LED Cube

8^3=512 LEDs als Würfel

LED-Würfel sind mittlerweile sehr verbreitetete Projekte vieler Hobby-Bastler. Nicht ohne Grund, denn lassen sich mit etwas Fantasie wirklich beeindruckende Lichteffekte darstellen. Gibt man einmal “led cube” in der youtube-Suche ein findet man unzählige Beispiele in vielen verschiedenen Größen. Ich stelle euch hier meinen 8x8x8 Cube vor…

Erst einmal ein kleines Video ;)

Video

Hier wird ein Youtube-Video eingebunden!
Youtube ist ein Dienst des Anbieters Google LLC, 1600 Amphitheatre Parkway, Mountain View, CA 94043, USA.
Beim Laden des als iframe eingebetteten Videos kann Google Nutzerdaten erheben. Weitere Informationen.


Mit einem 8x8x8 Würfel lassen sich schon tolle Effekte darstellen. Gleichzeitig liegt ein Würfel dieser größe preislich noch im Rahmen und lässt sich vom Arbeitsaufwand innerhalb von 5-6 Tagen realisieren.

Würfel

Ich hab mich entschieden den Würfel auf einer 20cmx20cm großen einseitigen Platine aufzubauen. Dies bringt einige Vorteile: Zum einen hat man ein festes Raster auf dem der Würfel in die Höhe “wachsen” kann. Sämtliche Anschlüsse des LED-Gitters werden dabei direkt auf entsprechende Buchsen/Stecker gelegt, so dass die Verbindung zur Steuerplatine mit wenigen Handgriffen erfolgen kann. Das erspart einem sehr viel langwierige Verdrahtungsarbeit. Zum anderen fand ich es optisch einfach auch mal ganz schön…
Wer keine Möglichkeit hat eine so große Platine selbst herzustellen, kann alternativ auch 4 einzelne Platinen nebeneinander anordnen. Layouts für einzelne kleine, wie auch direkt für die zusammengesetzte große Platine sind bei den Downloads.
Auf der Platine könnt ihr ein 8x8 Raster von Pads erkennen. Hier werden die senkrechten Drähte angelötet, wo jeweils die Kathoden der LEDs einer Spalte angeschlossen werden. Die Anoden werden ebenenweise zusammengeschaltet. Hierfür sind in der Mitte 8 weitere Pads vorgesehen, von denen aus die Drähte an die jeweilige Ebene geführt werden.
Für jede Spalte ist ein NPN-Transistor vorhanden. Dessen Basis führt auf einen Wannenstecker in der Mitte jedes Quadranten. Außerdem ist hier auch der Vorwiderstand für die LEDs vorgesehen, den ihr entsprechend der verwendeten LEDs berechnen müsst. Mehr dazu weiter unten…
Die Steuerplatine kann also nun über ein Signal auf die jeweilige Basis des Transistors und dem gleichzeitigem Anlegen der Betriebsspannung auf eine Ebene, jede einzelne LED steuern.
Bleibt noch ein Problem: Man bräuchte 64+8Pins am Controller um den Würfel zu steuern. Da dies eindeutig zu viel ist, habe ich die Massefläche der Platine in der Mitte getrennt und schalte über zwei N-Ch-Mosfets jeweils entweder nur die linke, oder die rechte Hälfte an. Dadurch kann ich die Basen der Transistoren rechts und links zusammenschalten. Ihr könnt das weiter unten auf einem Foto sehen: Das Flachbandkabel, das von unten angeschlossen wird hat zwei Stecker, einen für die linke, einen für die rechte Hälfte. Auf diese Weise komme ich nun mit 32+8+2 Pins aus.
Damit kann man also die Platine nun mit einem Atmega64, oder wie in diesem Fall einem Atmega128, bequem steuern. Die 512 LEDs des Würfels werden also in 8 Phasen, mit jeweils 32 LEDs gleichzeitig, multiplex betrieben.
(Wer jetzt nicht mitgekommen ist, sollte sich in Ruhe erst einmal die Schaltpläne anschauen. Außerdem gibt es unten noch ein Foto, das die Verdrahtung der Steuerplatine mit dem Würfel zeigt…)

Hier seht ihr nun erstmal den Sockel für den Würfel. Ich habe dazu einfach vier schmale Bretter zurechtgesägt und zu einem Rahmen zusammengeschraubt. Die Grundplatine des Würfels wird dann einfach von oben darauf geschraubt.
Die Aluminiumprofile, die man innen sieht, dienen später der Befestigung der Steuerplatine.
Das ganze dann schwarz angestrichen und fertig…

Der Würfel beim wachsen :)

Zu beachten:

  • Die Grundplatine muss vor dem Aufbau des LED-Gitters schon fertig bestückt und vorallem getestet sein! Sollten hier Fehler vorhanden sein, kann man diese später eventuell nicht mehr mit dem Lötkolben ohne weiteres erreichen.
  • Nach dem Bestücken der Grundplatine des Würfels empfiehlt es sich, diese mit Lack einzusprühen. Das beugt einem Anlaufen des Kupfers vor und sieht auch noch schöner aus. Auch das muss passieren, bevor die LEDs montiert werden.
  • Um sich späteren Ärger zu ersparen, sollte man auch die LEDs während dem Aufbauen des Gitters testen. Sollte eine Fehlerhafte dabei sein, kann man sie zu diesem Zeitpunkt noch leicht austauschen.

Steuerung

Nun zur Steuerplatine: Die Elektronik wird über einen 7805 Spannungsregler versorgt. Die LEDs des Würfels hängen direkt an der Versorgungsspannung des Netzteiles. Entsprechend solltet ihr anhand der verwendeten LEDs die Höhe der Eingangsspannung und die benutzten Vorwiderstände für die LEDs (auf der großen Grundplatine des Würfels) individuell bestimmen. Sofern die LEDs dies vertragen, kann man diese auch kurzzeitig mit einem höherem Strom versorgen, da die Steuerung dies durchaus zulässt. (Hierbei ist zu beachten, dass beim Flashen des Mikrocontrollers LEDs aufblitzen und dabei eventuell länger leuchten als im Multiplexbetrieb.)
Der Schaltplan ist relativ übersichtlich. Ein FT232 dient als USB-Controller. Wenn man den Würfel nicht live über USB mit Daten “füttern” möchte, kann man auf die 4 Eeproms über I2C zugreifen. Wer möchte kann auch den Tsop bestücken, um den Würfel mit einer IR-Fernbedienung zu steuern.
Die Wannenstecker SV 1&2 werden direkt über Flachbandkabel mit der Grundplatine verbunden und steuern die Transistoren darauf.
Die P-Mosfets an PORTB schalten VDD jeweils auf die entsprechenden Ebenen.
Die beiden N-Mosfets an PORTD schalten die rechte bzw. linke Massefläche der Grundplatine.

Die fertige Steuerplatine: (Das Layout zum Download ist leicht verändert, da die erste Version kleinere Fehler enhielt)

Fertig bestückt:

Hier seht ihr nun die Verkabelung der Steuerung mit der großen Platine:
Die beiden von der Steuerplatine ausgehenden Flachbandkabel haben jeweils zwei Stecker, einen für die rechte, einen für die linke Seite der großen Platine.
Alles weitere wird über Schraubklemmen verdrahtet:
Die Versorgungsspannug führt auf die beiden einzelnen Klemmen der Steuerplatine oben links.
Direkt daneben werden die beiden Masseflächen der Grundplatine angeschlossen.
Die acht Anschlüsse auf der rechten Seite sind für die einzelnen Ebenen und führen ebenfalls zur Grundplatine des Würfels.

Fertig eingebaut sieht das ganze dann von unten so aus:

Software

Einmal fertig gebaut sind der Software und damit den Anwendungsmöglichkeiten wohl kaum noch Grenzen gesetzt. Bei den Downloads findet ihr für den Einstieg ein Beispiel C-Programm für den Cube. Dieses wartet auf eine Folge von 64 Byte über USB und zeigt diese anschließend auf dem Cube an. Passend dazu habe ich ein kleines Qt-Programm geschrieben, mit dem man am PC kleinere Sequenzen zusammenklicken kann, die dann auf dem Cube durchlaufen. Auch das könnt ihr euch zum Einstieg runterladen. (Es ist aber noch nicht ganz ausgereift.)
Beachtet, wenn ihr die Software benutzen möchtet, dass noch Anpassungen nötig sind, je nachdem in welcher Reihenfolge ihr die Verkabelung der beiden Platinen vorgenommen habt. Außerdem ist alles für Linux geschrieben. Win- oder Mac-User müssten sich das sowieso noch anpassen…

Downloads

PROJECTS
led cube

Neuer Kommentar