芭蕉葉上聽雨聲: [玩轉光立方] LED Cube 4x4x4 for Arduino UNO -- 組裝教學

2016年12月31日星期六

[玩轉光立方] LED Cube 4x4x4 for Arduino UNO -- 組裝教學

自從當了 Maker 之後，一直都覺得 LED Cube 光立方是一個非常酷炫的裝置，當它發光時視覺上不僅炫耀奪目，而且其中還隱藏了不少的數學原理，非常建議老師、家長和同學一起來玩玩。

我們先來看看影片 https://www.youtube.com/watch?v=XIb07gRdHn8

準備

材料
1. 電路板 *1
2. 公排針 *40P
3. 圓孔母排針 *20
4. 3mm 長腳藍色霧面 LED *64

工具
1. 烙鐵 + 焊錫
2. 斜口鉗
3. 尖嘴鉗
4. 鑷子
5. 厚紙板
6. 電鑽 + 3mm 鑽頭
7. 原子筆或細簽字筆
8. M3*14mm 螺絲+螺帽 *4
9. 電阻 100~220R *1
10. 麵包板

開始動手做

一、檢查所有的 LED 是否有正常發亮

您購買的 LED 即使廠商如何口沫橫飛地述說它們品質是如何地好，建議您也必須要自己詳細查驗，否則您可能有機會遇到懊惱的時候。

1. 計算限流電阻。

藍色 LED 順向電壓約 3.0~3.4V (注意：顏色不同，可承受的電壓也不同)，我們取 3.2V 來計算：

(5 - 3.2) / 15mA = 120R

可採用 100R 或 110R 電阻。

2. 將電阻與 5V 電源插入麵包板，逐一插入 LED，檢查 LED 是否正常發光。
將 LED 插入麵包板時要注意 LED 的正負極。

二、彎折 LED

1. 取出尖嘴鉗輔助彎折 LED，我們需要彎折出 3 種型式的 LED，圖面右側是未彎折前。
在彎折時須注意 LED 的正負腳，正腳在彎 2 折後仍保持與燈珠同方向，並且每一彎折應盡量保持90度角，如下：

Type A * 48只

Type B * 12只

Type C * 4只

小聲地說...這個工作我是一邊看電視一邊彎折的，不然要彎折 64 只 LED 還真是挺無聊的事情。

三、製作固定 LED 的模板

這個模板可以用來插入 LED，如此可以讓 LED 排列整齊，在焊接時不會移位。

1. 準備一張厚約 1~3mm 的硬紙板。我隨手找了個 68x68mm 的蛋糕盒。

2. 在上面畫上間距 14mm 的九宮格。14mm * 3 = 42mm，九宮格邊長是 42mm。
我先畫上交叉線找出盒子中心點，再由中心點往外畫出九宮格。

3. 用電鑽在交點處鑽出 16 個 3mm 圓孔。

四、將圓孔母排針焊到電路板上

1. 將 20 支圓孔母排針插到電路板上。板子有兩面，要注意方向。

2. 為了焊接前翻轉電路板，避免排針掉落，我將 Arduino UNO 板子疊上去，用 M3*14mm 螺絲+螺帽 *4 將他們鎖在一起。
在將螺絲鎖緊前可用手指頭輕敲電路板讓排針垂直站立，邊敲邊觀察哪支排針沒有垂直，此時可用鑷子調整排針。

這是翻轉後的樣子

3. 由於有少數幾支排針與螺帽非常接近，因此我先焊接中央部分的排針，待焊到螺帽旁的排針時再移除螺帽焊接排針。
您的焊接接技術一定比我好，就不必移除螺帽可直接焊接。

五、焊接公排針

1. 用斜口鉗將公排針剪出

6P * 2只
8P * 2只

2. 將上述排針(長)插入 Arduino UNO。注意圖片中排針的位置。

3. 對準公排針孔位，放上 LED Cube 電路板，須注意電路板正反面。
底下圖片是焊接好的樣子。

六、焊接 LED

先來看看我們要做出怎樣的東西

我把紙模寫上座標以利辨識

1. 將 Type A 插到座標(0,0)~(3,2)之間區塊，共 12 只。
注意 LED 的腳位方向。

2. 將 Type B 插到座標(0,3)~(2,3)之間直線，共 3 只。
注意 LED 的腳位方向。

3. 將 Type C 插到座標(3,3)，共 1 只。
注意 LED 的腳位方向。

4. 將 LED 所有的負腳全部焊接在一起。
圖片中是焊接好取出的樣子。

5. 您需要做 4 組(L0~L3)上面圖片的 LED 層面。

6. 將 4 組 LED 層面的正腳都焊起來。
注意正腳搭接長度大約是 8mm 左右，盡量讓你的 LED 排列呈現出正方形。

7. 在 L0~L3 每一層的負腳(上圖黑色導線)各焊上一條導線。

8. 先將光立方電路板插入 Arduino UNO，再將整組 LED Cube 小心地插入圓孔排針，並且將 4 條導線另一端也插入圓孔排針，至此大功告成。

程式

//2017-01-01 LED_Cube4_01.ino
//從頂層到底層逐一點亮 LED

#define CUBE_SIZE 4
#define PLANE_SIZE CUBE_SIZE*CUBE_SIZE
#define PLANE_TIME 20
#define LED_TIME 500

int LEDPin[] = {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, A0, A1};
int PlanePin[] = {A2 , A3, A4, A5};

void setup()
{
int pin;
for (pin = 0; pin < PLANE_SIZE; pin++) {
pinMode(LEDPin[pin], OUTPUT);
digitalWrite(LEDPin[pin], LOW);
}
for (pin = 0; pin < CUBE_SIZE; pin++) {
pinMode(PlanePin[pin], OUTPUT);
digitalWrite(PlanePin[pin], HIGH);
}
}

void loop()
{
for (int plane = 0; plane < CUBE_SIZE; plane++)
{
digitalWrite(PlanePin[plane], LOW);
for (int led = 0; led < PLANE_SIZE; led++)
{
digitalWrite(LEDPin[led], HIGH);
delay(LED_TIME);
digitalWrite(LEDPin[led], LOW);
}
digitalWrite(PlanePin[plane], HIGH);
delay(PLANE_TIME);
}
}

程式說明

1. UNO 腳位 D0~D13 & A0~A1 分別控制每一顆 LED，D0 控制的 LED 是靠近 D0 腳位那一顆，A1 腳位則是控制距離 D0 最遠的那一顆 LED。A2 控制頂層 LED，A5 則是控制底層 LED。

2. 把所有的腳位都設定成 OUTPUT，才可以指定它要 HIGH 或 LOW。當指定它為 HIGH 時電位是 5V；當指定它為 LOW時電位是 0V，相對於 5V 而言可以把它視為是 GND。

3. 在初始階段為了讓所有的 LED 都不亮，所以在 setup() 階段將 16只 LED 腳位都設為 LOW，並且將控制層面的 4 只腳位都設為 HIGH。

來看看影片

問題與解答

問題：LED 燈的變化不如預期，有些不會亮，是不是哪裡的焊接有問題?

解答：

請根據下圖，依下列步驟人工逐一通電檢查(請記得加上限流電阻)：

Step1. 檢查每一個LED燈珠是不是好的。

Step2. 檢查每一個LED燈珠在彎折時的正負腳是否正確。

Step3. 檢查每一層是否有焊妥。

Step4. 檢查每一列是否有焊妥。

Step5. 檢查每一行是否有焊妥。