Светодиодный куб своими руками

Добавил пользователь Владимир З.
Обновлено: 05.10.2024

Как показано на приведенном рисунке светодиодный куб 3*3*3 состоит из 27 светодиодов, упорядоченных по строкам и столбцам чтобы они образовывали форму куба.

Можно спроектировать много подобных кубов. Самым простым из них будет куб 3x3x3. Для проектирования куба 4*4*4 вам уже понадобится 64 светодиода. То есть с увеличением линейной размерности куба трудоемкость его изготовления возрастает многократно.

Светодиодный куб 3x3x3 является самым простым в изготовлении не только потому что в нем достаточно мало светодиодов, но еще и благодаря следующим условиям:

при изготовлении такого куба нам не стоит беспокоиться об его энергопотреблении – он потребляет сравнительно мало энергии;
не нужно никаких специальных переключающих устройств;
логических выводов у этого куба сравнительно мало, поэтому контактов Arduino Uno хватит для управления им и у нас не будет необходимости в использовании регистров сдвига (или других подобных устройств) для увеличения количества логических контактов для управления кубом.

В большинстве случаев обычные светодиоды потребляют ток от 2 до 5 мА. Поэтому если мы используем светодиоды, потребляющие 2 мА, то управлять 9-ю такими светодиодами можно без проблем с одного контакта Arduino Uno, поскольку контакты Arduino Uno способны обеспечивать ток 20-30 мА.

В этом проекте были использованы белые светодиоды, однако вы можете использовать светодиоды любых цветов – с цветными светодиодами куб будет смотреться еще эффектнее.

Для управления этим кубом нам понадобится 12 контактов платы Arduino Uno.

Необходимые компоненты

Плата Arduino Uno, резистор 220 Ом (3 шт.), источник питания с напряжением 5 В.

Макетная плата, соединительные провода, 27 светодиодов.

Паяльник, припой и флюс (канифоль).

Батарейка SR2032, некоторые инструменты.

Пустая картонная коробка, карандаш, линейка и несколько перемычек (соединителей).

Конструирование светодиодного куба 3x3x3

Шаг 1.

Сначала необходимо с помощью батарейки SR2032 или мультиметра проверить светодиоды на исправность, потому что если потом выяснится что какой-то светодиод неисправен, то заменить его в уже собранном кубе будет не очень просто.

Шаг 2.

Затем необходимо с соединительных проводов удалить изоляцию как показано на рисунке. Для создания куба можно использовать любые соединительные провода, но стоит отметить, что провода для макетной платы для этой цели подойдут отлично. Затем полученные оголенные провода необходимо нарезать на отрезки длиной 7 см – всего необходимо 6 таких отрезков. Эти отрезки проводов будут использоваться для скрепления слоев светодиодов между собой.

Шаг 3.

На этом шаге необходимо взять пустую картонную коробку и наклеить на ее верх белую бумагу как показано на рисунке. Белая бумага нужна будет для точного позиционирования точек.

После этого возьмите карандаш и линейку и отметьте 9 точек на бумаге через каждые 2 см таким образом формируя структуру куба как показано на рисунке.

Мы здесь используем расстояние 2 см потому что длина отрицательных контактов светодиодов составляет 2.5 см. То есть в данном случае у нас будет 5 мм для припаивания одного светодиода к другому. Если мы выберем большее расстояние, то пайка может уже составить проблему, при меньшем расстоянии куб будет выглядеть несколько неуклюже. Поэтому 2 см будет в данном случае наиболее подходящим расстоянием.

После этого возьмите любой заостренный предмет, например ручку или карандаш и проделайте отверстие в каждой точке. Отверстия должны быть такого размера, чтобы в них достаточно устойчиво держался светодиод – они не должны быть слишком маленькими (светодиод не будет влезать в них или у нас не будет возможности покачивать его во время пайки) или слишком большими (светодиод будет проваливаться в них). Поэтому каждое сделанное отверстие проверяйте с помощью светодиода.

Шаг 4.

После этого поместите один светодиод в отверстие и согните его положительный контакт как показано на рисунке ниже.

После этого согните положительный контакт светодиода еще раз чтобы он сформировал форму буквы ‘L’. При близком рассмотрении на контакте светодиода можно рассмотреть небольшую выемку в том месте, где его следует сгибать в форму буквы ‘L’. После этого согните отрицательный контакт светодиода вправо как показано на следующем рисунке.

Шаг 5.

Затем повторите все эти шаги для остальных двух светодиодов и упорядочите эти 3 светодиода в форме ряда как показано на рисунке. Этот шаблон будет использован для всех остальных светодиодов куба. Можно даже сначала согнуть выводы у всех 27 светодиодов куба, а только потом упорядочить их и спаять их концы.

Но для начала повторим описанную процедуру для 9 светодиодов, которые упорядочим в форму матрицы как показано на рисунке.

Шаг 6.

После этого спаяйте все отрицательные выводы светодиодов как показано на рисунке. Три светодиода будут образовывать ряд.

После этого возьмите два оголенных проводника длиной по 7 см (их мы заготовили ранее), поместите их как показано на рисунке и припаяйте 6 концов этих светодиодов чтобы сформировать полную матрицу.

Теперь все отрицательные выводы 9 светодиодов соединены друг с другом, то есть мы будем иметь 9 положительных выводов (CP1-CP9) и один отрицательный вывод (CN1). После того как мы вынем эту структуру из отверстий в картоне и обрежем выступающие концы мы получим один слой нашего светодиодного куба как показано на следующем рисунке.

Шаг 7.

Аналогичную последовательность действий мы должны предпринять и для изготовления других двух слоев куба, внешний вид этих сконструированных двух слоев показан на следующем рисунке.

Шаг 8.

Теперь, когда у нас есть все 3 слоя куба, нам необходимо состыковать их вместе чтобы получить куб.

Сначала возьмем 1 и 2 слои и поместим один из них поверх другого. Спаяем все общие положительные выводы этих слоев как показано на рисунке ниже. К примеру, вывод CP1 первого слоя необходимо будет припаять к выводу CP1 второго слоя, вывод CP2 первого слоя - припаять к выводу CP2 второго слоя и т.д. Для удобства пайки желательно чтобы положительные выводы одного слоя "заходили" на положительные выводы другого слоя на расстояние примерно 5 мм.

После этого пристыкуем к получившейся структуре оставшийся 3-й слой и у нас получится полный куб. Припаивать 3-й слой будет немного сложнее чем 2-й к первому, поэтому старайтесь делать это осторожно чтобы не сломать структуру.

Во время пайки всей этой структуры имейте ввиду, что не следует паяльником нагревать (прикасаться) вывод светодиода более 5 секунд, иначе можете перегреть светодиод и он выйдет из строя – а заменить его в уже сделанной (хотя бы частично) структуре куба будет непросто.

Работа схемы

Когда куб будет закончен у нас в распоряжении будет его 12 контактов, из которых 9 будут общими положительными выводами (контактами), а остальные 3 – общими отрицательными выводами. Каждый общий положительный вывод соединяет положительные выводы 3-х светодиодов, а каждый общий отрицательный вывод соединяет отрицательные выводы 9-ти светодиодов. Таким образом, мы будем иметь 9 столбцов, представляющих 9 положительных выводов (CP1-CP9) и 3 слоя представляющих 3 отрицательных вывода (CN1-CN3). Эти выводы необходимо будет соединить со следующими контактами платы Arduino Uno:
PIN2 ------------------CP1 (Common Positive)
PIN3 ------------------CP2 (Common Positive)
PIN4 ------------------CP3 (Common Positive)
PIN5 ------------------CP4 (Common Positive)
PIN6 ------------------CP5 (Common Positive)
PIN7 ------------------CP6 (Common Positive)
PIN8 ------------------CP7 (Common Positive)
PIN9 ------------------CP8 (Common Positive)
PIN10 ----------------CP9 (Common Positive)
PIN A0 ------------------CN1 (Common Negative)
PIN A1 ------------------CN2 (Common Negative)
PIN A2 ------------------CN3 (Common Negative)

Полная схема устройства представлена на следующем рисунке.

Исходный код программы

В полученном кубе если мы хотим включить один светодиод, к примеру, светодиод во втором столбце первого слоя, нам будет необходимо запитать контакт CP2 и подать землю на контакт CN1. В соответствии со сделанными соединениями в схеме нам необходимо подать напряжение высокого уровня на контакт PIN3 платы Arduino (который подсоединен к CP2) и напряжение низкого уровня на контакт PIN A0 (который подсоединен к CN1).

Аналогичным образом мы можем зажечь любой другой светодиод. Далее в программе мы в бесконечном цикле будем зажигать поочередно все светодиоды в нашем кубе.

void setup()
<
for (int i=0;i
<
pinMode(i,OUTPUT); // контакты S0-10 устанавливаются в режим вывода данных
>
pinMode(A0,OUTPUT); //PIN A0 устанавливается на вывод данных
pinMode(A1,OUTPUT); // PIN A1 устанавливается на вывод данных
pinMode(A2,OUTPUT); // PIN A2 устанавливается на вывод данных

digitalWrite(A0,HIGH); //подаем логическую "1" на A0 pin
digitalWrite(A1,HIGH); // подаем логическую "1" на A1 pin
digitalWrite(A2,HIGH); // подаем логическую "1" на A2 pin
/* add setup code here, setup code runs once when the processor starts */
>
void loop()
<
digitalWrite(A0,LOW); // на слой 1 куба подана земля
for (int i=2;i
<
digitalWrite(i,HIGH); // поочередно включаем каждый светодиод в слое 1
delay(200);
delay(200);
delay(200);
digitalWrite(i,LOW);
>
digitalWrite(A0,HIGH); // на слой 1 куба подана логическая "1"

digitalWrite(A1,LOW); // на слой 2 куба подана земля
for (int i=2;i
<
digitalWrite(i,HIGH); // поочередно включаем каждый светодиод в слое 2
delay(200);
delay(200);
delay(200);
digitalWrite(i,LOW);
>
digitalWrite(A1,HIGH); // на слой 2 куба подана логическая "1"

digitalWrite(A2,LOW); // на слой 3 куба подана земля
for (int i=2;i
<
digitalWrite(i,HIGH); // поочередно включаем каждый светодиод в слое 3
delay(200);
delay(200);
delay(200);
digitalWrite(i,LOW);
>
digitalWrite(A2,HIGH); // на слой 3 куба подана логическая "1"
>

Светодиодный куб — популярная в последнее время из-за своей красоты электронная игрушка. Множество завораживающих световых эффектов можно увидеть на кубе начиная с 3 x 3 x 3 и более.

Многие просили меня сделать простой светодиодный куб. Можно сделать куб на Arduino, размером 3 х 3 х 3, 4 х 4 х 4, 5 х 5 х 5 и т. д., микроконтроллер может давать сложные световые эффекты, но мы сегодня будем делать куб на двух простых интегральных микросхемах, не нуждающихся в программировании.

Если Вы будете использовать RGB-светодиоды, то эффекты будут ещё более впечатляющими.

LED cube c использованием интегральных схем

Эта конструкция проста и использует только две интегральные схемы. Электронная схема представляет собой светодиодный куб 3 x 3 x 3, используя 27 светодиодов любого цвета, который Вы захотите. Если Вы будете использовать RGB-светодиоды, то соединив последовательно они могут светить с разной яркостью. В этом случае лучше соединять последовательно 3 светодиода одного цвета, но на каждый выв. 4020 разные. Основная интегральная схема 4020 двоичный счетчик CMOS 14 этапов, но только 9 выходов использованы: 3 × 9= 27. Каждый выход управляет 3 светодиодами последовательно, нет необходимости использовать токоограничивающий резистор, так как 4020 оставляет только максимальный ток 15 мА. На NE555 собран генератор. Если вместо постоянного резистора 33 кОм поставить переменный, то можно регулировать частоту переключения светодиодов.

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 светодиодном кубе деталей с описанием:

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 травиться.

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.

Форум по обсуждению материала СВЕТОДИОДНЫЙ КУБ

Микрофоны MEMS - новое качество в записи звука. Описание технологии.

Про использование технологии беспроводного питания различных устройств.

Что такое OLED, MiniLED и MicroLED телевизоры - краткий обзор и сравнение технологий.

В каком направлении течет ток - от плюса к минусу или наоборот? Занимательная теория сути электричества.

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 здесь. 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.

Читайте также: