Schülerprojekt: LED-Cube

Hallo zusammen,

die Sommerferien in Deutschland nähern sich dem Ende und einige Nachwuchsbastler haben diese freie Zeit genutzt um eigene Projekte auf die Beine zu stellen. 

Heute möchten wir Niklas Heinzel die Gelegenheit geben, sein Projekt in unserem Blog vorzustellen. Niklas hat sich den klassischen LED-Cube vorgenommen und diesen komplett, von Grund auf selbst gestaltet und programmiert:

Heute möchte ich Ihnen ein neues spannendes Projekt vorstellen was ich bei mir zu Hause gebaut habe, einen LED Cube in den Maßen 4x4x4.

Hierzu verwende ich:

  • 1 x Nano V3
  • 4 x NPN 2n2222 Transistoren
  • 4 x 1k Ω Widerstände
  • 16 x 220 Ω Widerstände
  • 64 x blaue diffuse LED's (5mm)
  • Micro USB-Port
  • Gelbe LED (SMD)

Zum Aufbau des LED Cubes:

Bei allen 64 LED´s wird die Anode (immer an der gleichen Stelle) um 90° umgebogen. Diese werden dann nach unten abgeführt zum Pluspol.
Wie im Bild weiter oben zu sehen ist, besteht der Würfel aus einer X-Y-Achse und 4 übereinander gestapelten Schichten. Die untere Schicht hat die Nummer 0 und die obere die Nummer 3. In ähnlicher Weise sind die LEDs wie eine dreidimensionale Matrix nummeriert. Die untere linke LED befindet sich auf Schicht 0 (1,1). Die darüberliegende LED befindet sich ebenfalls auf Schicht 1 (1,1). Die rechte LED auf Schicht 0 (2,1) und so weiter. Alle horizontalen Schichten sind die negativen Pins der miteinander verlöteten LEDs.
Alle positiven Pins der LEDs werden als Spalten dieses Matrixwürfels behandelt. Also haben wir 4 Schichten und 16 Spalten, die es 20 Drähte mit dem Arduino verbunden machen. Die positiven Stifte (Schichten) haben 220 Ohm Widerstände.

 

Der Zusammenbau des Cubes:

Zunächst benötigen wir eine mäßig dicke Pappe oder Holz. Nun bohren wir Löcher hinein, sodass ein 4 × 4-Würfelmuster mit gleichen Abständen zwischen allen Löchern entsteht.
5mm große Löcher (jedes Loch ist 2,4 cm von dem nächsten entfernt (Mitte-Mitte)) wurden als Schablone für die LEDs gebohrt.
Jetzt müssen Sie Ihre LEDs testen und vorbereiten. Zu diesem Zweck können Sie eine 3V-Knopfzelle verwenden. Testen Sie alle LEDs, damit Sie später keine Probleme haben!
Wenn Sie möchten, dass das Licht von allen Seiten der LED austritt, können Sie das Licht durch Reiben der Kunststoffschale mit Sandpapier streuen.
Legen Sie die LEDs in den Karton, achten Sie jedoch auf deren Ausrichtung. Die positiven Stifte der LEDs müssen gebogen werden und die negativen wie eine Schicht verbunden werden. Das liegt daran, dass wir vier solcher Schichten herstellen werden und es einfach ist, sie miteinander zu verlöten.

Diese Schichten wiederholen wir 4x und schlichten sie übereinander wobei wir alle + Pins verbinden und übereinander setzen.

 

Die Platine, Pinout und Verbindungen:

in meinem Fall habe ich das folgende Pinout gewählt um den Cube anzusteuern wie in einer Matrix:

Diese Verbindungen solltet ihr herstellen und achtet auch auf die richtige Wahl der Pins, denn sonst wird die Animation später nicht korrekt ablaufen.

Die Platine habe ich wie folgt gestaltet und soll euch eigentlich nur eine Idee geben wie das Layout aussehen könnte:

Download-Link Platine

 

Fehlt nur noch der Code:

 

//LED-Cube 1.0
//Niklas Heinzel
//2019


  int layer[4]={A3,A2,A1,A0}; //initializing and declaring led layers
  int column[16]={13,12,11,10,9,8,7,6,5,4,3,2,1,0,A5,A4}; //initializing and declaring led rows
  int time = 250;



void setup()
{

  for(int i = 0; i<16; i++)
  {
    pinMode(column[i], OUTPUT);  //setting rows to ouput
  }

  for(int i = 0; i<4; i++)
  {
    pinMode(layer[i], OUTPUT);  //setting layers to output
  }

  randomSeed(analogRead(10));  //seeding random for random pattern
}

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


//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);
    }
  }
}

 

Wurde der Code geuploadet kann man die Animationen bewundern und ergänzen.

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Kommentar

Niklas Heinzel - September 18, 2019

Die Platine kann bei mir erworben werden. Bei Interesse bitte an niklas-heinzel@gmx.de.

Niklas Heinzel - September 18, 2019

Die Platine kann erworben werden. Bei Interesse bitte an niklas-heinzel@gmx.de.

AxelF - September 10, 2019

Kann man die Platine, wie abgebildet, käuflich erwerben?
Ich kann sie nämlich nicht herunterladen.

Andreas K. - August 26, 2019

Hm… wie ist das mit der maximalen Strombelastung?
Ab 40mA pro Ausgangs-Pin bzw. 200mA in Summe auf allen Ausgangs-Pins (geht durch Masse bzw VCC) wird es beim 328 irgendwann kritisch.
Wenn alle LEDs leuchten, kommen mit den 220 Ohm Widerständens schon mal 300mA oder mehr zusammen, die dann insgesamt durch die Massepins fließen.
Wie lange macht der MC das mit?

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