Светодиодный куб 4х4х4 своими руками

• Цена: ¥188 — $31.25

Всем доброго времени суток! Предлагаю на Ваш суд обзор на Kit набор для сборки светодиодного куба 8х8х8. К особенности куба можно отнести наличие платы синхронизации с ПК и специального ПО для визуального создания анимации. Всех кому интересно прошу под кат и предупреждаю картинок много. Раньше уже собирал вариант 4х4х4, но захотелось чего-то большего, и с более простым вариантом создания эффектов, так что решил попробовать этот набор. Набор приехал в общей посылки от посредника, при заказе решил взять с акриловым корпусом, и думаю, поступил не совсем правильно. Вес корпуса это больше чем половина от веса всего набора, а для доставки это важно. Набор заказывал на странице производителя компании YFRobot, весь набор был запакован в добротную коробку.Коробка Внутри обнаружилась материнская плата, плата синхронизации и управления, пакет со светодиодами, блок питания, пинцет, пакет с дополнительными элементами и корпус. К сожалению инструкции, к набору не прилагается, так что придется пользоваться картинками со страницы заказа и форумом производителя.Немного подробнее про комплект. Пинцет, ничего особенного средней паршивости.

Блок питания, 5В 2А вилка китайская. Будущий корпус, все панели в защитной бумаге, порезка вроде как хорошая. Материнская плата дополнительно упакована в пленку. В пакете с дополнительными компонентами нашелся аудио кабель и как я понимаю делитель аудио сигнала между кубиком и колонками. Пакет с контактами, которые нужно будет запаять на плату и в них, потом устанавливать куб. В моем первом кубе производитель предлагал добывать такие стойки путем кромсания разъема, тут все сделали за нас заранее. Четыре латунные стойки с пятью винтами. Набор пластикового крепежа, как я понимаю для сборки корпуса. Пять светодиодов, четыре размещаются по углам платы, пятый про запас. Немного провода в серой изоляции, его предлагают использовать для подключения контактов уровней при сборке. И собственно пакет с кнопками и разъемами, за исключения светодиодов это то немного что придется паять при сборке.О микросхемах и платах. В отдельном пакете в наборе лежала плата синхронизации. Листая форум производителя, понял, что первые модели этого, куда были рассчитаны для работы вместе с Arduino, а потом производитель сделал эту плату. По сути, и есть Arduino просто из нее удалили все не нужно для работы этого куба. На плате размещается контроллер Atmel 328P давно ставший типовым для ардиунок. Микросхема флеш памяти 25Q32BVSIG объемом 32 мбит с spi интерфейсом. Ну и конечно микросхема USB-to-UART конвертер в данном случае его роль выполняет чип SIL 2104 На материнской плате куба производитель заранее распаял девять сдвиговых регистров 74HC595D. Сборку транзисторов Дарлинга ULN2803AG И если я не путаю то мощный полевой транзистор AO4409, ну или сборка из трех транзисторов с общим затвором, если быть точным. С обратной стороны платы элементов нет, только разлинеенная сетка для сборки матриц светодиодов. Там же находить название производителя, модель и как я понимаю год выпуска модели куба.Сборка Для начала было не понятно как правильно собирать сами матрицы. Тут немного помогла картинка со страницы заказа. Гуг переводчик с телефона по фото смог сказать, что анод нужно оставлять ровный и гнуть необходимо катоды. Там же на странице заказа показали, как использовать плату для сборки матриц. Ну, раз все понятно пробуем собрать. Сначала прикручиваем к плате ножки из стоек. И откладываем плату и все остальное подальше. Теперь предстоит очень умиротворяющие занятие, согнуть одну из ножек на 512 светодиодах, а кучка с диодами немаленькая. Кстати в комплект производитель положил светодиоды с очень длинными выводами, как будто они специально сделаны для сборки в такие вот конструкции. После изгибания начинаю собирать будущие линейки по восемь светодиодов. Для крайних в ряду светодиодов ножку нужно гнуть еще и в бок. В будущем эти ножки послужат для соединения решёток светодиодов между собой После того как все установлено можно паять. В итого получаются вот такие линейки по восемь светодиодов. А это финал, спаянны все 64 линейки, осталось 17 светодиодов. Общее время на сборки линеек почти пять часов с учетом того что часть сборки снималась на видео. Для сборки линеек в матрицы, производитель рекомендую запаять на плату контактные стойки и использовать их в качестве кондуктора. Теперь можно, кстати, посмотреть на эти самые стойки и поближе. Внутри вроде бы есть подпружиненные контакты, во всяком случае, ножку светодиода держит надежно. Решил не распаивать сразу все, а обойтись частью, мне так проще было собирать. Вот так это примерно должно выглядеть. К сожалению фото, в процессе сборки не получилось. Первая готовая матрица. Время на сборку из уже готовых линеек 30 минут. На сборку всех восьми матриц ушло около трех с половиной часов, хотя со временем и пришел опыт, но быстрее чем 20 минут на матрицу не получилось.Что-то мой проект выходного дня начинает превращаться в долгострой. Контроллер в процессе приемки работы. После сборки всех матриц можно запаять все оставшиеся детали. В том числе и разъемы для контроллера. И установить контроллер на место. Теперь можно приступать к установке матриц светодиодов на плату и формировать кубик. После того как все 8 матриц установленный нужно используя оставшиеся ножки светодиодов (те самые последние в ряду который загибались в сторону) связать светодиоды в горизонтальные ряды. И подключить каждый ряд к своему контакту на плате. Комплектного проводка мне на весь кубик не хватило. После включения кубик заработал, но показывал какое-то непонятное мигание, так что самое время разобраться с программным обеспечением. Первое что нужно сделать это поставить драйвера на USB-to-UART конвертор. Тут все просто микросхема популярная найти драйвер можно в сети без проблем. Далее задача немного посложнее найти само ПО для управления кубом. Производитель выпускает программу Magic_LightCube V2.4 и она есть в свободном доступе на сайте разработчика. Только сайт весь на иероглифах и закачка файлов с него доступна только для зарегистрированных пользователей, а для регистрации нужен китайский номер телефона, тут мне помогла техподдержка посредника, они скачали для меня архив с программой и выслали его мне на почту. Первый запуск закончился вот таким красивейшим окошком с сообщением о том, что все пропало. Решается все установкой библиотеки MSCOMM32.OCX по инструкции из интернета или с сайта производителя, если вы знаток китайского. И наконец, можно запустить программу управления кубиком. Тут мы можем либо открыть заранее заготовленные эффекты «Красная стрелка» и запустить их просмотр «Зеленая стрелка» Или нарисовать что-то самостоятельно, хотя на самом деле все делается не так как на картинке.Заранее прошу прощения за терминологию, давненько я не открывал учебник по геометрии. В верхней части окна программы расположены 24 квадрата по 8 в ряд, каждый из квадратов отвечает сетку светодиодов, показанную в одной из трех проекций. Система координат и названия плоскостей подписаны справа в углу окна. Сами светодиоды это маленькие квадратики внутри больших квадратов. Рисовать можно просто кликая мышкой по квадратикам, синий квадратик значит, светодиод будет гореть, серый значит, не будет. Таким образом, включая и выключая квадраты можно создать один кадр будущей анимации. После того как кадр создан его можно отправить на куб для просмотра нажав кнопку «Send«, если результат Вас устраивает его можно добавить к списку кадров кнопкой «Add» и приступать к созданию нового кадра. Для более быстрого создания шедевра служат кнопки X ± Y ± Z ±, с их помощью можно сдвигать ранее нарисованное на одну клеточку в одной из плоскостей, функция очень помогает для создания эффекта движения. Ну и еще три кнопки, которые могу облегчить жизнь художнику ALLON/ALLOFF — включает или выключает сразу все светодиоды.Reverse — инвертирует состояние светодиодов, включает выключенные и выключает включенные. В процессе создания анимации можно кликать по уже добавленным кадрам и просматривать их прямо на кубе. После создания все кадров будущей анимации их нужно выделить и добавить к списку анимации кнопкой со стрелкой «->» предварительно задав имя анимации. Кнопками Play и Stop можно запуска и останавливать воспроизведение анимации из списка, а регулятором скорости задавать часто смены кадров анимации тем самым управляя скорость воспроизведения. Ну и наконец, если получившаяся анимация Вас полностью устраивает кнопкой OFF-Line ее можно загрузить на флешку куба что бы можно было проигрывать ее без подключения к компьютеру. К сожалению, одновременно в кубе можно хранить всего одну анимацию. А теперь пару слов о минусах этого кубика, а они, к сожалению тоже есть. Первый минус это работа со звуком, вернее полное отсутствие работы со звуком, каких либо эффектов или еще чего на данный момент нет. Разработчики говорят, что это все будет в будущем, так как ПО все еще находится в разработке, а пока что дают исходный код для прошивки контроллера и предлагают дописать требуемое самому. То же самое касается и светодиодов по углам куба, они есть, а вот кода для работы с ними нет, хотя последнее, на мой взгляд, даже к лучшему потому как они только отвлекали бы от самого куба. Ну и, пожалуй, самый главный глюк куба это самопроизвольное включение двух его рядов, при работе это выглядит вот так. На все мои вопросы в чате производителя мне ответили, что это мой косяк, и нужно проверять пайку. Честно проверил, каких либо косяков не увидел. Зато в процессе выяснения столкнулся с тем что этот глюк зависит от того что и как отображается на кубе, например при последовательно включении выключении рядов такого глюка не возникает. Возможно я конечно и не прав, но если это ошибка в пайке то она должна проявляться всегда вне зависимости от того какая анимация идет на кубе. Так что я больше склоняюсь к глюку одного из сдвиговых регистров или к ошибке в прошивке контроллера, хотя может быть я и заблуждаюсь. В любом случае пока что в чем проблема я так и не понял. Видео сборки и демонстрация работы ПО Покупал через посредника YoyBuy Посылка весила 2.5 кг доставка обошлась 43$,. Вес комплекта 0.92 кг. Доставка службой EMS заняла полторы недели.Вывод Вот даже не знаю что сказать, с одной стороны это супер, очень понравился и процесс сборки и результат даже с учетом тех особенностей работы, которые есть. С другой стороны сборка заняла много времени, так как я мог уделять кубику только вечера по выходным весь процесс сборки занял у меня почти месяц, так что если кто-то решит повторить процесс готовьтесь к долгой и довольно монотонной работе. Заранее приношу свои извинения за орфографию и грамматику текста, все допущенные ошибки сделаны не специально, а только по незнанию и в связи с несовершенством программ автоматической проверки текстов. Товар предоставлен для написания обзора магазином. Обзор опубликован в соответствии с п.18 Правил сайта.

• 30.10.18 CUBE_Gyver_v2: добавлена новая версия для нового видео

</span>Внимание! 30.10.2018 обновлён архив проекта, добавлена новая версия!

• Большой светодиодный куб на Arduino и сдвиговых регистрах. 512 светодиодов, 10 режимов анимации (можете дописать свои!).
• Куб имеет две кнопки, обеспечивающие переключение режимов вперёд/назад, удержание кнопки увеличивает и уменьшает скорость текущей анимации.
• Проект собран на печатной плате, что позволило уменьшить трудозатраты на соединение компонентов, а также уместить всё в компактный корпус!
• Куб использует динамическую индикацию (послойная отрисовка) и потребляет всего около 0.5 А, когда светятся все 512 светодиодов.
• Долгий и интересный процесс пайки самого куба показан на видео ниже. Использованы длинноногие светодиоды, куб спаян только их ногами. Края соединены и усилены железной проволокой (10 линий).
• Добавлены игры: 3D змейка и туннель

ПОДРОБНОЕ ВИДЕО ПО ПРОЕКТУ

• В данном видео показан полный и максимально подробный процесс разработки и изготовления устройства, а также обзор его возможностей и функций, всё это с приятным монтажиком, музычкой и комментариями. В общем, приятного просмотра!

СХЕМЫ, ПЕЧАТНЫЕ ПЛАТЫ

Схема 1

Джойстик и кнопка

МАТЕРИАЛЫ И КОМПОНЕНТЫ

Ссылки на магазины, с которых я закупаюсь уже не один год

Вам скорее всего пригодится:

• Arduino NANO с ногами http://ali.pub/2avsvp http://ali.pub/2avsw3
• Arduino NANO без ног http://ali.pub/2avsyf http://ali.pub/2avsz7
• Светодиоды с длинными ногами 100 штук
  • Синие http://ali.pub/2avtgw
  • Розовые http://ali.pub/2avtha
  • Красные http://ali.pub/2avti2
  • Зелёные http://ali.pub/2avtj1
  • Жёлтые http://ali.pub/2avtk7
• Светодиоды по 10 штук
  • Синие http://ali.pub/2avtnp
  • Розовые http://ali.pub/2avtrz
  • Красные http://ali.pub/2avtw2
  • Жёлтые http://ali.pub/2avu14
  • Зелёные http://ali.pub/2avu1i
• Сдвиговые регистры 74hc595n http://ali.pub/2avx3k
• Транзисторы bd241c http://ali.pub/2avx20
• Резисторы http://ali.pub/2avx54
• Транзисторы TIP41C (на всякий случай) http://ali.pub/2avx63
• Макетка 8 на 12 см http://ali.pub/2avxad
• Гребёнка http://ali.pub/2avxen
• Кнопки и стойки ищите в любых магазинах для радиолюбителей, так как у китайцев можно купить только мешок 100 штук!

ПРОШИВКА И НАСТРОЙКА

Содержимое папок в архиве

• libraries – библиотеки проекта. Заменить имеющиеся версии
• CUBE_Gyver – прошивка для Arduino, файл в папке открыть в Arduino IDE (инструкция)
• schemes – схемы и печатки

Как прошить?

• ЕСЛИ ЭТО ПЕРВЫЙ ОПЫТ РАБОТЫ С ARDUINO – посмотреть ВИДЕО о платформе с целью ознакомления, далее скачать, установить и настроить необходимые для работы программы согласно СУПЕР ПОДРОБНОЙ ИНСТРУКЦИИ (там даже видео версия есть!).
• Скачать архив с проектом напрямую, или с GitHub (кнопки чуть выше)
• Подключить Ардуино к компьютеру при помощи Data-кабеля
• Открыть файл прошивки желаемой версии (файлы прошивок .ino лежат в одноимённых папках)
• Настроить Arduino IDE (COM порт, куда подключена плата; подключенная модель Arduino, как в статье из первого пункта)
• Настроить что нужно в прошивке, нажать загрузить
• Если происходит ошибка компиляции или ошибка загрузки, читать 5-ый пункт в ЭТОЙ СТАТЬЕ

Настройки в прошивке

#define INVERT_Y 1    // инвертировать по вертикали (если дождь идёт вверх)  #define INVERT_X 0    // инвертировать по горизонтали (если текст не читается)    // текст для режима текста  String disp_text = "AlexGyver xyz";  

Дополнительно

• Транзисторы любые NPN с коэффициентом усиления больше 40 (я проверял TIP41C и bd241c)

• Светодиоды берите на желаемый цвет =)

АЛГОРИТМ РАБОТЫ

// основная магия происходит здесь, где массив данных cube   // отправляется на сдвиговые регистры  void renderCube() {    for (uint8_t i = 0; i < 8; i++) {      digitalWrite(SS, LOW);      if (INVERT_Y) SPI.transfer(0x01 << (7 - i));  // это слои, инвертированные      else SPI.transfer(0x01 << i);                 // слои      for (uint8_t j = 0; j < 8; j++) {        if (INVERT_X) SPI.transfer(cube[7 - i][j]);  // а вот тут уже колонны        else SPI.transfer(cube[i][j]);      }      digitalWrite(SS, HIGH);    }  }

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).

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.

Практические рекомендации для успешной сборки

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

• приготовить заранее просверленную матрицу из фанеры или картона в которую вы вставите «головку» каждого из светодиодов, а затем запаяете это всё в единое целое;
• располагайте светодиоды все одинаково, то есть минусовым выводом (катодом) вправо, а анодом (плюсом) влево, так будет легче разобраться в сборке, контакты первого ряда светодиодов расположите под углом в 45 градусов;
• вам необходимо приобрести отладочную плату Arduino любой модели, например, UNO, nano, pro mini. Прошивку для этой схемы можно найти здесь.

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.

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.

Используемые источники:

• https://mysku.ru/blog/taobao/70519.html
• https://alexgyver.ru/arduino-led-cube/
• https://svetodiodinfo.ru/svoimi-rukami/svetodiodnyj-kub.html