOSFET-транзисторам (1-открыть транзистор, 0-закрыть), сдвиговый регистр, получает через линию данных команды от первой части Схемы 1.
Рассмотрим, Схему 2, она разделена на две одинаковые части, для контроля по 32 столбца каждая. Так как они абсолютно идентичны, рассмотрим только одну:
Так же как и в предыдущей схеме, сдвиговый регистр даёт команды (которые получает через линию данных от платы Arduino Pro Mini), MOSFET-транзисторам (за исключением теперь, 0-открывает транзистор, а 1-закрывает). Так же тут присутствуют на выходе с транзистора, резисторы по 250 Ом, они служат для контроля тока светодиода, и могут быть заменены на номинал более подходящий для не совсем яркого свечения (в зависимости от используемых светодиодов).
И завершающая, Схема 3, плата кнопок, где всё предельно просто:
Проверка каждого слоя перед их спайкой:
Прошивка платы Arduino Pro Mini (sketch)
Скетч занимает более 500 строк, он будет приложен в конце статьи, а здесь постараюсь коротко его описать.
Есть две основные функции управления сдвиговыми регистрами ("column" - заполнение столбцов и "layer_column" - выбор слоя и вызов функции "column"), обе они реализованы через функцию shiftOut. Это самый легкий способ управления регистрами, но возможно не самый быстрый. Следом идет основная функция закрашивания всего куба "cube", смысл функции заключается в том, что она последовательно и по циклу (цикл получается само собой) закрашивает каждый слой куба. В веду такой реализации происходит мерцание куба, оно ели заметное из-за быстрого микропроцессора.
Существует два режима работы куба: "Демонстрация световых эффектов" и "Отображение времени". Смена осуществляется при помощи кнопки "Mode". При первом режиме, происходит последовательное считывание с SD карты данных, далее передача выше указанным функциям. Второй режим реализован гораздо сложнее, так как все данные этого режима вшиты в микропроцессор (этим и объясняется количество строк кода). Если коротко, то данные с RTC модуля считываются и исходя из этого, опять же, выше указанным функциям отправляются соответствующие битовые переменные, для отображения на светодиодах. Так же реализована возможность настройки часов, при помощи кнопок управления, для этого достаточно в режиме часов нажать кнопку "Setup", далее при помощи кнопки "Change" менять режим (часы, минуты, дни и т.д.) и настраивать при помощи кнопок "Up" и "Down". В конце нажав на кнопку "Reset", можно сохранить настройки.
Расположение кнопок, согласно Схемы 3:
Программа создания световых эффектов (C++ Builder 6)
Чтобы создание эффектов сделать упрощенным и функциональным, а так же просмотреть заранее спроецированные эффекты, перед их записью на SD, было решено написать программу на C++, с использованием Open GL.
Исходный код для Borland C++ Builder 6, приложен к статье.
Заключение
Постарался изложить информацию касательно схемы реализации проекта, его электрической части. Программная часть проекта довольно большая и всё можно найти в исходных файлах. Если будут вопросы - пишите, обсудим.
Сам проект задумывался, для небольшой практики, работы с микроконтроллерами, в ходе реализации было выяснено:
- Электрическая часть, не представляет сложности в реализации;
- Спайка куба, освещена во многих других статьях, по этому я не останавливался на этом, но спаять могу сказать довольно не простое занятие (т.е. больше 1000 точек припоя);
- Внедрение RTC модуля, не оправдало мои ожидания, так как показ времени не совсем разборчив, это можно наблюдать на видео, единственное если сделать белый матовый корпус, тогда цифры хорошо отличимы.
Список радиоэлементов
| Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Схема №1, главная плата | |||||||
| Плата Arduino | Arduino Pro Mini | 1 | 5V, 16MHz | В блокнот | |||
| Модуль USB to TTL | CP2102 | 1 | В блокнот | ||||
| Часы реального времени (RTC) | DS1307 | 1 | В блокнот | ||||
| Модуль SD card | SD card | 1 | В блокнот | ||||
| U1 | Сдвиговый регистр | SN74HC595 | 1 | В блокнот | |||
| Q1-Q8 | MOSFET-транзистор | IRLR024N | 8 | В блокнот | |||
| R1-R8 | Резистор | 10 кОм | 8 | В блокнот | |||
| R1-R8 | Резистор | 3 кОм | 8 | В блокнот | |||
| С1-С2 | Электролитический конденсатор | 1мкФ | 1 | В блокнот | |||
| Схема №2, плата кантактов | |||||||
| U1-U8 | Сдвиговый регистр | SN74HC595 | 9 | В блокнот | |||
| Q1-Q64 | MOSFET-транзистор | IRLML6302TR | 64 | ||||
