使用Arduino Nano制作一個(gè)4×4×4 LED立方體

在這個(gè)項(xiàng)目中，我們將使用 Arduino Nano 制作一個(gè)很酷的 4×4×4 LED 立方體。LED 立方體，也稱為 LED矩陣，可以照亮您的房間、學(xué)習(xí)空間或創(chuàng)客區(qū)域，使其看起來(lái)非?？犰?。此外，它非常容易構(gòu)建，并幫助您在電子和編碼方面發(fā)揮創(chuàng)意。

我們的 LED 立方體尺寸為 4x4x4，由四層組成，每層包含 64 個(gè) LED。這意味著，每層可容納 16 個(gè)LED，如本文后面的圖表所示。該連接涉及 64 個(gè) LED 以特定組合連接到 Arduino。當(dāng) LED 的正極端子從 Arduino接收到高電平信號(hào)，負(fù)極端子獲得低電平信號(hào)時(shí)，LED 亮起。要組裝立方體，請(qǐng)將一個(gè)引腳連接到每列（總共 16 個(gè)），將一個(gè)引腳連接到每層（總共 4個(gè)）。因此，您只需要 20 個(gè)引腳即可完成這個(gè)令人印象深刻的4x4x4 LED 立方體項(xiàng)目。我們將指導(dǎo)您逐步構(gòu)建四層，確保 LED對(duì)齊、均勻間隔并正確焊接到位。

使用 Arduino Nano 的 4×4×4 Led Cube 所需的組件

Arduino 納米

64- 5mm 藍(lán)色 LED

母頭

彩虹帶電纜

100Ω電阻

3V 電池測(cè)試 LED

零PCB板

銅絲

工具（烙鐵、剪線機(jī)、砂紙）

4×4×4 LED立方電路圖

使用 Arduino Nano 的 4 * 4 * 4 LED 立方體的電路圖涉及多個(gè)組件和連接，以確保正常運(yùn)行。這是一個(gè)分步說(shuō)明。將 64 個(gè)
LED 排列成 4x4x4 矩陣。每個(gè) LED 代表立方體中的一個(gè)像素。

將每個(gè) LED 的陽(yáng)極（較長(zhǎng)的支腿）連接到其各自的行，將陰極（較短的支腿）連接到其各自的列。完整的 4x4x4 LED
立方體原理圖如下圖所示。

將 Arduino Nano 的數(shù)字輸出引腳（A4 到 D13）連接到 LED 立方體的列。這些引腳將控制多維數(shù)據(jù)集的各個(gè)列。

將數(shù)字輸出引腳（A0 至 A3）連接到立方體的層。這些引腳將控制立方體的每一層。將限流電阻（通常為 100-220
歐姆）與每層串聯(lián)，以防止電流過大。將電阻的一端連接到Arduino Nano的數(shù)字輸出引腳，另一端連接到相應(yīng)的行。

請(qǐng)記住仔細(xì)檢查您的連接并使用適當(dāng)?shù)南蘖?a target="_blank">電阻器來(lái)保護(hù) LED。通過此設(shè)置，您可以對(duì) Arduino Nano 進(jìn)行編程，以在 4x4x4 LED
立方體上顯示各種圖案和動(dòng)畫。

4x4x4 LED 立方體如何工作？

在開始焊接并深入了解項(xiàng)目的細(xì)節(jié)之前，了解事情的運(yùn)作方式非常重要。這個(gè)項(xiàng)目背后的主要大腦是一個(gè)名為Arduino
Nano的微控制器板。它就像一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)，使用 ATmega328P 微控制器。這個(gè)小家伙有 20
個(gè)引腳，可以用于不同的事情，比如打開和關(guān)閉東西。在我們的例子中，我們專注于 14 個(gè)數(shù)字引腳和 6 個(gè)模擬引腳，它們都將在我們的項(xiàng)目中充當(dāng)開關(guān)。

現(xiàn)在，在 4x4x4 LED 立方體上，它由 64 個(gè) LED 組成，排列成一種網(wǎng)格。有 4 層 LED，每層有 16 個(gè) LED，采用 4x4
設(shè)置。一層中每個(gè) LED 的設(shè)置方式乍一聽可能有點(diǎn)復(fù)雜;它被稱為共陽(yáng)極。這僅意味著 LED 的所有正極均已連接?，F(xiàn)在，這是很酷的部分，即使我們有 64 個(gè)
LED，我們只需要微控制器上的 20 個(gè)引腳來(lái)控制它們。我們使用 16 個(gè)引腳來(lái)控制每層的 LED。訣竅是通過它們的正極連接各層，通過給一個(gè) LED 提供 5
伏電壓并將負(fù)極連接到地面，我們可以讓它亮起。其余 4 個(gè)引腳為各層供電。我們的編程魔力將使這一切順利進(jìn)行。下圖顯示了 4x4x4 LED 立方體 Arduino
模擬，您可以看到 arduino nano 上的每個(gè)引腳如何能夠單獨(dú)控制我們立方體上的 LED。

使用Arduino Nano設(shè)計(jì)和構(gòu)建4×4×4 Led Cube

檢查所有 64 個(gè) LED，確保它們使用小紐扣電池工作。

在我們開始組裝 LED 立方體并進(jìn)行任何焊接之前，最好確保 LED 正常工作。我們的 LED 需要 3.3
伏電壓。較長(zhǎng)的導(dǎo)聯(lián)為正，較短的導(dǎo)聯(lián)為負(fù)。您可以使用任何 3.3V 電池輕松測(cè)試它們。在我的案例中，我使用了鋰離子電池進(jìn)行測(cè)試。

我們使用的 LED 是透明的，并且發(fā)出非常微弱的光，因此我們希望使它們不那么強(qiáng)烈。

漫射光使 LED 更亮，使立方體看起來(lái)更酷。只需在每個(gè) LED 的頂面上擦拭砂紙，或者您可以使用帶有砂紙的直流電機(jī)來(lái)擴(kuò)散所有 64 個(gè)
LED。

構(gòu)建 4x4x4 LED 立方體

要為您的 LED 立方體制作模板，請(qǐng)買一塊足夠大的木頭來(lái)制作 4x4 網(wǎng)格，確保每個(gè)正方形為 25 毫米。首先在木頭上用線條畫一個(gè) 4x4
的網(wǎng)格。使用中心沖頭在線條相交的地方打凹痕。然后，找到一個(gè)恰到好處的鉆頭——小到可以將 LED
牢固地固定到位，但又足夠大，無(wú)需彎曲電線即可輕松拆卸。在網(wǎng)格上標(biāo)記的點(diǎn)鉆 16 個(gè)孔?，F(xiàn)在，您的 LED 立方體模板已全部設(shè)置好，并準(zhǔn)備好進(jìn)行下一步組裝。將
LED 插入各個(gè)孔中。

現(xiàn)在，取一根直銅線并將其焊接到第一行 LED 的正極引腳上，如下圖所示。同樣，以相同的方式焊接所有四排 LED 的正極引腳。

現(xiàn)在，繼續(xù)通過焊接連接四根銅線兩側(cè)的腿端。這將建立連接，將 LED 的所有 16 個(gè)正極相互連接。通過這樣做，我們將成功完成第一層的組裝。

將孔正極腳焊接在一起后，將盒子翻轉(zhuǎn)過來(lái)，開始將 LED 的尖端從夾具的孔中推出。確保均勻地執(zhí)行此操作，以避免彎曲或損壞層結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在您的第一個(gè) LED
層已經(jīng)完成！再執(zhí)行此步驟三次，最終得到四層。

接下來(lái)，取第一層 LED 并將 16 根負(fù)極引線焊接在一起，將各個(gè)層堆疊在一起。

將另一層放在上面，并將其中一個(gè)角與第一層正好對(duì)齊 25 毫米（或您在網(wǎng)格中使用的任何距離）。這是陽(yáng)極線之間的距離。

用手將角固定到位，并將第一層的角陰極焊接到第二層的角陰極上。對(duì)所有角落都執(zhí)行此操作。

4x4x4 LED
立方體開始成型。檢查各層是否在所有尺寸上都完全對(duì)齊。如果沒有，請(qǐng)稍微彎曲進(jìn)行調(diào)整。或者，如果高度距離不對(duì)，則重新焊接。當(dāng)它們完全對(duì)齊時(shí)，將剩余的 12
個(gè)陰極焊接在一起。

4×4×4 LED Cube Arduino代碼說(shuō)明

該代碼的結(jié)構(gòu)旨在執(zhí)行一系列預(yù)定義的照明模式，從而在 4x4x4 LED 立方體上創(chuàng)建引人入勝的視覺體驗(yàn)。本頁(yè)底部給出了完整的 4x4x4 LED
立方體代碼。動(dòng)畫包括閃爍效果、連續(xù) LED 激活、隨機(jī)圖案和各種動(dòng)態(tài)顯示。用戶可以修改延遲時(shí)間并嘗試順序或創(chuàng)建新功能來(lái)自定義 LED 立方體的行為。

int layer［4］={A3，A2，A1，A0}; //initialize 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;

column：保存 LED 立方體列的引腳號(hào)的數(shù)組。

layer：保存 LED 立方體各層的引腳號(hào)的數(shù)組。

time：一個(gè)變量，表示代碼各個(gè)部分使用的延遲時(shí)間。

void setup（）

{

for（int i = 0; i《16; i++）

{

pinMode（column［i］， OUTPUT）; //setting rows to output

}

for（int i = 0; i《4; i++）

{

pinMode（layer［i］， OUTPUT）; //setting layers to output

}

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

}

setup 函數(shù)在程序開始時(shí)執(zhí)行一次。它將列和層數(shù)組中的每個(gè)引腳設(shè)置為輸出。它使用引腳 10 的模擬讀數(shù)為隨機(jī)數(shù)生成器提供種子。

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）;

}

loop 函數(shù)是程序的主要執(zhí)行循環(huán)。它按順序調(diào)用各種照明模式和效果，每個(gè)模式和效果都后跟幾毫秒的時(shí)間延遲。然后，循環(huán)等待 2000 毫秒（2
秒），然后再開始下一次迭代。

4x4x4 LED 立方體Arduino代碼的控制功能

該代碼定義了多個(gè)函數(shù)，每個(gè)函數(shù)負(fù)責(zé)特定的照明模式或效果。以下是一些值得注意的功能的摘要。

turnEverythingOff（）： 關(guān)閉所有 LED。

turnEverythingOn（）：打開所有 LED。

flickerOn（） 閃爍（）： 逐漸增加和減少所有 LED 的亮度。

turnOnAndOffAllByLayerUpAndDownNotTimed（）： 按順序上下模式打開和關(guān)閉圖層。

turnOnAndOffAllByColumnSideways（）： 以橫向模式依次打開和關(guān)閉列。

layerstompUpAndDown（）： 通過打開和關(guān)閉單個(gè)圖層來(lái)模擬踩踏效果。

flickerOff（）： 逐漸增加和減少所有 LED 的亮度。

aroundEdgeDown（）：以下降模式點(diǎn)亮立方體邊緣周圍的 LED。

randomflicker（）： 模擬隨機(jī)閃爍效果。

randomRain（）： 使用隨機(jī)掉落的 LED 模擬雨水效果。

diagonalRectangle（）：以對(duì)角矩形模式點(diǎn)亮 LED。

螺旋槳（）：模擬螺旋槳效應(yīng)。

spiralInAndOut（）： 以螺旋進(jìn)出模式點(diǎn)亮 LED。

goThroughAllLedsOneAtATime（）：按順序打開和關(guān)閉所有 LED，一次打開和關(guān)閉一個(gè)。

該代碼提供了一組用于控制 4x4x4 LED 立方體、創(chuàng)建各種照明模式和效果的函數(shù)。每個(gè)照明模式都封裝在一個(gè)功能中，促進(jìn)了模塊化和易于理解。loop
函數(shù)按順序編排這些模式的執(zhí)行。

4x4x4 LED立方體代碼生成器

我知道對(duì) LED 立方體進(jìn)行編程可能是一個(gè)真正的頭疼問題，尤其是在將它們放在一起之后。這就是為什么這是一個(gè)易于使用的 Windows 應(yīng)用程序，名為
Cube3D。這個(gè)應(yīng)用程序消除了對(duì) LED 立方體進(jìn)行編程的痛苦。它旨在編寫必要的代碼，無(wú)論您是將 Arduino 還是 C 與 Atmel Studio
一起使用。現(xiàn)在，一切都為 4x4x4 LED 立方體做好了準(zhǔn)備。從鏈接下載 Cube3D 應(yīng)用程序 （.exe） 并按照安裝向?qū)нM(jìn)行操作。

該應(yīng)用程序?yàn)?4x4x4 LED 立方體生成一個(gè)圖案表，并使其易于可視化圖案。用于對(duì) LED
立方體進(jìn)行編程的代碼隨應(yīng)用程序一起提供，并且也存在于其自己的存儲(chǔ)庫(kù) LED-Cube-Code 中。

只需單擊它們來(lái)選擇要點(diǎn)亮的 LED – 超級(jí)簡(jiǎn)單！在代碼編輯器中按 Enter 鍵后，它就會(huì)發(fā)揮其魔力，并根據(jù)立方體中打開的 LED
創(chuàng)建一個(gè)模式。它有一個(gè)時(shí)間變量的輸入字段，通過更改它，您可以更改模式在立方體上顯示的時(shí)間（以毫秒為單位）。
審核編輯：陳陳