Световой куб матрицы на 4 светодиода

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 http://www.instructables.com/files/orig/FPZ/ECVV/HX6AQNT0/FPZECVVHX6AQNT0.pdf 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.

Схема подключения

Ряды/колонки

[(x,y)-Пин]

(1,1)-13

(1,2)-12

(1,3)-11

(1,4)-10

(2,1)-9

(2,2)-8

(2,3)-7

(2,4)-6

(3,1)-5

(3-2)-4

(3-3)-3

(3,4)-2

(4,1)-1

(4,2)-0

(4,3)-A5

(4,4)-A4

Слои

[Пины для слоев]

a-A0

b-A1

c-A2

d-A3

Подключаем источник питания для Arduino

Для питания платы можно использовать отдельный адаптер на 9 вольт, 1 ампер. Можно использовать переходник для батарейки типа крона и питать от нее. В любом случае, вам понадобится сделать еще одно отверстие для провода питания. Когда будете делать отверстие, предусмотрите его размер немного большим, чем сам коннектор.

В общем то все, что вам после этого останется - загрузить скетч на Arduino и наслаждаться результатом:

/*
  4x4x4 LED Cube
  Connection Setup: 
  Columns
  [(x,y)-Pin]
  (1,1)-13
  (1,2)-12
  (1,3)-11
  (1,4)-10
  (2,1)-9
  (2,2)-8
  (2,3)-7
  (2,4)-6
  (3,1)-5
  (3-2)-4
  (3-3)-3
  (3,4)-2
  (4,1)-1
  (4,2)-0
  (4,3)-A5
  (4,4)-A4
  Layers
  [layer-Pin]
  a-A0
  b-A1
  c-A2
  d-A3
*/
//initializing and declaring led rows
  int column[16]={13,12,11,10,9,8,7,6,5,4,3,2,1,0,A5,A4};
//initializing and declaring led layers
  int layer[4]={A3,A2,A1,A0};

  int time = 250;
 
void setup()
{
  //setting rows to ouput
  for(int i = 0; i<16; i++)
  {
    pinMode(column[i], OUTPUT);
  }
  //setting layers to output
  for(int i = 0; i<4; i++)
  {
    pinMode(layer[i], OUTPUT);
  }
  //seeding random for random pattern
  randomSeed(analogRead(10));
}
//xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxFUNCTION LOOPxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx
//xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx

void loop()
{
  turnEverythingOff();//turn all off
  flickerOn();
  turnEverythingOn();//turn all on
  delay(time);
  turnOnAndOffAllByLayerUpAndDownNotTimed();
  layerstompUpAndDown();
  turnOnAndOffAllByColumnSideways();
  delay(time);
  aroundEdgeDown();
  turnEverythingOff();
  randomflicker();
  randomRain();
  diagonalRectangle();
  goThroughAllLedsOneAtATime();
  propeller();
  spiralInAndOut();
  flickerOff();
  turnEverythingOff();
  delay(2000);
}


//xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxFUNCTIONSxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx
//xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx

///////////////////////////////////////////////////////////turn all off
void turnEverythingOff()
 {
   for(int i = 0; i<16; i++)
   {
     digitalWrite(column[i], 1);
   }
   for(int i = 0; i<4; i++)
   {
     digitalWrite(layer[i], 0);
   }
 }
 
////////////////////////////////////////////////////////////turn all on
void turnEverythingOn()
{
  for(int i = 0; i<16; i++)
  {
    digitalWrite(column[i], 0);
  }
  //turning on layers
  for(int i = 0; i<4; i++)
  {
    digitalWrite(layer[i], 1);
  }
}
///////////////////////////////////////////////////////turn columns off
void turnColumnsOff()
{
  for(int i = 0; i<16; i++)
  {
    digitalWrite(column[i], 1);
  }
}
/////////////////////////////////////////////////////////////flicker on
void flickerOn()
{
  int i = 150;
  while(i != 0)
  {
    turnEverythingOn();
    delay(i);
    turnEverythingOff();
    delay(i);
    i-= 5;
  }
}
//////////////turn everything on and off by layer up and down NOT TIMED
void turnOnAndOffAllByLayerUpAndDownNotTimed()
{
  int x = 75;
  for(int i = 5; i != 0; i--)
  {
    turnEverythingOn();
    for(int i = 4; i!=0; i--)
    {
      digitalWrite(layer[i-1], 0);
      delay(x);
    }
    for(int i = 0; i<4; i++)
    {
      digitalWrite(layer[i], 1);
      delay(x);
    }
      for(int i = 0; i<4; i++)
    {
      digitalWrite(layer[i], 0);
      delay(x);
    }
    for(int i = 4; i!=0; i--)
    {
      digitalWrite(layer[i-1], 1);
      delay(x);
    }
  }
}
//////////////////////////turn everything on and off by column sideways
void turnOnAndOffAllByColumnSideways()
{
  int x = 75;
  turnEverythingOff();
  //turn on layers
  for(int i = 0; i<4; i++)
  {
    digitalWrite(layer[i], 1);
  }
  for(int y = 0; y<3; y++)
  {
    //turn on 0-3
    for(int i = 0; i<4; i++)
    {
      digitalWrite(column[i], 0);
      delay(x);
    }
    //turn on 4-7
    for(int i = 4; i<8; i++)
    {
      digitalWrite(column[i], 0);
      delay(x);
    }
    //turn on 8-11
    for(int i = 8; i<12; i++)
    {
      digitalWrite(column[i], 0);
      delay(x);
    }
    //turn on 12-15
    for(int i = 12; i<16; i++)
    {
      digitalWrite(column[i], 0);
      delay(x);
    }
    //turn off 0-3
    for(int i = 0; i<4; i++)
    {
      digitalWrite(column[i], 1);
      delay(x);
    }
    //turn off 4-7
    for(int i = 4; i<8; i++)
    {
      digitalWrite(column[i], 1);
      delay(x);
    }
    //turn off 8-11
    for(int i = 8; i<12; i++)
    {
      digitalWrite(column[i], 1);
      delay(x);
    }
    //turn off 12-15
    for(int i = 12; i<16; i++)
    {
      digitalWrite(column[i], 1);
      delay(x);
    }
    //turn on 12-15
    for(int i = 12; i<16; i++)
    {
      digitalWrite(column[i], 0);
      delay(x);
    }
    //turn on 8-11
    for(int i = 8; i<12; i++)
    {
      digitalWrite(column[i], 0);
      delay(x);
    }
    //turn on 4-7
    for(int i = 4; i<8; i++)
    {
      digitalWrite(column[i], 0);
      delay(x);
    }
    //turn on 0-3
    for(int i = 0; i<4; i++)
    {
      digitalWrite(column[i], 0);
      delay(x);
    }
    //turn off 12-15
    for(int i = 12; i<16; i++)
    {
      digitalWrite(column[i], 1);
      delay(x);
    }
    //turn off 8-11
    for(int i = 8; i<12; i++)
    {
      digitalWrite(column[i], 1);
      delay(x);
    }
    //turn off 4-7
    for(int i = 4; i<8; i++)
    {
      digitalWrite(column[i], 1);
      delay(x);
    }
    //turn off 0-3
    for(int i = 0; i<4; i++)
    {
      digitalWrite(column[i], 1);
      delay(x);
    }
  }
}
/////////////////////////////////////////up and down single layer stomp
void layerstompUpAndDown()
{
  int x = 75;
  for(int i = 0; i<4; i++)
  {
    digitalWrite(layer[i], 0);
  }
  for(int y = 0; y<5; y++)
  {
    for(int count = 0; count<1; count++)
    { 
      for(int i = 0; i<4; i++)
      {
        digitalWrite(layer[i], 1);
        delay(x);
        digitalWrite(layer[i], 0);
      }
      for(int i = 4; i !=0; i--)
      {
        digitalWrite(layer[i-1], 1);
        delay(x);
        digitalWrite(layer[i-1], 0);
      }
    }
    for(int i = 0; i<4; i++)
    {
      digitalWrite(layer[i], 1);
      delay(x);
    }
    for(int i = 4; i!=0; i--)
    {
      digitalWrite(layer[i-1], 0);
      delay(x);
    }
  }
}
////////////////////////////////////////////////////////////flicker off
void flickerOff()
{
  turnEverythingOn();
  for(int i = 0; i!= 150; i+=5)
  {
    turnEverythingOff();
    delay(i+50);
    turnEverythingOn();
    delay(i);
  }
}
///////////////////////////////////////////around edge of the cube down
void aroundEdgeDown()
{
  for(int x = 200; x != 0; x -=50)
  {
    turnEverythingOff();
    for(int i = 4; i != 0; i--)
    {
      digitalWrite(layer[i-1], 1);
      digitalWrite(column[5], 0);
      digitalWrite(column[6], 0);
      digitalWrite(column[9], 0);
      digitalWrite(column[10], 0);
      
      digitalWrite(column[0], 0);
      delay(x);
      digitalWrite(column[0], 1);
      digitalWrite(column[4], 0);
      delay(x);
      digitalWrite(column[4], 1);
      digitalWrite(column[8], 0);
      delay(x);
      digitalWrite(column[8], 1);
      digitalWrite(column[12], 0);
      delay(x);
      digitalWrite(column[12], 1);
      digitalWrite(column[13], 0);
      delay(x);
      digitalWrite(column[13], 1);
      digitalWrite(column[15], 0);
      delay(x);
      digitalWrite(column[15], 1);
      digitalWrite(column[14], 0);
      delay(x);
      digitalWrite(column[14], 1);
      digitalWrite(column[11], 0);
      delay(x);
      digitalWrite(column[11], 1);
      digitalWrite(column[7], 0);
      delay(x);
      digitalWrite(column[7], 1);
      digitalWrite(column[3], 0);
      delay(x);
      digitalWrite(column[3], 1);
      digitalWrite(column[2], 0);
      delay(x);
      digitalWrite(column[2], 1);
      digitalWrite(column[1], 0);
      delay(x);
      digitalWrite(column[1], 1);
    }
  }
}
/////////////////////////////////////////////////////////random flicker
void randomflicker()
{
  turnEverythingOff();
  int x = 10;
  for(int i = 0; i !=750; i+=2)
  {
  int randomLayer = random(0,4);
  int randomColumn = random(0,16);
  
  digitalWrite(layer[randomLayer], 1);
  digitalWrite(column[randomColumn], 0);
  delay(x);
  digitalWrite(layer[randomLayer], 0);
  digitalWrite(column[randomColumn], 1);
  delay(x); 
  }
}
////////////////////////////////////////////////////////////random rain
void randomRain()
{
  turnEverythingOff();
  int x = 100;
  for(int i = 0; i!=60; i+=2)
  {
    int randomColumn = random(0,16);
    digitalWrite(column[randomColumn], 0);
    digitalWrite(layer[0], 1);
    delay(x+50);
    digitalWrite(layer[0], 0);
    digitalWrite(layer[1], 1);
    delay(x);
    digitalWrite(layer[1], 0);
    digitalWrite(layer[2], 1);
    delay(x);
    digitalWrite(layer[2], 0);
    digitalWrite(layer[3], 1);
    delay(x+50);
    digitalWrite(layer[3], 0);
    digitalWrite(column[randomColumn], 1);
  }
}
/////////////////////////////////////////////////////diagonal rectangle
void diagonalRectangle()
{
  int x = 350;
  turnEverythingOff();
  for(int count = 0; count<5; count++)
  {
    //top left
    for(int i = 0; i<8; i++)
    {
      digitalWrite(column[i], 0);
    }
    digitalWrite(layer[3], 1);
    digitalWrite(layer[2], 1);
    delay(x);
    turnEverythingOff();
    //middle middle
    for(int i = 4; i<12; i++)
    {
      digitalWrite(column[i], 0);
    }
    digitalWrite(layer[1], 1);
    digitalWrite(layer[2], 1);
    delay(x);
    turnEverythingOff();
    //bottom right
    for(int i = 8; i<16; i++)
    {
      digitalWrite(column[i], 0);
    }
    digitalWrite(layer[0], 1);
    digitalWrite(layer[1], 1);
    delay(x);
    turnEverythingOff();
    //bottom middle
    for(int i = 4; i<12; i++)
    {
      digitalWrite(column[i], 0);
    }
    digitalWrite(layer[0], 1);
    digitalWrite(layer[1], 1);
    delay(x);
    turnEverythingOff();
    //bottom left
    for(int i = 0; i<8; i++)
    {
      digitalWrite(column[i], 0);
    }
    digitalWrite(layer[0], 1);
    digitalWrite(layer[1], 1);
    delay(x);
    turnEverythingOff();
    //middle middle
    for(int i = 4; i<12; i++)
    {
      digitalWrite(column[i], 0);
    }
    digitalWrite(layer[1], 1);
    digitalWrite(layer[2], 1);
    delay(x);
    turnEverythingOff();
    //top right
    for(int i = 8; i<16; i++)
    {
      digitalWrite(column[i], 0);
    }
    digitalWrite(layer[2], 1);
    digitalWrite(layer[3], 1);
    delay(x);
    turnEverythingOff();
    //top middle
    for(int i = 4; i<12; i++)
    {
      digitalWrite(column[i], 0);
    }
    digitalWrite(layer[2], 1);
    digitalWrite(layer[3], 1);
    delay(x);
    turnEverythingOff();
  }
  //top left
  for(int i = 0; i<8; i++)
  {
    digitalWrite(column[i], 0);
  }
  digitalWrite(layer[3], 1);
  digitalWrite(layer[2], 1);
  delay(x);
  turnEverythingOff();
}
//////////////////////////////////////////////////////////////propeller
void propeller()
{
  turnEverythingOff();
  int x = 90;
  for(int y = 4; y>0; y--)
  {
    for(int i = 0; i<6; i++)
    {
      //turn on layer
      digitalWrite(layer[y-1], 1);
      //a1
      turnColumnsOff();
      digitalWrite(column[0], 0);
      digitalWrite(column[5], 0);
      digitalWrite(column[10], 0);
      digitalWrite(column[15], 0);
      delay(x);
      //b1
      turnColumnsOff();
      digitalWrite(column[4], 0);
      digitalWrite(column[5], 0);
      digitalWrite(column[10], 0);
      digitalWrite(column[11], 0);
      delay(x);
      //c1
      turnColumnsOff();
      digitalWrite(column[6], 0);
      digitalWrite(column[7], 0);
      digitalWrite(column[8], 0);
      digitalWrite(column[9], 0);
      delay(x);
      //d1
      turnColumnsOff();
      digitalWrite(column[3], 0);
      digitalWrite(column[6], 0);
      digitalWrite(column[9], 0);
      digitalWrite(column[12], 0);
      delay(x);
      //d2
      turnColumnsOff();
      digitalWrite(column[2], 0);
      digitalWrite(column[6], 0);
      digitalWrite(column[9], 0);
      digitalWrite(column[13], 0);
      delay(x);
      //d3
      turnColumnsOff();
      digitalWrite(column[1], 0);
      digitalWrite(column[5], 0);
      digitalWrite(column[10], 0);
      digitalWrite(column[14], 0);
      delay(x);
    }
  }
  //d4
  turnColumnsOff();
  digitalWrite(column[0], 0);
  digitalWrite(column[5], 0);
  digitalWrite(column[10], 0);
  digitalWrite(column[15], 0);
  delay(x);
}
//////////////////////////////////////////////////////spiral in and out
void spiralInAndOut()
{
  turnEverythingOn();
  int x = 60;
  for(int i = 0; i<6; i++)
  {
    //spiral in clockwise
    digitalWrite(column[0], 1);
    delay(x);
    digitalWrite(column[1], 1);
    delay(x);
    digitalWrite(column[2], 1);
    delay(x);
    digitalWrite(column[3], 1);
    delay(x);
    digitalWrite(column[7], 1);
    delay(x);
    digitalWrite(column[11], 1);
    delay(x);
    digitalWrite(column[15], 1);
    delay(x);
    digitalWrite(column[14], 1);
    delay(x);
    digitalWrite(column[13], 1);
    delay(x);
    digitalWrite(column[12], 1);
    delay(x);
    digitalWrite(column[8], 1);
    delay(x);
    digitalWrite(column[4], 1);
    delay(x);
    digitalWrite(column[5], 1);
    delay(x);
    digitalWrite(column[6], 1);
    delay(x);
    digitalWrite(column[10], 1);
    delay(x);
    digitalWrite(column[9], 1);
    delay(x);
    ///////////////////////////////////////spiral out counter clockwise
    digitalWrite(column[9], 0);
    delay(x);
    digitalWrite(column[10], 0);
    delay(x);
    digitalWrite(column[6], 0);
    delay(x);
    digitalWrite(column[5], 0);
    delay(x);
    digitalWrite(column[4], 0);
    delay(x);
    digitalWrite(column[8], 0);
    delay(x);
    digitalWrite(column[12], 0);
    delay(x);
    digitalWrite(column[13], 0);
    delay(x);
    digitalWrite(column[14], 0);
    delay(x);
    digitalWrite(column[15], 0);
    delay(x);
    digitalWrite(column[11], 0);
    delay(x);
    digitalWrite(column[7], 0);
    delay(x);
    digitalWrite(column[3], 0);
    delay(x);
    digitalWrite(column[2], 0);
    delay(x);
    digitalWrite(column[1], 0);
    delay(x);
    digitalWrite(column[0], 0);
    delay(x);
    ///////////////////////////////////////spiral in counter clock wise
    digitalWrite(column[0], 1);
    delay(x);
    digitalWrite(column[4], 1);
    delay(x);
    digitalWrite(column[8], 1);
    delay(x);
    digitalWrite(column[12], 1);
    delay(x);
    digitalWrite(column[13], 1);
    delay(x);
    digitalWrite(column[14], 1);
    delay(x);
    digitalWrite(column[15], 1);
    delay(x);
    digitalWrite(column[11], 1);
    delay(x);
    digitalWrite(column[7], 1);
    delay(x);
    digitalWrite(column[3], 1);
    delay(x);
    digitalWrite(column[2], 1);
    delay(x);
    digitalWrite(column[1], 1);
    delay(x);
    digitalWrite(column[5], 1);
    delay(x);
    digitalWrite(column[9], 1);
    delay(x);
    digitalWrite(column[10], 1);
    delay(x);
    digitalWrite(column[6], 1);
    delay(x);
    //////////////////////////////////////////////spiral out clock wise
    digitalWrite(column[6], 0);
    delay(x);
    digitalWrite(column[10], 0);
    delay(x);
    digitalWrite(column[9], 0);
    delay(x);
    digitalWrite(column[5], 0);
    delay(x);
    digitalWrite(column[1], 0);
    delay(x);
    digitalWrite(column[2], 0);
    delay(x);
    digitalWrite(column[3], 0);
    delay(x);
    digitalWrite(column[7], 0);
    delay(x);
    digitalWrite(column[11], 0);
    delay(x);
    digitalWrite(column[15], 0);
    delay(x);
    digitalWrite(column[14], 0);
    delay(x);
    digitalWrite(column[13], 0);
    delay(x);
    digitalWrite(column[12], 0);
    delay(x);
    digitalWrite(column[8], 0);
    delay(x);
    digitalWrite(column[4], 0);
    delay(x);
    digitalWrite(column[0], 0);
    delay(x);
  }
}
//////////////////////////////////////go through all leds one at a time
void goThroughAllLedsOneAtATime()
{
  int x = 15;
  turnEverythingOff();
  for(int y = 0; y<5; y++)
  {
    //0-3
    for(int count = 4; count != 0; count--)
    {
      digitalWrite(layer[count-1], 1);
      for(int i = 0; i<4; i++)
      {
        digitalWrite(column[i], 0);
        delay(x);
        digitalWrite(column[i], 1);
        delay(x);
      }
    digitalWrite(layer[count-1], 0);
    }
    //4-7
    for(int count = 0; count < 4; count++)
    {
      digitalWrite(layer[count], 1);
      for(int i = 4; i<8; i++)
      {
        digitalWrite(column[i], 0);
        delay(x);
        digitalWrite(column[i], 1);
        delay(x);
      }
    digitalWrite(layer[count], 0);
    }
    //8-11
    for(int count = 4; count != 0; count--)
    {
      digitalWrite(layer[count-1], 1);
      for(int i = 8; i<12; i++)
      {
        digitalWrite(column[i], 0);
        delay(x);
        digitalWrite(column[i], 1);
        delay(x);
      }
    digitalWrite(layer[count-1], 0);
    }
    //12-15
    for(int count = 0; count < 4; count++)
    {
      digitalWrite(layer[count], 1);
      for(int i = 12; i<16; i++)
      {
        digitalWrite(column[i], 0);
        delay(x);
        digitalWrite(column[i], 1);
        delay(x);
      }
    digitalWrite(layer[count], 0);
    }
  }
}

Видео собранного светодиодного куба 4x4x4