Светодиодный куб 5х5х5 схема. Светодиодный куб. Основной принцип куба
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.
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.
Опубліковано 05.08.2011
Еще одна простая светодиодная игрушка, но не менее эффектная, чем – светодиодный куб или . Видео того, что получилось можно посмотреть прямо здесь.
На Youtube можете найти много аналогичных и более крутых вещей. Самая ценная деталь – это куб, собранный из светодиодов. Мы будем строить простой куб с размерами грани 4x4x4 светодиода. Т.е. нам понадобиться 4x4x4=64 светодиода яркого свечения любого цвета. Хотел сделать куб 8x8x8, но тогда понадобилось бы 512 светодиодов. С учетом стоимости светодиодов дороговато как для простой игрушки, начнем с простого 4x4x4.
Как работает куб
Все сразу светодиоды нам не засветить, нужно много ног микроконтроллера. Поэтому поступают проще – поочередно включают по одному “этажу” светодиодов. Человеческих глаз инертен и не может уловить столь быстрое переключение и нам кажется, что горят светодиоды всех этажей. Но при этом нужно понимать, что каждый отдельно взятый этаж светодиодов горит не все время а отведенный ему период. Период свечения 1/кол этажей. В нашем случае 4. Т.е. Яркость свечения будет 1/4 от номинальной. Поэтому мы и взяли сверх яркие светодиоды, в противном случае у нас получился бы бледный куб.
Плата управления
На плате управления микроконтроллер ATMega8 отвечает за логику работы, пара микросхем – сдвиговых регистров для подачи сигналов на “столбы” и 4 транзисторных ключа, которыми включается нужный этаж светодиодов. Микроконтроллер отправляет в сдвиговые регистры необходимое число, а затем включает нужный транзисторный ключ, зажигая нужный этаж. Затем операция повторяется для каждого “этажа”.
На плате предусмотрен разъем для и подключения куба к компьютеру через модуль . Таким образом, можно заставить куб светиться по командам из компьютера. Однако, куб замечательно работает и без компьютера, правда тогда он сможет прокручивать только “фильм” зашитый в его памяти, но этого, как правило, более чем достаточно.
Куб можно питать от USB порта компьютера. Это удобно при подключении к компьютеру. Я питал отдельно, поскольку планировалось сделать отдельное устройство. На видео можно заметить отдельную плату простого стабилизатора напряжения на 5В, на который подается 12В от внешнего блока питания. Поскольку в один момент времени максимум могут гореть не 64 светодиода, а только 16, то их суммарный потребляемый ток (из расчета 20мА на каждый светодиод) 16*20=320мА. Что допустимо для USB порта.
Сборка светодиодного куба
Светодиоды спаиваются таким образом, чтобы одна из ножек соединялась с ножками других светодиодов по вертикали, формируя “столб”, а другая нога соединялась со всеми светодиодами в плоскости (в “этаже”). К кубу припаиваем провода по одному к столбу (16 шт.) и по одному на каждый этаж (4 шт.). По этим 20 проводам выполняется управление кубом. Подключается куб к плате следующим образом:
Интерфейс с компьютером
Взаимосвязь с платой осуществляется через COM-порт в случае использования модуля и через виртуальный COM-порт при использовании UART-USB. В том и другом случае для компьютера это COM-порт. Так что с разработкой софта проблем нет.
Софт для создания и проигрования эффектов
Для упрощения работ с созданием различных световых эффектов был создан простенький софт на Flash: . С его помощью можно составить различные эффекты и сохранить файл. Файл – это простая последовательность чисел, которую можно вставить в исходный код, скомпилировать и получить прошивку со своими собственными эффектами. Кроме того, этот файл можно проигрывать на подключенном к компьютеру кубе с помощью простой программы написанной на Delphi. Пример ее можно скачать здесь.
14 января 2016 в 13:42Светодиодный куб 8х8х8, интересно и красиво
- Схемотехника
Введение
Идея эта в голову пришла спонтанно, до осени этого года я и догадываться не мог, что люди занимаются чем-то подобным в жизни. На самом деле про то, что такие «кубики» существуют, рассказал преподаватель схемотехники и предложил взять данную тему в качестве курсового.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.
В интернете полно инструкций на эту тему. Но от начала до конца я увидел кажется только на instructables.com, и сразу скажу, как-то там слишком подробно в плане всего. Использовал лично я компонентов в раза два меньше. Естественно комплектация получилась попроще. В итоге для нашей маленькой игрушки нам понадобится:
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
Берем дрель, линейку, делаем сеточку 8х8 (главное не сделайте 8х9, как я) на чём угодно, будь то пенопласт, деревянная доска или что-то ещё. И аккуратно сверлим дырочки для светодиодов.Milestone #2:
Ключевое слово - «аккуратно», пару миллиметров влево или вправо, и у вас уже будет кривой куб в итоге.
После того, как этот шаг выполнен, вставляем светодиоды в ячейки и соблюдаем следующее правило:
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<
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
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
