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8x8x8 LED Cube

Als ich vor etwa 1,5 Jahren im Internet erste Videos über LED Würfel gefunden habe, stand für mich fest, sowas brauche ich auch.

Hier das Video, welches mich in seinen Bann zog:

[youtube=http://www.youtube.com/watch?v=6mXM-oGggrM]

Da man selbst beim multiplexen der Ebenen immernoch 64 LEDs + 8 Mosfets ansteuern muss und kein normaler Microkontroller so viele Pins besitzt, musste ich die Ports erweitern. Es gibt dabei mehrere Möglichkeiten von einfachen Schieberegistern und D-Latches bis hinzu komplexeren Portexpandern die man über SPI oder I2C anspricht. Ich entschied mich für den Anfang für Latches, da dies mir am einfachsten erschien. Jetzt benötigte ich nur noch 8 Pins für die Latch Daten und weitere 8(+1) Pins für die Enable Pins der einzelnen Latches (+1 da ich erst die Mosfets auch über ein Latch ansteuern wollte, wie man im Schaltplan sieht, jedoch diese dann direkt vom Mirokontroller aus erledigt habe). Da die Latches selbst im Prinzip nur ein paar Flipflops sind, können diese nicht genügend Strom für die LEDs treiben, daher habe ich noch einen Treiber (UDN2981) nachgeschaltet.

(Der Schaltplan zeigt nur die Hälfte der Latches und Treiber Bausteine)

Das ganze baute ich dann nach kurzer Zeit auf Lochraster Platine auf, die Treiber waren zu Beginn bei Reichelt nicht lieferbar, daher baute ich es erstmal ohne diese auf, jedoch konnten die Latches nur einen sehr geringen Strom von etwa 8mA je Ausgang liefern (laut Datenblatt).

Der Aufwand war jedenfalls enorm und das Ergebnis ernüchternt. Bei meinem Würfel hatte ich am Ende stark mit Ghosting (unkontrolliertem Restleuchten) zu kämpfen und konnte die Ursache nicht wirklich ausmachen, daher entschied ich mich eine Platine in China herstellen zu lassen.

Auf www.iteadstudio.com kann man Platinen günstigen ätzen lassen. Ich kaufte 10 Platinen in den Maßen 10cm x 10cm, da die Fläche jedoch etwas klein für mein Layout war und ich auf SMD Bauteile verzichten wollte, erstellte ich die Platine so, dass 2 für einen Würfel benötigt werden.

Nach etwa 3 Wochen erhielt ich einen Brief vom Zoll, wonach ich ein Paket abholen könnte. Durch die Paketverfolgungsnummer konnte ich sehen, dass das Paket schon etwa 1 Woche vorher beim Zoll eingetroffen war 😉

Das Ergebnis sah dann fertig bestückt so aus:

Ja da fehlt noch was, der Mikrocontroller, der alles steuert. Im Gegensatz zum ersten Entwurf entschied ich mich jetzt dafür einfacherweise einen Arduino Mega dafür zu nutzen, da dieser mit 128kB Flash Speicher viel mehr Platz für Animationen hatte.

Damit war die Ansteuerung komplett und es kommt zur eigentlichen Fleißaufgabe, dem Löten des Würfels selbst. Ich entschied mich für blaue 3mm LEDs, leider wurden mir anstatt diffuser LEDs klare LEDs aus China geschickt. Mit diffusen LEDs kommen die Effekte noch besser zur Geltung. Ich baute aber trotzdem einfach drauf los.

Ich testete alle LEDs vor Einbau einmal und es waren tatsächlich einige bereits kaputt. Im Anschluss bohrte ich mir einen Schablone mit 64 Löchern zurecht und begann mit dem Zusammenlöten. Dabei werden in jeder Ebene alle Kathoden verbunden und die Anoden werden später mit den Anoden der darunterliegenden Ebene verbunden.

So sieht dann eine fertige Ebene aus. Wer das ganze nachbauen möchte, dem seie gesagt: Nicht so machen!(!!) Denn das aufeinander Löten der einzelnen Ebenen ist mehr als schrecklich und ziemlich ungenau. Besser ist es den Würfel in Spaltenbauweise zu machen, quasi eine stehene Ebene und davon 8 später zu verbinden.

Das Ergebnis:

Das ganze wurde auf ein schwarz lackierte Brett montiert und die Ansteuerung in den Sockel verbannt, es war ein totales Kabel WirrWarr und im Nachhinein würde ich es vermutlich anders machen.

Die Programmierung erfolgte in der Arduino IDE, das umschalten der Ebenen erfolgt per Timer Interrupt. Ich habe mehrere Effekte im Internet gefunden von Würfeln anderer und diese umprogrammiert und eingebaut, sowie eine paar Effekte selbst geschrieben. Ein Projekt welches die Bilder auf dem PC berechnet und diese über USB an den Würfel sendet gibt es auch, die Animationen von dort laufen bei mir jedoch relativ langsam, da hierbei viele Cosinus/Sinus Berechnungen nötig sind, die normal der PC erledigt.

[youtube=http://www.youtube.com/watch?v=W8HorjojxDE]

Bauteileliste und Kosten:

• 8 x 74HC573 8-Bit D-Latch – 2,32€
• 8x UDN2981A – 8,80€
• 8x IRLZ34N – 3,60€
• 1000 Blaue LEDs diffus – 3mm 22,86€ – 5mm 24,06€
• ~30m 0,6mm versilberter Kupferdraht – 6,15€
• Arduino Mega 1280/2560 Klon aus China – ~20€
• Netzteil 12V 2A – ~5€
• Platinenkosten – ~2,50€ je Platine
• Kerkos/Elkos/Widerstände/Sockel/Stiftleisten/Flachbandkabel

Insgesamt liegt man so bei etwa 75€-90€. Was noch fehlt ist natürlich ein entsprechender Sockel aus Holz und ein Plexiglasgehäuse, da der Würfel so zwar relativ Stabil ist, aber man will natürlich nichts riskieren, denn es steckt viel Arbeit darin.

Wer das ganze nachbauen möchte, der kann mir einfach schreiben ich teile auch gerne meine Software und die Eagle files, ich habe auch noch ein paar Platinen übrig die ich abgeben würde. Aktuell (20.03.2014) sind keine Platinen mehr vorhanden, allerdings bin ich dabei die Ansteuerung für einen 8x8x8 LED Würfel auf ein Arduino Shield zu portieren. Prototypen Platinen sind bereits bei mir angekommen, sobald diese Bestückt und getestet sind, werde ich wieder berichten.

Interessante Links zum Thema:

• http://www.mikrocontroller.net/topic/252771 (Sehr sehr gute Dokumentation und Umsetzung!!)
• http://www.instructables.com/id/Led-Cube-8x8x8/
• http://www.instructables.com/id/How-to-build-an-8x8x8-LED-cube-and-control-it-with/step2/Assemble-the-layers/

Viel Spass beim Nachbau oder Youtube Videos anschauen, dort gibt es Varianten mit RGB LEDs 😉