由Arduino Mega供电的8x8x8LED立方体

描述

这是一系列项目中的第三个也是最后一个项目，旨在了解我们仅使用 Arduino Mega 可以创建多少 LED 立方体技术，即仅使用 Mega 本身而不需要充满移位寄存器和 LED 驱动器的 PC 板可以完成什么。为什么我要避免使用移位寄存器？因为它们对手线来说绝对是可怕的。（我试过了。）如果你想使用它们，你真的需要设计和制造一块 PC 板。

我们通常会通过将 64 个阳极放到主板上来构建一个 8x8x8 的立方体，它们将由一堆移位寄存器配置。然后我们将激活立方体中的八个层之一，并打开该层中相应的 LED 大约 1 毫秒。然后我们将重新加载我们的移位寄存器并激活下一层，等等。所以要以正常方式做一个 8x8x8 立方体，阳极的最小数字引脚要求是 64 个，阴极/层驱动器需要另外 8 个。那是 72 个数字引脚，如果不采取一些技巧，Mega 是不可能的。

我使用 Mega 的所有三个立方体项目都是在没有移位寄存器的情况下完成的。我们严格依赖 Mega 上可用的大量引脚。这个 8x8x8 的技巧是用一对平行但极性相反的 LED 构建我们的立方体的有点异想天开的方法。在一个方向上施加电压时，两个 LED 中的一个正向偏置并点亮。在另一个方向施加电压时，另一个 LED 正向偏置并点亮。我们的刷新程序轮流点亮一个，然后另一个。如果它们都被编程，它发生得足够快，我们可以同时看到它们。

使用这种方法，我们只需将 32 列 LED 连接到主板，因此无需任何移位寄存器即可直接从 Mega 数字引脚控制和为 8x8x8 立方体供电。

我们一次只点亮一层，即便如此，该层中也只有一半的 LED。但是同时打开 32 个 LED，我们需要一个晶体管来处理电流。因此，当我们想要点亮其阴极向下连接到主板的 LED 时，我们需要 8 个 PNP 晶体管来将我们的层拉高。当我们想要点亮阳极连接到主板的 LED 时，我们还需要 8 个 NPN 晶体管来将层拉低。如上所示，我最初的概念实际上会使用 16 个晶体管。但它也需要上拉和下拉电阻器和基极限流电阻器，所以我选择使用内置所有这些的八进制 NPN IC 和一个八进制 PNP 高端驱动器，同样所有电阻都已内置。我还决定，为了避免时间问题并避免需要逆变器，只需从 Mega 上的单独数字引脚驱动两个八进制驱动器。它将总数字引脚数增加到 48 个，但使主板上的组件数保持在非常低的水平。（2个DIP IC和32个电阻）

我们可能同时打开 32 个 LED。为了将电流保持在 Mega 的最大电流限制以下，我们通过 220 ohm 电阻将返回电路运行到电路板，这将 LED 电流限制为 6 max x 32 = 192 ma.，略低于 Mega 的最大 200 ma。（如果您想知道，LED 的正向压降约为 3 伏，而我们的驱动晶体管的正向压降为 0.7 伏，因此从我们的 5 伏电源，我们得到 1.3 伏/220 欧姆 = 6 毫安/LED。）

刷新需要 16 个步骤 - 8 层用于阴极连接到主板的 8 层，8 层用于阳极连接到主板的位置。我们为这些步骤中的每一步打开 LED 500 微秒，因此我们的刷新周期大约需要 8 毫秒，加上加载数据的一点时间 - 为这 16 个步骤中的每一步配置 32 个引脚。但是，我们使用的是超高效的数据加载，首先是因为我们使用的是直接端口访问而不是 digitalWrite，而且因为我们已经设置了内存阵列和端口分配的组合，因此我们只需简单地完成这 16 个传输中的每一个将内存中的四个字节直接存储到数字输出端口中。事实证明，这种方法非常有效，以至于我无法测量它所花费的时间。所以我们的刷新只需要一点点多于 8 毫秒。我们将刷新率设置为 80 Hz，因此每 12 次刷新一次。5 毫秒。这意味着我们的 Mega 将 2/3 的时间用于刷新立方体，而将 1/3 的时间用于运行主循环。

关于我们的层驱动器和刷新例程需要注意的另一件事是，我们的高端驱动器和低端驱动器的输出都直接连接到层并相互连接。我们需要确保它们永远不会同时打开，因为这基本上会使我们的 Mega 的 5 伏电源短路。因此，刷新例程不仅不会同时打开它们，还会在层之间增加 3 微秒的“稳定时间”，以确保我们不会在立方体中出现任何不需要的瞬态电流。

所以上面我们已经描述了这个概念。它在现实中是如何工作的？好吧，我构建了立方体，它按描述工作。我认为构造实际上比传统的 8x8x8 立方体要容易一些。（尽管 512 个 LED 的引线成型和焊接从来都不是一件容易的事。）

在此过程中，我学到了一些东西。如果您决定构建这个立方体，您可能会考虑做一些与我不同的事情。这个立方体中的 LED 相距 0.6 英寸。这个 0.6 英寸的间距是我用于所有三个立方体的。我对这两个 5x5x5 立方体都非常满意，但发现完全看透这个 8x8x8 有点困难。您可能会考虑使用 3 毫米 LED 而不是我使用的 5 毫米 LED。或者使用带有 2 英寸引线的 5mm LED 并将间距增加到 0.8 英寸甚至 1 英寸。您可能还想修改我将 LED 焊接在一起的方式，这样您就不必直接焊接到 LED 封装的底部。我发现几个被热损坏的 LED 必须更换。最后，在施工期间测试一切。确保在最终构建立方体之前找到并更换任何有缺陷的 LED。那是因为在这个设计中坏的 LED 不仅仅是一个坏的 LED。事实证明，应该通过该 LED 的电流通过反向偏置对的迷宫找到了替代路径。打开的 LED 被一堆“半开”的 LED 取代，这些 LED 本来应该是关闭的。当所有 LED 都正常工作时，它工作得很好，但即使是一个有缺陷的 LED 也会让人知道它的存在。

建造

我通过构建 8 个垂直面板每个 8x8 LED 来构建这个立方体。要构建面板，第一步是引导形成并组装 32 对相对的 LED。

 

阳极（最长的引线）是竖直向上的。另一个 LED 的阴极（较短的引线）焊接到垂直阳极上。然后将第一个 LED 的阴极焊接到第二个 LED 的阳极。通过在一块正好相距 0.6 英寸的木头上钻 2 个孔，可以方便地构建这些对。这些孔需要非常贴合地安装 LED，以便它们保持在原位。

当你有 32 对时，你就可以构建一个面板了。该过程从 8 对构建四个垂直列开始。

我使用 BlueTack 将 LED 固定到位，直到可以焊接为止。我首先在 BlueTack 中每 0.6 英寸制作一次清晰的材料。这不是一个完美的过程 - 完成一列后，您需要清理它，这意味着使其尽可能垂直对齐，并确保从侧面出来的所有引线都旋转对齐；此外，引线是水平的，相距 0.6 英寸。

接下来，当您完成 4 列时，需要对它们进行测试。这是重要的一步。在这个阶段解决问题非常容易。如果您稍后在施工中发现问题，则修复变得越来越困难。

我没有为测试做任何花哨的事情。背景中的 Uno 是 5 伏的电源，仅此而已。位于原型板上的 330 欧姆电阻器限制电流。我检查了每个 LED 以确保它亮起，首先用一个极性的电压来测试一半的 LED，然后用相反的极性来测试另一半 LED。如果一对中的两个 LED 都亮起，则其中一个是极性错误。如果两者都不亮，则可能有一个短路。

一旦我们有了 4 个好的柱子，就可以将它们焊接到一个面板中了。为此，我使用同一条 BlueTack 将两根柱子固定在一起，相距 0.6 英寸，将 8 根水平引线对齐并将它们焊接在一起。水平引线最初不会完全对齐。让一对夫妇排成一列并焊接它们，然后再排成两个并焊接它们，等等。最终你将把所有八个焊接在一起。确保面板是平的。确保它是方形的。确保它是直的。然后做同样的事情并添加另一列。当您以这种方式将 4 根柱子焊接在一起时，您就有了一个成品面板。

恭喜。现在再建七个！此时，您已准备好开始最终组装。我在主板上构建了我的立方体，但首先需要通过安装其他组件来准备主板。

上面您可以看到主板上安装的两个 IC 驱动器和 32 个电阻器。电阻器安装在两个方向上相距 0.6 英寸。由于两个原因，在这张照片中看起来并不完全如此。首先，我让所有电阻器从它们各自的列返回到立方体的中心。我这样做是为了防止 IC 附近的区域变得拥挤，但这可能没有必要。我先安装了 IC，事后看来，它们离立方体太近了。他们没有理由不能低一英寸。您可以清楚地看到，必须将一个电阻器安装在不合适的位置，因为它本来应该在 IC 的顶部。

此图顶部的电阻器已焊接到位并经过修整，但尚未连接任何东西。两个IC显示在图片中间。高边驱动器在顶部，我用黑色记号笔将其标记为 A 表示阳极，将引脚 1 标记为 1。下面是低边 NPN 驱动器，标有 C 表示阴极。它的引脚 1 也标有 1。这两个 IC 以这种方式安装，以便它们的输出彼此面对。这是因为两者的输出都与层相关。我已经将它们彼此连接起来并稍微展开，以便从立方体返回的层可以下来并从另一侧连接到它们。连接采用镀锡铜线。

此时，我们已准备好将 50 根跳线连接到电路板的背面。有 32 个连接到电阻器，8 个连接到高侧驱动器的输入端，8 个连接到低侧驱动器的输入端，1 根地线和 1 根 +5 伏线连接到高侧的引脚 9驱动器，其源电压引脚。这些电线都是 30 厘米。长，并直接焊接到电路板背面的适当位置。另一端绕过电路板的一侧，并通过公跳线针连接到 Mega 上的针脚。此时您也可以使用某种形式的支架安装 Mega。实际上，我自己使用了几块小塑料方块和一点热胶来安装 Mega。

我们准备安装面板。安装面板包括将四根垂直柱引线推入电路板，平整层，然后将四根引线焊接到背面对应的电阻器上。

每个面板在安装后和安装下一个面板之前都需要进行测试。这样，如果有任何问题（冷焊点、死 LED 等），它可以在它卷到立方体中间之前修复。然而，在我们测试第一个面板之前，我们需要将层连接到电路板。这是通过将一根直的镀锡铜线连接到该层，然后降低到 8 个 IC 输出中的一个来实现的。并且不要忘记与 Mega 的接地和 +5 连接。+5 连接到高端驱动器的引脚 9。

第 7 层（顶层）连接到低侧驱动器的引脚 18（第一通道）和高侧驱动器的引脚 11（第八通道）。第 0 层（最低层）到低侧驱动器的引脚 11 和高侧驱动器的引脚 18。

在这一点上，我们还需要将所有电线连接到 Mega。下表显示了 Mega 上的哪个引脚连接到每个电阻器。这些是红色和绿色的连接。与高端和低端驱动器的连接以蓝色显示。它们每个都直接从对应的输出连接到 IC。例如，输出到第 7 层的低端驱动器是 IC 上的引脚 18。引脚 18 的正对面是 IC 上的引脚 1，因此来自低端驱动器引脚 1 的导线连接到 Mega 上的引脚 9，如下图所示。

至此，我们现在可以测试面板了。测试面板的程序包含在软件中。您需要在草图顶部告诉它您正在测试哪个面板。图片中正在测试的是面板 0。

一旦您测试了已安装的面板，您就可以安装下一个。您尚未安装将面板连接到每个附加层的水平导轨，因此您需要在您正在测试的面板和每层的面板 0 之间放置一个临时跳线。（我只使用了一根跳线并分别测试了每一层，将一根跳线从一层移到另一层。）

安装并测试所有面板后，您就可以连接各层了。这是通过在每一层的面板之间铺设一条直的镀锡铜线来实现的。

从顶部开始连接层。并确保在连接顶层时测量 0.6 英寸的间距。一旦你连接了层，你的立方体就完成了，你应该可以运行主节目了。

软件

我们已经谈到了一些关于软件的内容。定时刷新中断程序是任何立方体软件的核心。我设计这个非常简单和高效。这需要使用两个不同的内存阵列来存储立方体中每个 LED 的状态。因此，一个存储阳极下降到板上的 LED 的状态，另一个存储阴极下降到主板的 LED 的状态。这两个数组通过它们在数组中的位置存储 x 和 z 值，并将 y 值存储为该位置的位。位设置为 1 表示 LED 开启，位设置为 0 表示 LED 关闭。同样，所有这些都非常有效，但是尝试弄清楚如何将立方体中的特定 LED 设置为打开或关闭可能会非常令人困惑。所以我们基本支持软件的另一个关键是 ledOn(x, y, z) 和一个 led0ff(x, y, z)。这些子程序完成了所有艰苦的工作，以确定需要更改这两个阵列中的哪个位以打开或关闭特定的 LED。

因此，通过打开或关闭任何特定 LED 的子程序，以及不断点亮和更新立方体以匹配我们阵列的内容的刷新程序，创建各种动画和特殊效果相当容易。我们的主要草图，称为展示，是为展示立方体的性能而创建的几分钟的动画。

在软件下还有另一个主题要讨论。节目中的大多数动画都是直接打开然后关闭 LED 的模式。有些人使用一点数学来控制这些模式。但在另一种类型的节目中有一些动画。这些基于称为精灵的对象类。sprite 类在多维数据集中定义了一个对象。sprite 中的对象可以移动、反弹、旋转等。它允许相当容易地创建一些动画，如果没有基于对象的代码将很难创建这些动画。