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

本文要介紹的這是 Arduino Nano 版本的光立方，優點是體積更小更簡潔，但功能比起 Arduino UNO 卻毫不遜色。

來看看影片先

準備材料與工具

材料：
1. LED Cube PCB底板 *1
2. 3mm LED * 64
3. M3 25+6mm 尼龍柱 * 4
4. M3x8mm 螺絲 * 4
5. 圓孔排針 * 20
6. 15P排母 * 2
7. 10cm長電線 * 4

另需準備：
1. Arduino Nano 開發板 * 1
2. USB mini 數據線 * 1

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. 橡皮筋
9. 電阻 100~220R
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 針腳

1. 先來看看我們要做出怎樣的東西
提醒您：下圖 LED 紅色是正(+)腳，黑色是負(-)腳。

2. 取出尖嘴鉗輔助彎折 LED，我們需要彎折出 3 種型式的 LED，下圖右側是未彎折前。
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、固定 LED 的模板

要將 4x4 共 16 只 LED 固定在一個平整的面乖乖地讓我們焊接並不是一件容易的事，製作一個有 16 個洞能插上 LED 的模板，是一件好的主意。

如果您有購買 LED 燈殼，可以取出燈殼底板，上面有 16 個 3mm 的洞，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。

Step1 取出燈殼底板，穿過 4 只螺絲，用螺帽鎖緊。

Step2 翻轉燈殼底板，逐一插入 LED 焊接。 

如果您沒有購買燈殼，那麼底下過程就是說明如何自製一個模板。

Step1 準備一張厚約 1~3mm 的硬紙板。我隨手找了個 68x68mm 的蛋糕盒。

Step2 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。

Step3 用電鑽在交點處鑽出 16 個 3mm 圓孔。

四、焊接 LED

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。

五、將圓孔母排針焊到電路板上

1. 取出 Cube 底板，將 20 支圓孔母排針插到電路板上的 A0~A15 和 D1~D4 位置。
板子有兩面，要注意方向。

2. 為了焊接前翻轉電路板時避免排針掉落，我隨手取一塊 5x7cm 的電路板蓋住排針，小心地用橡皮筋將他們綁在一起。
然後可用鑷子調整排針，讓排針垂直站立，避免歪斜。

3. 翻面，準備焊接。

4. 焊好後移除橡皮筋與電路板。


六、焊接15P排母

1. 將 2 只 15P 排母插入 Cube 底板

2. 為了讓 15P 排母垂直站立，並且以後讓 Arduino Nano 容易插入排母，在此我們將 Arduino Nano 開發板插到排母。
請注意，Arduino Nano 的 USB 頭須朝外。

3. 翻面焊接排母。


七、組立 LED Cube

1. 在 Cube 底板四個角落用 M3 螺絲鎖住尼龍柱。

2. 將 LED 腳謹慎插入 A0~A15 排針圓孔。
可用鑷子或尖嘴鉗輔助，夾住 LED 腳插入排針圓孔。

3. 在 4 個層焊上電線，並將電線另一端分別插入 D1~D4 排針圓孔。
同樣地，可用鑷子或尖嘴鉗輔助，夾住電線末端插入排針圓孔。

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. Nano 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。

相關連結

1. LED 限流電阻計算 http://gc.digitw.com/Program/Resistor4LED/Resistor4LED.htm
2. Arduino UNO 開發板 https://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardUno
3. 玩轉光立方 LED Cube 4x4x4 -- 程式2 http://pizgchen.blogspot.tw/2017/01/led-led-cube-4x4x4-2.html
4. 圖形編輯器 https://www.robota.nl/en/blog/led-cube-4x4x4-pattern-designer/led-cube-simulation-and-pattern-generator.html
5. 免費的專業圖形編輯器 http://www.solderlab.de/index.php/software/glediator


採購資訊

1. 光立方套餐(LED Cube 4x4x4 + 壓克力燈殼) http://goods.ruten.com.tw/item/show?21737094375402

2. 光立方 LED Cube 4x4x4 for Arduino Nano http://goods.ruten.com.tw/item/show?21711527533658

3. 光立方燈殼 for Arduino Nano LED Cube 4x4x4 http://goods.ruten.com.tw/item/show?21733944595158

[Arduino] 淺談記憶體2 -- PROGRAM

在前篇文中( http://pizgchen.blogspot.tw/2017/03/arduino-1.html )我們說明了 Arduino 有哪些類型的記憶體，其中有提到一個關鍵字「PROGRAM」，本文旨在說明如何使用 PROGRAM 這個變數修飾符。


使用 PROGRAM 的時機

Arduno UNO 只有 2k bytes 的 SRAM 空間讓您存放及運作變數，若是您要將大量的訊息送到序列監控視窗顯示出來，或是您要設置一個供給查表法使用的大資料量表格，這時您有可能會使用超過 2k bytes 的空間。

在您使用超過 2k bytes 的 SRAM 空間時，也許編譯時沒有異狀，但這並不表示您的程式能夠正常運作。

要解決 SRAM 空間不足的問題，我們可以將這些大量資料從 SRAM "搬到" Flash (程式碼就是儲存在 Flash)，在需要運作變數時再將這些資料從 Flash "搬回" SRAM 內。那麼如何讓 Arduino 知道哪些資料將會被這樣使用，答案就是使用 PROGRAM 這個變數修飾符來宣告。


如何使用 PROGRAM

PROGRAM 變數修飾符是被定義在 pgmspace.h 之中，它是 AVR 架構中 pgmspace.h 函式庫眾多函式的其中之一。所以您要使用 PROGRAM 之前，必須在程式的開頭包含入這個函式庫，如下：

#include <avr/pgmspace.h>

然後，使用下列句法給值

const dataType variableName [ ] PROGRAM = {data0, data1, data2...};

dataType - 表資料型態。
variableName - 表變數名稱。


PROGRAM 只是一個變數修飾符，它沒有被規定應該放在哪個位置，所以下列三種宣告方式都可以通過編譯器的解析：

const dataType variableName [ ] PROGRAM = {data0, data1, data2...};
const PROGRAM dataType variableName [ ] = {data0, data1, data2...};
const dataType PROGRAM variableName [ ] = {data0, data1, data2...};

雖然 PROGRAM 可以使用在單一變數上，但大多情況我們會用它來處理大量的資料，尤其是大量的陣列資料。下列表格讓您瞭解與比較不同的資料型態會佔用多少記憶體：

再提醒您一次，我們需要兩個步驟來使用 PROGRAM，首先用 PROGRAM 宣告一個變數並給值，然後要使用這些變數的值時再將它從 Flash 讀回到 SRAM。


範例

下列程式片段在示範如何讀寫 char (1 byte) 和 int (2 bytes) 到 PROGRAM。

#include <avr/pgmspace.h>


// save some unsigned ints
const PROGMEM  uint16_t charSet[]  = { 65000, 32796, 16843, 10, 11234};

// save some chars
const char signMessage[] PROGMEM  = {"I AM PREDATOR,  UNSEEN COMBATANT. CREATED BY THE UNITED STATES DEPART"};

unsigned int displayInt;
int k;    // counter variable
char myChar;


void setup() {
  Serial.begin(9600);
  while (!Serial);

  // put your setup code here, to run once:
  // read back a 2-byte int
  for (k = 0; k < 5; k++)
  {
    displayInt = pgm_read_word_near(charSet + k);
    Serial.println(displayInt);
  }
  Serial.println();

  // read back a char
  int len = strlen_P(signMessage);
  for (k = 0; k < len; k++)
  {
    myChar =  pgm_read_byte_near(signMessage + k);
    Serial.print(myChar);
  }

  Serial.println();
}

void loop() {
  // put your main code here, to run repeatedly:

}


字串陣列


將資料設置為字串陣列通常是最方便使用的，尤其是要將大量的文字顯示到 LCD 之中時。因為字串本身就是一個字元陣列，而字串陣列實際上就是一個二維的字元陣列。

傾向於將大型的結構化資料放到 Flash 之中，往往是比較好的方式。下列程式碼就在說明這樣的概念：

#include <avr/pgmspace.h>


// save some unsigned ints
const PROGMEM  uint16_t charSet[]  = { 65000, 32796, 16843, 10, 11234};

// save some chars
const char signMessage[] PROGMEM  = {"I AM PREDATOR,  UNSEEN COMBATANT. CREATED BY THE UNITED STATES DEPART"};

unsigned int displayInt;
int k;    // counter variable
char myChar;


void setup() {
  Serial.begin(9600);
  while (!Serial);

  // put your setup code here, to run once:
  // read back a 2-byte int
  for (k = 0; k < 5; k++)
  {
    displayInt = pgm_read_word_near(charSet + k);
    Serial.println(displayInt);
  }
  Serial.println();

  // read back a char
  int len = strlen_P(signMessage);
  for (k = 0; k < len; k++)
  {
    myChar =  pgm_read_byte_near(signMessage + k);
    Serial.print(myChar);
  }

  Serial.println();
}

void loop() {
  // put your main code here, to run repeatedly:

}


注意

請注意，為了要使用 PROGRAM，您必須將變數指定為全域變數(Global)或靜態變數(Static)。

下列程式碼若是被放在函式裏面，它將不會運作

const char long_str[] PROGMEM = "Hi, I would like to tell you a bit about myself.\n";

下列程式碼若是被放在函式裏面，它也會運作

const static char long_str[] PROGMEM = "Hi, I would like to tell you a bit about myself.\n"


F() 函式

如果您在程式中有使用這樣的句法

Serial.print("Write something on  the Serial Monitor");

這串要印出的文字通常是被存放在記憶體之中，如果您印出非常大量這樣的文字到 Serial Monitor，將會很容易把記憶體耗光。如果您有閒置的 Flash 記憶體空間，您可以很輕易地將要印出的文字存放到 Flash 裏，如下：

Serial.print(F("Write something on the Serial Monitor that is stored in FLASH"));


相關連結

淺談記憶體1 -- Memory http://pizgchen.blogspot.tw/2017/03/arduino-1.html

Arduino PROGRAM https://www.arduino.cc/en/Reference/PROGMEM