7×7×7 LED-Würfel bauen: Schritt-für-Schritt Arduino-Projekt

Komponenten und Materialien

Komponente	Anzahl
Arduino UNO	1
74HC574 (8-Bit-D-Flip-Flop)	7
74HC138 (3-zu-8-Dekoder/Demultiplexer)	1
Widerstand 220 Ω	49
16 MHz Quarz	1

Benötigte Werkzeuge und Maschinen

• Lötkolben (Standard)

Projektbeschreibung

Ich wollte schon immer einen eigenen LED-Würfel bauen und teile hier mein Projekt mit Ihnen.

Schritt 1: LED-Matrix erstellen

Zunächst werden sieben 7×7 LED-Matrizen gebaut. Dabei werden Anoden und Kathoden getrennt und in Reihen und Spalten verlötet, sodass jede Matrix am Ende 7 Anoden- und 7 Kathodenanschlüsse besitzt.

Schritt 2: Steuerungselektronik

Dies ist der anspruchsvollste Teil, wenn man sich mit Elektronik nicht gut auskennt. Ich versuche, ihn so klar wie möglich zu erklären.

• 7× 74HC574: Jeder Baustein ist ein 8-Bit-Speicher (D-Flip-Flop). Damit kann man Bits laden, um das Bild auf dem Würfel anzuzeigen. Da es sieben LED-Matrizen (Ebenen) gibt, werden sieben Stück benötigt.
• 7× NPN-Transistoren: Sie steuern, welche Ebene gerade aktiv ist.
• 1× 74LS138: Ein 3-zu-8-Dekoder/Demultiplexer. Damit lassen sich alle Flip-Flops mit nur 3 Bits ansteuern, da diese auch einen Taktsignal-Impuls zum Speichern der Daten benötigen.

Mithilfe der Multiplexing-Technik kann so ein Bild auf dem gesamten Würfel dargestellt werden.

Die Schaltung wurde selbst entworfen und verwendet einen ATmega328P im Standalone-Betrieb (ohne Arduino-Board).

Schritt 3: Mechanischer Aufbau

Für die Befestigung der Elektronik und des LED-Würfels wurde eine Holzkonstruktion verwendet. Jede LED-Matrix wird vor die andere gesetzt, und die Kathoden jeder Ebene werden mit demselben Transistor verbunden.

Schritt 4: Programmierung

Nun kann der Code geschrieben werden. Das obige Blockdiagramm hilft dabei. Dieser Teil kann anfangs verwirrend sein, wird aber mit Übung leichter.

Der folgende Code zeigt die einfachsten Animationen, da die komplexeren zu lang wären. Mit etwas Fantasie können Sie jedoch beliebige Effekte programmieren.

Code

Animation (Arduino)

// Einfachste Animation für LED-Würfel
int temp = 50, cont = 0;

// Lädt alle Ebenen des Würfels
void load_all(void) {
  // Ebene 1
  digitalWrite(A2, LOW); digitalWrite(A1, LOW); digitalWrite(A0, LOW); delay(1);
  // Ebene 2
  digitalWrite(A2, HIGH); digitalWrite(A1, LOW); digitalWrite(A0, LOW); delay(1);
  // Ebene 3
  digitalWrite(A2, LOW); digitalWrite(A1, HIGH); digitalWrite(A0, LOW); delay(1);
  // Ebene 4
  digitalWrite(A2, HIGH); digitalWrite(A1, HIGH); digitalWrite(A0, LOW); delay(1);
  // Ebene 5
  digitalWrite(A2, LOW); digitalWrite(A1, LOW); digitalWrite(A0, HIGH); delay(1);
  // Ebene 6
  digitalWrite(A2, HIGH); digitalWrite(A1, LOW); digitalWrite(A0, HIGH); delay(1);
  // Ebene 7
  digitalWrite(A2, LOW); digitalWrite(A1, HIGH); digitalWrite(A0, HIGH); delay(1);
  // Ebene 8 (nicht genutzt bei 7×7×7)
  digitalWrite(A2, HIGH); digitalWrite(A1, HIGH); digitalWrite(A0, HIGH); delay(1);
}

// Aktiviert jede Ebene für die Zeit t
void scrolling(int t) {
  PORTB = 0x00;
  digitalWrite(7, HIGH); delay(t); digitalWrite(7, LOW);
  digitalWrite(8, HIGH); delay(t); digitalWrite(8, LOW);
  digitalWrite(9, HIGH); delay(t); digitalWrite(9, LOW);
  digitalWrite(10, HIGH); delay(t); digitalWrite(10, LOW);
  digitalWrite(11, HIGH); delay(t); digitalWrite(11, LOW);
  digitalWrite(12, HIGH); delay(t); digitalWrite(12, LOW);
  digitalWrite(13, HIGH); delay(t); digitalWrite(13, LOW);
}

// Animation: Ebenen nacheinander, Geschwindigkeit steigt
void one(void) {
  PORTD = 0xff;
  load_all();
  while (1) {
    scrolling(temp);
    temp = temp - 2;
    if (temp <= 0) {
      temp = 1;
      cont++;
      if (cont == 1000) { cont = 0; temp = 100; }
    }
  }
}

void setup() {
  DDRD = 0xff; // Port D als Ausgang
  DDRB = 0xff; // Port B als Ausgang
  DDRC = 0xff; // Port C als Ausgang
}

void loop() {
  one();
}

Individuelle Teile und Gehäuse

gestione_mankWMoVhz.sch (Eagle-Schaltplan)

Schaltpläne

Bild zur Bauteile-Anordnung: