Светодиодный куб 5х5х5 своими руками схема

Добавил пользователь Alex
Обновлено: 05.10.2024

Еще одна простая светодиодная игрушка, но не менее эффектная, чем "вертушка" - светодиодный куб или LED Cube. 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 программатора и подключения куба к компьютеру через модуль UART-RS232 или UART-USB. 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 UART-RS232 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.

Файлы для скачивания

Здравствуйте! Меня заинтересовал Ваш проэкт светодиодного куба, давно собирался, вот решил повторить и сделать оригинальный подарок любимому человеку. У меня есть несколько вопросов:
1. Купил светодиоды синие, спаял решетку, рабочее напрядение одного светодиода 4 в, у Вас светодиоды красные, посмотрел что их раб напряжение 2 в, пересчитал номиналы нагрузочных резисторов. Следовал логики, что напрядение питания 5 в, в каждый мгновенный момент времени горит только 1 св.диод, получилось (5-4).02=50 Ом. Логика верна для данного случая?
2. Постарался внимательно проанализировать схему и печатную плату, не ясно где токоограничительные резисторы на транзисторы, в схеме нарисованы, а на печатке их нет, или они включены программно через внутренние нагрузочные микроконтроллера?
3. Обратил внимание на разъем программатора, точнее как расположены дорожки. Получаеться что он как-бы зеркально отражен относительно вертикали, получаеться что при подключении программатора сигналы не будут соответствовать. Надо будет развести плату по-другому?
Жду скорого ответа, с ув. Евгений.

1. Правильнее обратиться к документации по светодиоду. Вы не сообщили марку светодиода, поэтому ничего конкретного сказать не могу.
2. На печатной плате стройно в ряд стоят ограничительные резисторы (SMD). 16 одинаковых мест в один ряд.
3. На изображении печатной платы сторона, где располагаются элементы поверхностного монтажа. Разъем программатора с другой стороны платы. Разводка правильная.

Все Фьюзы по умолчанию кроме тактовой частоты. Выставляем тактирование от внутреннего RC генератора 8Mhz.

Вы дали ссылку на программаторы, там их два, каким из нужно пользоваться?? И обязательно ли его соединять с компьютером??

Собираюсь делать куб 8х8х8. Сразу возникла куча вопросов:
1. Диоды выбрал "ARL2-5213UBС, св.диод, синий, 5 мм, 5-8Cd 20 3V" покатят?
2. Надо токоограничивающие резисторы пересчитавыть? или 200 ом - норм?
3. Транзисторы полевики решил взять "мои любимые" IRFZ44. Ок?
4. Выдержат смд-эшные 74HC164 такое кол-во диодов?
5. Хватит атмеге8 её ресурсов для такого кол-ва диодов?
6. Память еепром у атмеги8 - пол кило (вроде). Для моего случая один "кадр" будет занимать 64 байта. Т.е. получается я могу хранить тока 8 "кадров"??
Спасибо заранее автору за ответы:))

1. Светодиоды пойдут любые, лишь бы не кушали больше 20мА. В противном случае ноги микросхем могут не выдержать. Придется включать через транзисторные ключи.
2. Работать будет.
3. OK
4. Выдержат.
5. Из ресурсов микроконтроллера понадобиться еще 4 ноги на дополнительные "этажи". Свободные ноги есть это не проблема.
6. В этом проекте eeprom не используется, весь "фильм" храниться в области программ. Т.е. Вы можете использовать все свободное пространство, оставшееся во Флеш памяти.
Но для 512 огней этого мало. Atmega8 для этого явно слаба. Как вариант, использовать математические функции для создания эффектов или прикручивать флеш память.

В общем мой проект отличается от существующих мануалов по сборке данной игрушки следующим:
— Открытый C код;
— Легко можно подстроить под себя эффекты и написать любой текст даже особо не вникая в код;
— При этом используется недорогая Atmega8;

Собрать куб из светодиодов описывать не буду, т.к. есть много инструкций в инете, самая по моему мнению наглядная по ссылке (начиная с 21 шага) выложу готовые файлы, на вопросы могу ответить в комментариях.

Цена вопроса:
— светодиоды 128х1=128р
— атмега 90р
— полевики 5х5=25р
— логика 4х10=40р
— питание 20р
— плата 50р
— прочее 100р
ИТОГО: 450р

ПОЕХАЛИ
1) Собираем светодиодную матрицу 5х5х5

2) Травим плату
3) Припаиваем детали

4) Припаиваем к плате матрицу
5) Прошиваем через USBasp
6) Включаем питание 5-8 вольт
7) Наслаждаемся работой =)

Файлы для сборки:

Комментарии для файлов: рекомендую установить 2 программы: Atmel Studio 7, и DipTrace 2.4.0.2 — крайне полезные вещи

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.

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).

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.

Практические рекомендации для успешной сборки

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.

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.

Посмотреть 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.

Макет схемы

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:

Содержит номера всех контактов и массивов.

Содержит образцы программ отображения, которые можно увидеть на видео в начале статьи.

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

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.

Читайте также: