Den LED-Cube werde ich über einen ArduinoMega mit den unten aufgeführten C-Code ansteuern.

ArduinoMega mit ATmega2560 Prozessor

Der ArduinoMega hat folgende Eigenschaften

Microcontroller: ATmega2560
Operating Voltage: 5V
Input Voltage (recommended): 7-12V
Input Voltage (limits): 6-20V
Digital I/O Pins: 54 (of which 15 provide PWM output)
Analog Input Pins: 16
DC Current per I/O Pin: 40 mA
DC Current for 3.3V Pin: 50 mA
Flash Memory: 256 KB of which 8 KB used by bootloader
SRAM: 8 KB
EEPROM: 4 KB
Clock Speed: 16 MHz

Davon nutzen werde ich folgenden Teil:

Ebenen (von unten nach oben, z = 0..3) an Pins A0, A1, A2, A3
LEDs erste Reihe (y = 0) an Pins 22, 23, 24, 25
LEDs zweite Reihe (y = 1) an Pins 26, 27, 28, 29
LEDs dritte Reihe (y = 2) an Pins 30, 31, 32, 33
LEDs letzte Reihe (y = 3) an Pins 34, 35, 36, 37

/*
 cube 
 */
 
#define LAYERs 4
#define COLs 4
#define ROWs 4
 
/* global variable definitions */
unsigned char LEDs[LAYERs][COLs * ROWs];
unsigned char pwmpos = 0; // actual step of the PWM
unsigned char layer = 1; // actual controlled layer
 
/*
 * cmp_carry_shift_left compares the two parameters
 * which results in the carry bit to be set/unset
 * that carry bit is rotated into para_io
 * the complete function consumes only 2 cycles
 */
static inline unsigned char cmp_carry_shift_left ( 
	unsigned char para_io,
	unsigned char cmp_para_1,
	unsigned char cmp_para_2 )
{
	asm volatile (
		// compare the parameters
		// (get the carry flag set/unset)
		"cp %r[cmp2], %r[cmp1]"	"\n\t"
 
		// rotate carry bit into paramter
		"rol %r[out]"		"\n\t"
 
		// output operand
		: [out] "+r" (para_io)		
		// input operands
		: [in] "r" (para_io),
		  [cmp1] "r" (cmp_para_1),
		  [cmp2] "r" (cmp_para_2)
	);
	return para_io;
}
 
/*
 * The timer3 overflow interrupt routine builds the pin states
 * to be output. the actual output is done in the beginning
 * (of the next execution) of the routine to achieve a more
 * constant time behaviour
 */
ISR ( SIG_OVERFLOW3 )
{
	static unsigned char porta, portc, portf;
	PORTB = 0x80; // turn on pin B7 for measuring the time consumption
 
	PORTA = porta; // turn on the pins of PORTA and B in resull of
	PORTC = portc; // the previous cycles outcome
	PORTF = portf;
 
	pwmpos++;
	if ( pwmpos >= 128 ) pwmpos = 0;
	if ( pwmpos == 0 )
	{
		layer++;
		if (layer == LAYERs)
		{
			layer = 0;
			PORTB |= 0x10;	// get an impulse on Pin B4 as debug output
			PORTB &= ~0x10;	// -"-
			PORTA = 0;
			PORTC = 0;
		}
		portf = 1 <= LAYERs * COLs * ROWs ) ? 0 : RX_pos + 1;
	}
	PORTB &= ~0x08;	 // turn off B3 as debug output
}
 
void setup()  { 
	unsigned char i;
 
	// Initialize port directions and output values
	DDRA = 0xFF; PORTA = 0xFF; // first 8 LEDs
	DDRC = 0xFF; PORTC = 0xFF; // second 8 LEDs
	DDRF = 0x0F; PORTF = 0x01; // 4 layers
	DDRB = 0xFF; PORTB = 0x00; // debug output LEDs
 
	// Initialize timer
	TCCR3A = (1 << WGM31) | (1 << WGM30) | (0x00 << COM3B0);
	TCCR3B = (0x01 << CS30) | (1 << WGM32) | (1 << WGM33);
	TIMSK3 |= 1 << TOIE3;
	OCR3A = 0xFF; // */
 
	// init LEDs array
	for ( i = 0; i < LAYERs * COLs * ROWs; i++ )
		( (unsigned char *) LEDs )[i] = 1;
 
	// Enable interrupts
	sei();
 
	// listen on RS232 for new data
	Serial.begin(115200);
}
 
void loop()  { 
	PORTB ^= 0x02; // debug output (toggles pin B1 if nothing else is done)
}

Der Programmcode wird ganz simple mit der eigenen Arduino-Applikation via USB auf den Microkontroller in einem Rutsch kompiliert und hochgeladen. Code in das Fenster einfügen und Upload-Button klicken. Fertig!

Programm zum bespielen von Arduino’s

Ich habe mir mal vorgenommen, einen roten 4x4x4 LED-Würfel zu bauen. Also mit insgesamt 64 einzelnen LED’s. Ganz gut eignen sich für dieses Vorhaben 5 Millimeter große LED’s.

Schablone mit 8×8 Löchern

Als erstes dachte ich mir, ich erfinde das Rad neu und erstelle eine eigene Schablone mit Acht mal Acht Löschern, die ich mit einer Lötkolbenspitze vor- und danach mit einer 5 Millimeter LED nachgestochen habe. Für meinen Würfel reicht im Grunde eine Matrix mit vier mal vier Löchern. Ich dachte mir nur, wenn ich diesen zur Übung erst einmal fertig gestellt habe, kann man diese Schablone später für einen größeren Würfel mit insgesamt 512 LED’s benutzen. Nur leider habe ich feststellen müssen, dass meine Löscher zwar akkurater sind, aber in der Tiefe mehr Kratern als zylindrischen Vertiefungen gleichen. Dadurch stehen die einzelnen LED’s während des zusammen löten nicht stabil auf den Kopf. Ich habe dann doch die schon vorhandene benutzt, auch wenn die einzelnen gestochenen Löcher nicht immer die 20 Millimeter Abstand zu den jeweiligen benachbarten aufweisen.

Gebogene LED

Als nächstes ging es an das Biegen der Beinchen der einzelnen LED’s und dem zusammen Löten dieser zu den vier Ebenen. Es ist ganz ratsam, die Anode um wenige Millimeter circa 45 Grad abzuwinkeln, so dass sie später an der darunter liegenden Eben nicht auf den LED-Kopf stösst. Die Katode wird um 90 Grad abgewinkelt und mit jeweils nächsten verlötet. Am Ende der Viererkette wird die Katode zusätzlich mit etwas Abstand auf der Horizontalen ein weiteres Mal um 90 Grad gebogen, damit sie mit seinem Gleichen der nächsten Viererkette verlötet wird. Die Vier Stränge bekommen auch an ihren Anfängen zum Halt einen Querdraht angelötet.

Fertiger 4x4x4 LED-Würfel ohne Elektronik

Dadurch dass ich mit den Schablonen etwas Pech hatte, sieht das Endergebnis des Würfel nicht so sauber und gerade aus. Entscheidend ist nur, dass die Lötpunkte richtig fest sind, dass das Konstrukt auch hält.

Fotoalbum des LED-Cube auf Flickr