Светящийся LED cube – как сделать светодиодный куб RGB 4x4x4

Я уверен, что этот светящийся куб самый маленький в мире. Есть кубики поменьше, но они либо одноцветные, либо в них меньше светодиодов (3х3х3).

Мой LED cube меньше 2 см, в нём используется 64 светодиода 3.2𬄾2.7 мм типа SMD RGB LED (Surface Mounted Device, Red+Green+Blue, Light Emitting Diode). Прочитав инструкцию, вы узнаете, как собрать такой куб.

Шаг 1: Материалы для куба

64 x светодиода RGB SMD

Вот светодиоды, которые я использовал в проекте, но вы можете поискать и другие варианты с квадратным профилем. Такой профиль упрощает пайку, позже вы узнаете почему.

Ардуино

Я использовал клон Ардуино Нано. Большинство Ардуино с 16 или более входами\выходами должны подойти. Если вам непривычно модифицировать PORT-команды, то лучше используйте настоящий Ардуино, основанный на ATMega (не используйте ESP8266, Arduino M0, Arduino Due, и т.д.)

Кастомная печатная плата

Ввиду чрезвычайно малых размеров, с которыми приходится работать, ручная пайка точечных соединений очень сложна, поэтому я спроектировал печатную плату. Найти её вы можете здесь.

Шаг 2: Спаиваем светодиоды столбиками

Светодиодный куб состоит из 16 столбиков.

Каждый столбик состоит из 4 повёрнутых светодиодов, они расположены таким образом, что запитав любые две из 4 дорожек, вы зажжете всего 1 цвет на одном светодиоде. Ардуино переключается между светодиодами так быстро, что ваши глаза не успевают за этим уследить, и вы думаете, что множество светодиодов горит одновременно.

После многочисленных идей об оптимальном размещении светодиодов я пришел к выводу, что самым удобным для меня способом будет создание трёх картонных уровней. Вот где будет удобно использовать симметричные квадратные светодиоды. Чтобы сохранить симметрию, притом, что я поворачиваю светодиод на каждом уровне, мне пришлось создать картонный шаблон с разными углублениями!

1. Первые два уровня одинаковы
2. В третьем уровне есть отверстия, создающие разную глубину

Посмотрите фото и видео для большего понимания.

Как и любой проект по изготовлению светодиодного куба, он трудозатратен, так что я соблюдал все меры предосторожности, чтобы не допустить ошибку и прийти к успеху. Я проверял все светодиоды на каждом шаге, чтобы засечь любую ошибку на ранней стадии.

Шаг 3: Проектирование печатной платы

Первое фото – это нижняя часть проводки на моём кубе обычного размера – там много перемычек, которые не могут закоротить друг друга. Конструкция сложная, но выполнимая при таких размерах.

И я наивно полагал, что и с маленьким кубом смогу сделать также. Тем не менее, несмотря на маленький размер куба, проложить провода для всех 64 диодов понизу печатной платы (и при этом не закоротить их) – вполне реально. Я выучил Eagle CAD (в основном по урокам на Ютуб) и спроектировал свою первую кастомную печатную плату. Это не идеал проектирования, но плата работает.

Шаг 4: Паяем

Расстояние между столбиками составляет около 1 миллиметра! Чтобы столбики не закоротили друг друга, я покрасил соединения лаком для ногтей, так что столбики не замкнут друг друга, даже если будут соприкасаться.

Я решил припаять столбики поверх платы, а не снизу, так как беспокоился, что у меня не получится сохранить их прямоту и ровность по отношению друг к другу. Побочным эффектом такого решения стало то, что мне периодически приходилось лезть носиком паяльника между проводами. Но, несмотря на эту трудность, я считаю, что сделал правильное решение. Сначала я припаял внутренние столбики, а затем начал по кругу проходиться до внешних столбиков.

Шаг 5: Небольшой твик в коде

В моём оригинальном кубе светодиоды были катодными, а здесь оказались анодными! Поэтому пришлось изолировать код, контролирующий светодиоды. Для работоспособности теперь нужно лишь инвертировать биты в файле cubeplex.h.

// Версия кода для катодных диодов (-)
PORTB = pinsB[pin1];
PORTC = pinsC[pin1];
PORTD = pinsD[pin1];

// Модификация для анодных диодов (+)
PORTB = ~pinsB[pin1];
PORTC = ~pinsC[pin1];
PORTD = ~pinsD[pin1];

Оригинальный код вы можете найти здесь, а модификацию найдёте тут.

Я искренне надеюсь, что вы соберёте такой же куб или даже еще меньший. Тем не менее, помните, что при постройке любого светодиодного куба есть множество мест, в которых можно допустить ошибку, которую нельзя будет исправить. Так что запаситесь временем и делайте проверки на каждом шаге.