+47 +83

4x4x4 LED cube, / Блог им.

… или история о том, как делать не надо.

Все началось с того, что порядком времени назад один из товарищей, посещающих мой кружок, изъявил желание делать кубик 4х4х4. «Хм, а почему бы и мне не сделать такой же?» — подумал я. В самом деле, ведь прикольная штука. Следующим же вечером я откопал мешок со светодиодами, припрятанный на черный день, отсчитал ровно шестьдесят четыре штуки, просверлил шестьдесят четыре дырки в шаблоне и начал паять.

Через пару часов матрицы были готовы и спаяны в кубик. Ничто не предвещало приключений…

Приключения начались на следующий день, когда я стал обдумывать схему управления. Ну, ясное дело, все стандартно: МК, дальше сдвиговые регистры, потом ключи и сами матрицы диодов. В качестве же ключей прогрессивное человечество обычно использует сборки ULN2003. Однако еще утром того же дня выяснилось, что по какой-то неясной причине куб был спаян с общим катодом:

И поэтому, ясное дело, ULN2003 тут не подойдут, ибо состоят из NPN ключей, а потому умеют замыкать только на землю. Наивно веря в закон всемирной симметрии, я полез гуглить комплементарный аналог ULN. Поиски показали, что, скорее всего, такого в природе нет и, видимо, не было, а если и есть или был, то так далеко или давно, что о таком не знает даже гугл. С коммутацией выводов Z на землю проблем вроде как не намечалось, так как запасы IRLML2803 у меня еще не иссякли. Тем не менее, впереди маячила перспектива запаивать шестнадцать транзисторов.

Утешив себя тем, что тридцать лет назад люди запаивали и по сотне транзисторов, и дискретный подход это Ъ-олдскул, я начал обдумывать схему ключей. Конечно, наиболее очевидна классическая схема PNP-ключа:

Однако ее выбор означает перспективу руками паять еще тридцать два резистора. Потому из своей природной лени я решил ее немного оптимизировать:

Относительно R1 это эмиттерный повторитель. Поэтому, во-первых, отпадает необходимость ставить резистор в базу, а, во-вторых, светодиод получает источник тока (со стороны коллектора), который лучше резистора.

Одним словом, я остановился на втором варианте. Нарисовал все в DipTrace, развел плату, вытравил и спаял.

Чудеса начались, когда я подключил готовый блок к макетке, написал программу и начал отлаживать. Оказалось, что яркость каждого диода зависит от того, сколько всего диодов включено. Причем совсем не так, как подсказывает здравый смысл. Все выглядело следующим образом: одинокий включенный диод светил совсем тускло; при включении двух диодов каждый из них начинал светить ярче; трех – еще ярче, и так далее. Чем больше светодиодов включалось одновременно, тем ярче светил каждый из них. Сей феномен поверг меня в глубокие раздумия. Я перечитывал программу, подолгу медитировал над схемами и упражнялся в замерах напряжений. Последние показывали, что напряжение (а, следовательно, и ток) на диодах честно растет при увеличении количества одновременно включенных пикселей.

Все из-за того, что я выбрал вторую схему! А разгадка в том, что управляющая логика и силовая часть питаются от одного источника и имеют одну землю. Транзистор формирует эмиттерный повторитель относительно резистора. Ключевое слово – повторитель. В этом случае при подаче логического нуля на базу к резистору оказывается приложено почти все напряжение питания (за вычетом падения на переходе база-эмиттер), ибо CMOS-микросхема 74HC595 выдает в качестве нуля практически землю. Т.е., светодиоду остается всего лишь то самое напряжение база-эмиттер, да еще и за вычетом напряжения насыщения. Рисунок ниже иллюстрирует ситуацию:

При увеличении числа одновременно горящих светодиодов возрастает нагрузка на выводы 74HC595, отчего возрастает падение на выходном каскаде микросхемы. При этом напряжение, прикладываемое к базе, падает, напряжение на резисторе также становится меньше (повторитель же), и светодиод светится ярче, потому что ему остается больше напряжения.

Однако схема спаяна, плата собрана, и забрасывать ее не хочется, ибо жалко уже вложенных усилий. Как реанимировать проект? В принципе, выход есть. Надо опустить землю ключа ниже земли управляющей логики вольта этак на три, оставив запас напряжения для светодиода:

Однако тут возникает еще одна проблема, а именно, управление полевыми транзисторами, переключающими слои. Изначально они управлялись непосредственно от ножек МК – отпирались единицей, запирались нулем. Но теперь ноль МК имеет потенциал не менее трех вольт относительно истока транзисторов! Т.е., при непосредственном управлении закрыть их будет невозможно. Потому видна явная необходимость в дополнительных цепях согласования:

Еще можно было бы соединить затвор с истоком через резистор, и открывать транзистор подачей высокого уровня, а запирать его, переводя вывод МК в состояние высокоимпедансного входа. Но это потребовало бы более серьезного изменения готовой платы, потому я решил остановиться на немного более сложном, но универсальном варианте. Да и лишний буфер никогда не помешает.

Таким образом, для спасения проекта была сделана управляющая плата-костыль, которая обеспечивает двухуровневое питание с необходимым сдвигом напряжений и по совместительству содержит управляющий МК. С ней, кстати, тоже вышла печальная история. Подключив программатор после сборки, я обнаружил, что контроллер не шьется. И так пробовал, и этак – ни в какую. В общем, я решил, что спалил его при пайке. Срезал микросхему скальпелем и со всеми мерами предосторожности запаял новую. Но новый МК тоже не откликался. Не буду томить читателя, дело оказалось в неправильном ключе AVRdude. Как известно, МК ATmega48 поставляется с завода настроенным на тактирование от внутреннего генератора на частоте 1МГц. Для стандартных опций программатора этой частоты маловато. Потому, чтобы AVRdude нашел МК, необходимо снизить тактовую частоту программирования, что достигается отдельным ключом – латинской буквой «бэ». Большой буквой! –B! А я по памяти писал маленькую. Которая, по странной прихоти автора оной софтины, тоже ключ, но имеющий другое значение.

Финальная схема питания выглядит так:

В этом включении все работает корректно.

Теперь немного о софте. Как видно, основная масса работы ушла на железо, потому эффекты, реализованные к нынешнему моменту, не поражают воображение. Тем не менее, в прошивке целиком реализован отдельный небольшой API к кубику, вроде установки пикселя, заполнения/очистки, быстрого копирования слоя и т.п. Так что основа есть, может, и напишу со временем что-нибудь более интересное.

В общем, оно работает. Однако на то, что можно было бы сделать за два-три дня, я затратил около месяца с учетом всех раздумий. Правда, работа велась с перерывами, ибо процесс совпал с зачетной неделей и сессией, а затем с праздниками и кучей других дел, но все же. Мораль: никогда не собирайте кубики с общим катодом…

Напоследок, бонусом для тех, кто дочитал, фото и видео.

Файлов проекта не выкладываю, ибо конструкцию к повторению не рекомендую.

Эрик М. Клаус — Комплект светодиодных кубов 4x4x4

Комплект состоит из набора деталей. Инструкции в комплекте нет. Вы должны выследить их из Интернета.

В комплект входят:

1 печатная плата 1 электролитический конденсатор 470 мкФ

70 красных/синих светодиодов с длинными выводами 1 40-контактный разъем IC

2 40-контактных гнездовых разъема 4 резистора 1K

4 Латунные стойки 4 Автоматически мигающий светодиод с пластиковым монтажным основанием
(для установки под печатной платой)

4 Соответствующие винты 1 Микроконтроллер STC12C5A60S2 (запрограммированный)

1 Гнездо для подключения к USB-кабелю питания 2 Керамические конденсаторы 22 p

1 Разъем Barrel Jack для печатной платы 1 Кристалл 11,0592 МГц

1 Длина провода

Сборка:

На сборку комплекта у меня ушло около 8 часов, включая время, потраченное на сборку приспособления для удержания светодиода во время их пайки.

Думаю, что без этого приспособления или какого-то другого приспособления результаты были бы не такими хорошими.

Рекомендуется удалить пластик вокруг штырей разъема, оставив только металлические штифты.

Это было утомительно, но выглядело намного аккуратнее. После завершения он загорелся и начал мигать светодиодами

Программирование:

Конечно же, я ДЕЙСТВИТЕЛЬНО хотел перепрограммировать чип и написать свои собственные процедуры отображения и управления.

К сожалению не нашел возможности скачать код с самого чипа и не желая иметь на руках безжизненный кирпич

Решил заказать пару чистых чипов и оставить оригинал в покое. Мне не очень повезло найти поставщика этих чипов

в США, поэтому мне пришлось ждать, пока они прибудут из Китая. Это было так неприятно, что я построил интерфейс 9Разъем 0003

, который соединял сокет ЦП с макетной платой без пайки с установленным на ней Atmel ATMega32.

Мне не потребовалось много времени, чтобы перевести несколько процедур для работы на ATMega32, чтобы я мог приступить к созданию

служебных функций, которые управляли дисплеями светодиодных кубов с помощью команд меню с последовательного терминала.

12C5A60S2 от STC — это микроконтроллер на базе 8051 с 60 КБ флэш-памяти и 1280 байт ОЗУ.

Этот работает на 11.0592 МГц (это нечетное значение делает выбор скорости передачи данных более подходящим)

Так как он совместим по байтам со стандартным кодом 8051, я могу использовать с ним компилятор SDCC. http://sdcc.sourceforge.net/

Вместе с программным обеспечением интернет-провайдера с сайта производителя чипа (он находится в Китае, поэтому иногда сложно получить

последнюю версию — просто скачайте приложенную ниже)

Когда появятся новые чипы наконец прибыло, потребовалось некоторое время, чтобы программное обеспечение интернет-провайдера связалось с ними.

Встроенный последовательный загрузчик реагирует только на короткое время после включения питания (не сбрасывается), поэтому потребовалось немного схемы интерфейса

, чтобы позволить мне легко отключить питание от целевой платы и заблокировать любую подачу тока

. через контакты RX и TX на последовательном интерфейсе. Каждый раз, когда я хотел загрузить новый код

, мне приходилось удерживать кнопку отключения VCC, запускать загрузку ISP и сразу же отпускать кнопку.

Микросхема может быть запрограммирована только с помощью основного UART, а плата имеет поддержку 4-контактного разъема

провайдеру. К сожалению, в конструкции печатной платы используются те же контакты, которые UART использует для сигналов RX и TX

для управления светодиодами. Поэтому я должен был убедиться, что КРАСНЫЕ светодиоды выключены, когда я хотел связаться с UART.

Это должно было быть немного больно, когда пара подпрограмм дисплея настолько запутала устройство USB-Serial

, что его нужно было перезагрузить (отключить) перед программированием чипа, иначе загрузка не удалась.

Позже я добавил разъем для вторичного UART, в котором не использовались общие контакты.

Для этого потребовался второй преобразователь USB-Serial во время разработки, но идея заключалась в том, чтобы в конечном итоге добавить адаптер bluetooth HC06

, спрятанный под печатной платой, чтобы я мог управлять светодиодным кубом с помощью приложения Bluetooth-терминала на моем телефоне.

Все это работает сейчас, хотя я уверен, что со временем я подправлю программное обеспечение.

Я подключил его к модулю bluetooth, и с помощью простого выбора текстового меню я могу запустить любую из 37 процедур отображения

, которые я запрограммировал до сих пор, а также несколько специальных комбинаций или запустить их все.

Вот ссылка на светодиодный куб с обновленным программным обеспечением в действии: Видео о светодиодном кубе

Вот еще несколько фотографий:

Нажмите на изображение, чтобы увеличить его

Как сделать мигающий светодиодный куб 4x4x4 с помощью Arduino

Введение

Скоро Рождество! Значит, пора украшать дома! В этом году, как насчет того, чтобы поднять рождественские украшения на новый уровень с легким наэлектризованным DIY, буквально? Представляем вам самодельный мигающий светодиодный куб — ​​самый крутой способ осветить ваш дом, и это тоже с помощью простых действий и программирования. Немного клея здесь, несколько отверстий в картоне там, и вуаля! Ваш яркий мигающий светодиодный куб готов добавить красок в вашу жизнь.

Звучит захватывающе, правда? Тогда давайте приступим к делу прямо сейчас!

Необходимые компоненты

Руководство по сборке

Шаг 1. Изготовление основания

Мы собираемся изготовить светодиодный куб 4 x 4 x 4.

Начнем с изготовления основы светодиодного куба.

Эта база также будет служить платформой для послойного построения куба.

• Для изготовления основы мы использовали плотный картон.
• Возьмите квадратный кусок картона.
• Поскольку мы делаем куб 4 x 4 x 4, каждый слой будет состоять из 16 светодиодов.
• Итак, в куске картона делаем 16 отверстий размером со светодиод.
• Расстояние между двумя светодиодами равно длине ножки светодиода.
• Сделайте на картоне шаблон, как показано на рисунке ниже. Это направление или путь, по которому вы будете подключать светодиоды.
• Когда вы закончите с этим шагом, пора переходить к следующему шагу.

Шаг 2: Проверка светодиодов

Теперь пришло время подключить светодиоды.

Но прежде чем использовать светодиоды, убедитесь, что вы проверили каждый из них, так как если хотя бы один из них не работает, сложно отсоединить светодиод, когда он находится в кубе.

Вы можете проверить это с помощью ячейки для монет.

Поднесите более длинную ножку светодиода к положительной клемме, а более короткую — к отрицательной.
Таким образом, если светодиод горит, все готово. Если нет, НЕ используйте этот светодиод.

Шаг 3: Изготовление куба

После того, как вы проверили светодиоды, пришло время сделать куб.

Мы будем создавать куб по одному слою или ряду за раз.

• Слегка отогните анод или положительный вывод светодиодов.
• Вставьте светодиоды в картон.
• Оставьте Анод как есть.
• Теперь согните катод полностью горизонтально, чтобы он шел в том же направлении, что и на картоне.
• После того, как вы вставили светодиоды, пришло время их подключить.
• Мы собираемся их спаять.

Шаг 4: Подключение светодиодов

Убедитесь, что следующие шаги выполняются под присмотром взрослых.

Мы должны выполнить пайку, чтобы соединить эти светодиоды.

Припаяйте отогнутую ножку одного светодиода к минусовой клемме другого, следующего в соответствии с заданным направлением.

Таким образом, завершите ряд.

Убедитесь, что аноды светодиодов согнуты вниз.

Шаг 5. Сборка куба

Итак, вы успешно совершили скандал.

Пришло время собрать куб, но для этого нам нужно иметь при себе все 4 ряда.

Аналогично первому ряду заполните остальные ряды.

Когда все 4 ряда будут у вас в руках, пора их соединить.

• Разместите один ряд над другим, соедините анод верхнего светодиода с анодом светодиода под ним.
• Аналогично подключаем все светодиоды.
• Вы увидите, что аноды светодиодов L0 свободны для подключения.

Мы закончили изготовление куба, пришло время подключить его к evive.

• Таким образом, возьмите 20 соединительных кабелей «папа-папа».
• Возьмите 16 соединительных кабелей к анодам L0.
• Возьмите оставшиеся 4 кабеля и подключите каждый из них к катодному каналу каждого слоя.
• Наконец-то мы завершили изготовление куба.

Загрузите код и выполните подключение, выполнив шаги, указанные ниже.

Последний куб выглядит так, как показано здесь.

Шаг 6: Соединение с evive

На следующем рисунке для нашего удобства показаны помеченные каналы.

Выполнение соединений следующим образом:

Ряды:

• L0 = A0
• Л1 = А1
• Л2 = А2
• Л3 = А3

Столбцы:

• 0,0 = D13
• 0,1 = D12
• 0,2 = D11
• 0,3 = D10

• 1,0 = D9
• 1,1 = Д8
• 1,2 = Д7
• 1,3 = Д6

• 2,0 = D5
• 2,1 = Д4
• 2,2 = Д3
• 2,3 = Д2

• 3,0 = D1
• 3.