LED Cube LED Würfel 8x8x8 mit Arduino Uno Rev. 3

Übersicht:

01. Komplette Teileliste 02. Komplette Werkzeugliste 03. Vorbereitung 04. Erstellen der LED Würfel Ebenen 05. Ebenen des Würfels miteinander verlöten 06. Bau des Gehäuses und Platzierung sowie Verdrahtung des Würfels 07. Erstellung der Steuerplatinen (inkl. Schaltpläne) 08. Einbau der Platinen in das Gehäuse 09. Die Arduino Software und das erste Testprogramm

01 / Komplette Teileliste In diesem Post führe ich alle von mir verbauten Teile, sowie verwendeten Verbrauchsmaterialen auf.

Teil Anzahl Details

Arduino Uno Rev. 3 1

Bastlerglas 3 Abmessungen 250mm*500mm

Buchsenleiste 7 2*10-polig Rastermaß 2,54mm

Darlington Arrays ULN2803A 1 ULN2803A

Feinsicherung 1 5*20mm, mittelträge, 1,0A

Feinsicherungshalter 1 Sicherungshalter 5x20mm

Flachbandkabel bunt 10-adrig 1 Rolle AWG28, 10-polig, 3m

Flachbandkabel grau 10-adrig 1 Rolle AWG28, 10-polig, 10m

Heißkleber 1 Riegel

Holzbrett 1 18mm*600mm*300mm

Holzleim 1 schnelltrocknend

IC Sockel 16-polig 8 16-polig, Rastermaß 2,54mm

IC Sockel 18-polig 1 18-polig, Rastermaß 2,54mm

Kabelschuhe 2 Flachsteckhülse

Kantholz 1cm*1cm*50cm 1

kleine Schrauben 12

Kohleschichtwiderstände 64 1/4W 5% 100Ohm

Kunststoffkleber 1

LEDs 512 5mm, warmweiß, diffus

Lochrasterplatine 10cm*20cm 1 100mm*200mm, Rastermaß 2,54mm

Lochrasterplatine 10cm*7,5cm 1 100mm*75mm, Rastermaß 2,54mm

Lötzinn 1 Rolle 250gr, 1mm, Schmelzpunkt 183-190°C

Netzschalter 1 Schaltwippe, 2-polig

Hohlstecker Einbaubuchse 1 2,1mm

Polystyrolplatte 1 2mm*250mm*500mm

Schaltdraht 0,8mm in blau 1 Rolle 0,8mm in blau

Schaltdraht 0,8mm in gelb 1 Rolle 0,8mm in gelb

Schaltdraht 0,8mm in lila 1 Rolle 0,8mm in lila

Schaltdraht 0,8mm in rot 1 Rolle 0,8mm in rot

Schaltdraht 0,8mm in schwarz 1 Rolle 0,8mm in schwarz

02 / Komplette Werkzeugliste

In diesem Post werden alle zum Bau des Würfels benötigten Werkzeuge aufgelistet.

Abisolierzange Abstandshalterschablone Akkuschrauber Bleistift Cuttermesser Entlötpumpe Heißklebepistole Heißluftpistole Holzbohrer 3mm Holzbohrer 5mm Holzfeile Kreuzpinzette Krokodilklemmen Lineal Lötstation Netzteil Permanentmarker rot Permanentmarker schwarz Pinzette Rohrzange Schleifpapier Schraubendreher Schraubstock Seitenschneider Spannzange Spitzzange Stichsäge Widerstand Winkel

Schieberegister 74HC595 8 Schieberegister 74HC 595, 8-bit

Schrumpfschläuche Sortiment

Silberdraht 0,6mm 3 Rollen 0,6mm

Silberdraht 0,8mm 2 Rollen 0,8mm

Sperrholzplatte 1 600mm*1200mm

Sprühlack schwarz 1 Dose matt

Steckernetzteil 5V >= 1A 1

Steckernetzteil 9V >= 1A 1

Stiftleiste 6 2*10-polig Rastermaß 2,54mm

03 / Vorbereitung

Bevor es mit dem Projekt richtig losgehen kann, sollten alle benötigten Teile/Verbrauchsmaterial sowie das benötigte Werkzeug bereitgestellt bzw. gekauft werden. Ist alles parat, so muss als erstes eine Schablone für die LED-Ebenen bzw. LED-Schichten des Würfels hergestellt werden. Für meinen Würfel habe ich mich für einen LED Abstand von 2,5cm entschieden. Dies ergibt für 8 LEDs eine Würfelkantenlänge von ca. 17,5cm. Benötigtes Material: Holzbrett (Abmessungen siehe Teileliste) Benötigtes Werkzeug: Lineal, Winkel, Bleistift, Akkuschrauber, Holzbohrer (Details siehe Werkzeugliste) Auf das Holzbrett wird nun ein Quadrat mit der Kantenlänge 17,5cm aufgezeichnet. Danach werden waagrecht und senkrecht Linien mit dem Abstand von 2,5cm eingezeichnet. Das Ergebnis sollte so aussehen:

Gitternetz eingezeichnet

Nun müssen 64 Löcher an den Schnittpunkten des Gitternetzes gebohrt werden. Da die LEDs einen Durchmesser von 5mm haben, sollte hier ein 5mm bzw. 5,5mm Holzbohrer verwendet werden. Die Bohrungen (ca. 7mm tief) können von Hand oder auch mit Hilfe eines Bohrständers gemacht werden, wobei die Löcher bei Verwendung eines Bohrständers natürlich "gerader" werden. In jedem Fall sollte vor dem Bohren eine Unterlage unter das Holzbrett gelegt werden, falls man aus Versehen etwas zu tief bohren sollte!

Die fertiggestellte Schablone für die Ebenen sieht dann so aus:

Fertige Lötschablone für die Ebenen des LED Cubes

Als letzten Schritt der Vorbereitungen müssen nun noch zwei Schablonen für den Abstand der einzelnen Ebenen des LED Würfels hergestellt werden. Benötigtes Material: Polystyrolplatte, Plastikkleber (Abmessungen siehe Teileliste) Benötigtes Werkzeug: Lineal, Winkel, Bleistift, Cuttermesser (Details siehe Werkzeugliste) Auf die Polystyrolplatte vier Rechtecke mit Abmessung 2,4cm x 19cm einzeichnen. Mit dem Cuttermesser an den Linien einschneiden und vorsichtig aus der Platte rausbrechen. Hinweis: Wer noch keine Erfahrung mit der Bearbeitung von Polystyrolplatten hat, kann sich hier (http://www.bf-vln.de/grundlagen/polystyrol/index.php) informieren. Nun muss jeweils ein Rechteck der Länge nach in der Mitte eines zweiten Rechtecks senkrecht aufgeklebt werden. Dazu die Kante des aufzustellenden Rechtecks mit Klebstoff benetzen und senkrecht auf die untere Platte stellen und festhalten. Nach ca. 30sek kann das entstandene "Werk" losgelassen werden. Der Kleber ist nach ca. 5-10 Minuten vollständig ausgehärtet.

Das Ergebnis (etwas abgewandelt) kann zum Beispiel so aussehen:

Abstandshalter Schablone 2,5cm Höhe (im Hintergrund Plastikkleber und Cuttermesser)

Hinweis: Diese Schablonen können natürlich auch aus steifem Pappkarton hergestellt werden, Polystyrol ist jedoch erheblich stabiler und weniger empfindlich.

04 / Erstellen der LED Würfel Ebenen Die Erstellung der 8 Ebenen des Würfels nimmt etwas mehr Zeit in Anspruch, macht aber meiner Erfahrung nach durchaus Spaß...;-) Benötigtes Material: LEDs, versilberter Kupferdraht, Lötzinn (Details siehe Teileliste) Benötigtes Werkzeug: Lötstation, Entlötpumpe, Pinzette, Kreuzpinzette, Spitzzange, Rohrzange, Seitenschneider, Schraubstock, Krokodilklemmen, Netzteil, Widerstand (Details siehe Werkzeugliste) Zu Anfang nimmt man 64 LEDs aus der Lieferung und sortiert daraus 9 Häufchen, bestehend aus einmal 8 LEDs und acht Mal 7 LEDs.

Sortierte LEDs

Danach längt man vom 0,6mm versilberten Kupferdraht 11 Mal 20cm ab. Jeden dieser Drähte spannt man an einem Ende in den Schraubstock ein und zieht in mit der Rohrzange "sanft" senkrecht nach oben, damit der Draht gerade wird. Hinweis: Nicht zu fest ziehen, sonst reißt der Draht!

Abgelängter Draht

Nun werden die LEDs vorbereitet. Bei den Ebenen des LED Würfels werden die Kathoden (Kathoden = Kurzes Beinchen) der LEDs verbunden. Das Häufchen mit acht LEDs bearbeitet man mit der Spitzzange so, dass die Kathode leicht versetzt zur Anode nach rechts außen zeigt.

Bei den acht anderen Häufchen werden die Kathoden in einer gedachten Linie senkrecht zur Anode nach oben gebogen:

Ab hier kommt nun die erstellte Schablone ins Spiel. Die zuerst gebogenen 8 LEDs werden in

die "oberste" Reihe der Schablone gesteckt und die Kathoden nach rechts ausgerichtet. Sind alle Kathoden auf einer Linie parallel zum Gitternetz werden die Kathoden mit einem der gerade gezogenen Drähte verlötet. Das überstehende Ende des Drahts zeigt dabei nach rechts außen.

Erste Reihe der LEDs miteinander verlötet

Hinweis zum Löten: Elektronische Bauteile vertragen Hitze nicht besonders gut. 215°C Hitze auf der Lötstation sind die perfekte Einstellung um die LEDs auch bei "längeren" Lötvorgängen nicht zu beschädigen. Wurde zu viel Lötzinn aufgetragen, mit Hilfe der Entlötpumpe, das erhitzte Lötzinn wieder "absaugen". Bei der Positionierung des Drahts sollte die Pinzette zur Hilfe genommen werden, da der dünne Draht ziemlich heiß wird. Ist die erste Reihe geschafft, werden von links an, die Reihen von unten zur erstellten ersten Reihe verlötet. Die Kathoden zeigen nun in Richtung der zuerst verlöteten Reihe:

Sechs verlötete LED Reihen

Sind alle 8 LED Reihen auf diese Weise miteinander verlötet, werden zur Erhöhung der Stabilität noch weitere 2 Drähte eingelötet. Einer zwischen der vierten und fünften Reihe und einer in der untersten Reihe.

Die fertige Ebene sieht nun so aus:

Wenn die Ebene fertig ist, ist es Zeit die LEDs zu testen, ob diese den Lötvorgang überstanden haben. Dazu das Netzteil in die Steckdose stecken, an den Pluspol eine rote Krokodilklemme und einen Widerstand anklemmen, an den Minuspol eine schwarze Krokodilklemme anklemmen. Die schwarze Klemme wird nun an den soeben verlöteteten Silberdraht geklemmt. Die rote Krokodilklemme bzw. der Draht des Widerstands wird nun an die Anode jeder LED gehalten. Leuchtet die LED, ist alles gut, bleibt sie dunkel, so muss die LED ersetzt werden. (Ist bei mir nicht passiert)

Der oben beschriebene Ablauf muss nun noch 7 Mal wiederholt werden, bis 8 Ebenen komplett sind.

05 / Ebenen des Würfels miteinander verlöten Im nächsten Schritt werden nun die acht erstellten LED-Schichten an den Anoden miteinander verlötet. Benötigtes Material: Lötzinn, Silberdraht, LED Ebenen (Details siehe Teileliste) Benötigtes Werkzeug: Pinzette, Kreuzpinzette, Abstandshalterschablone, Spitzzange, Seitenschneider, Rohrzange, Schraubstock, Lötstation, Lineal, Permanentmarker, Heißklebepistole (Details siehe Werkzeugliste)

Bevor es mit dem Verlöten losgehen kann, müssen verschiedene Vorbereitungen getroffen werden. Die Anoden der Schichten müssen auf unterschiedliche Art und Weise verlötet werden. Die inneren Anoden (6x6) einer Ebene werden mit kurzen Metallstiften verlötet, die äußeren restlichen Anoden werden erst zum Schluss mit einem durchgehenden Draht verlötet. Es werden also 8x36 Metallstifte der Länge 3,2cm, sowie 28 Metalldrähte der Länge 20cm benötigt. Dazu nimmt man den 0,8mm Silberdraht und längt zuerst 36 Drahtstücke zu 25,6cm Länge ab und danach 28 Drahtstücke zu 20cm Länge ab. Die abgeschnittenen Drähte werden nun nach dem schon bei der Ebenenerstellung bekannten Verfahren mit Rohrzange und Schraubstock geradegezogen. Mit Lineal und Permanentmarker werden nun bei jedem der 36 Drahtstücke jeweils Markierungen von 3,2cm aufgetragen. An den Markierungen wird jeweils mit dem Seitenschneider eingeschnitten.

Abgelängte Metallstifte 3,2cm Länge

Weiterhin müssen später die 8 Ebenen (Kathoden-Ebenen) jeweils eine Verbindung zum späteren Boden angelötet bekommen. Hierzu werden weitere 8 Metallstifte (0,8mm Draht) benötigt, welche jeweils ausgehend von 5cm immer um 3cm länger abgelängt werden müssen.

Als weitere Vorbereitung, müssen die Anoden der Ebenen mit der Spitzzange (alle in eine Richtung) folgendermaßen gebogen werden:

Ebene mit gebogenen Anoden

Schaubild gerade nach oben gebogene Anode

Beim Biegen mit der Spitzzange können dann auch eventuell nicht genau senkrecht zur Ebene stehende LEDs ausgerichtet werden, damit das Gesamtbild stimmt. Sind diese Vorbereitungen abgeschlossen, kann es nun mit dem Löten der ersten Schicht losgehen. Da dies später die oberste Schicht des Würfels ist, sollte hier diejenige LED Schicht genommen werden, die am besten gelungen ist!

Mit der Kreuzpinzette wird nun jeweils ein Metallstift aufgenommen und mit einer der Anoden der 36 innen liegenden LEDs verlötet. Als Ergebnis ragen nun 36 Metallstifte aus der Ebene hervor:

Oberste Ebene des Würfels mit angelöteten Metallstiften

Als nächstes kommt die zweite LED Schicht dran. Auch hier müssen nun wieder alle Anoden wie oben beschrieben senkrecht nach oben gebogen werden. Selbstverständlich sollten auch hier wieder eventuell schief stehende LEDs vorsichtig ausgerichtet werden. Nun kommen die Schablonen aus dem "Vorbereitungs"-Schritt zur Anwendung.

Auf diese Konstruktion wird nun die soeben vorbereitete zweite Ebene gelegt:

Die beiden Ebenen müssen nun vorsichtig so übereinander ausgerichtet werden, dass die LEDs an den Rändern so exakt wie möglich übereinanderstehen. Am Bild gut zu sehen ist, dass so sehr man sich auch bemüht die Anoden der LEDs möglichst senkrecht hinzubiegen, doch ein paar dabei sind, die schief nach oben schauen. Dies ist jedoch nicht weiter schlimm. Die Anoden dieser LEDs werden zuletzt angelötet um nicht zu riskieren, dass die Ebenen schief übereinanderstehen. Nun werden die 36 Metallstifte der ersten Ebene mit den Anoden der zweiten Ebene verlötet. Um die Metallstifte und die Anoden für das Löten ruhig zu halten leistet die Kreuzpinzette hier auch wieder gute Dienste! Hinweis: Hier ist auch weiterhin die Löttemperatur von 215°C zu beachten.

Das Ergebnis sieht dann so aus:

Dieser Vorgang muss nun bis zur letzten Ebene wiederholt werden. Auch bei der letzten (später untersten) Ebene müssen ebenfalls wieder 36 Metallstifte an die Anoden gelötet werden! Das halbfertige Konstrukt mit den innen verlöteten Ebenen sieht dann so aus:

Nun werden die äußeren Anoden miteinander verlötet. Dazu werden die vorbereiteten 28 langen Metallstifte verwendet. Diese Arbeit sollte mit äußerster Sorgfalt vorgenommen werden, da man hier Fehler am ehesten sehen kann. Auch können hier noch kleinere Korrekturen vorgenommen werden, falls während den Vorarbeiten die eine oder andere

Ebene leicht verbogen sein sollte. Das Ergebnis ist nun ein mittlerweile recht stabiles Gebilde:

Im letzten Schritt müssen nun noch die Verbindungen zu den einzelnen Kathoden-Ebenen angelötet werden. Dazu werden die vorher in 8 unterschiedlichen Längen abgelängten Drahtstücke benötigt. Die Kathoden sollten am besten an der Seite des Würfels angelötet werden, welche später "hinten" ist. Die Drähte werden nun jeweils an einer Stelle der Kathoden-Ebene angelötet, so dass sie gleichauf mit den Anoden nach "oben" ragen. Für die oberste (später untere) Ebene wird das kürzeste Stück verwendet, für die nächste, das nächstlängere usw... Sind alle Kathodenverbinder angelötet, werden diese mit der Heißklebepistole an den anderen Kathodenebenen mit einem Klebepunkt befestigt. Hier vorsichtig agieren und sicherstellen, dass keine Verbindung hergestellt wird!

Das Verlöten des Würfels ist nun abgeschlossen.

06 / Bau des Gehäuses und Platzierung sowie Verdrahtung des Würfels

In diesem Schritt wird das Gehäuse erstellt, auf welchem der LED Würfel sitzt und in welchem die Steuerelektronik platziert wird. Außerdem wird der Bau der Schutzhaube beschrieben. Benötigtes Material: Sperrholz, Kantholz, Holzleim, LED Würfel, Flachbandkabel grau 10 Adern, Stiftleiste 2*10-polig, Schalter, Netzteilbuchse, Schrumpfschläuche, Silberdraht (0,8mm), Heißkleber, Bastlerglas, Kunststoffkleber, Lötzinn, Sprühlack schwarz (Details siehe Teileliste) Benötigtes Werkzeug: Kreuzpinzette, Spitzzange, Seitenschneider, Rohrzange, Schraubstock, Lötstation, Lineal, Winkel, Permanentmarker, Bleistift, Heißklebepistole, Spannzangen, Schleifpapier, Stichsäge, Akkuschrauber, verschiedene Holzbohrer, Abisolierzange (Details siehe Werkzeugliste) Beim Gehäuse habe ich mich für die Abmessungen 23cm*23cm*12,8cm (b*t*h) entschieden. Verwendet habe ich hierzu Sperrholzplatten mit 4mm Dicke. Mit Lineal, Winkel und Bleistift habe ich auf der Sperrholzplatte nun folgende Gehäuseteile angezeichnet: 2*Grundplatte (oben/unten) Maße: 23cm*23cm 2*Seitenteile Maße: 23cm*12cm 2*Seitenteile Maße: 22,2cm*11,2cm 1*Platinenschubplatte Maße: 22,2cm*22,2cm Nun werden die eingezeichneten Teile mit der Stichsäge ausgesägt und mit dem Schleifpapier abgeschliffen. Im nächsten Schritt wird die spätere Würfelgrundplatte, also die Oberseite des Gehäuses vorbereitet. Hierzu wird zunächst mit Hilfe von Lineal, Winkel und Bleistift ein eingemittetes Quadrat auf die Platte eingezeichnet:

Das Quadrat wird nun durch Einzeichnung von senkrechten und waagrechten Linien im Abstand 2,5cm erweitert. Außerdem wird eine Linie für die Kathoden eingezeichnet:

Nun werden an allen Linienschnittpunkten mit Hilfe eines Akkuschraubers Löcher mit einem Durchmesser von max. 3mm gebohrt:

Die Platte wird nun erneut abgeschliffen. Als weitere Vorbereitung werden in die Frontplatte zwei Löcher für den Ein/Aus-Schalter, sowie die Netzteilbuchse gesägt. Nach diesem Vorgang die Frontplatte ebenfalls sauber abschleifen. Als nächstes werden nun drei Seitenplatten mit dem Holzleim miteinander verklebt und diese auf die untere Grundplatte aufgeklebt. Es empfiehlt sich die Platten nacheinander zu verkleben, diese einzuspannen und zu warten bis der Kleber getrocknet ist. Verklebt man alle Platten auf einmal, kann es dazu kommen, dass bestimmte Teile nicht fest verbunden sind, oder schief aneinander kleben.

Anmerkung: Im Bild sind kleine Kanthölzer zu sehen, die mit der Seitenwand verklebt sind. Diese sind nicht unbedingt notwendig, helfen aber beim Klebeprozess. Nun werden alle Teile nach Belieben mit Farbe besprüht. (Trocknungsdauer des Lacks beachten) Ist die Obere Platte getrocknet wird diese nun mit dem Würfel verbunden. Dieser Prozess ist etwas "fummelig" da es hier gilt 72 nicht unbedingt exakt gerade Drähte in 72 kleine Löcher zu platzieren. Da ich Befürchtungen hatte, dass ich etwas verbiegen könnte, habe ich mich dafür entschieden, den Würfel und dessen Beinchen von oben auf die Platte zu setzen. Man kann das aber genauso gut auch andersrum machen.

Sind alle Beinchen in den Löchern sieht das Ergebnis so aus:

Nun richtet man die Grundplatte und den Würfel exakt waagrecht aus. Der Umstand, dass ein paar Beinchen nicht exakt gerade sind, hilft hier wieder sehr gut, denn so wird die Platte in Position gehalten. Ist die Platte ausgerichtet sichern wir diese Position mit Hilfe mehrerer Klebetropfen aus der Heißklebepistole:

Nun müssen die Anoden und Kathoden des Würfels verdrahtet werden. Da man durch das Verkleben des Gehäuses nach diesem Schritt nicht mehr so gut an diese Stellen herankommt ist hierbei absolute Sorgfalt und ein abschließender Test empfehlenswert! Zunächst werden vom Flachbandkabel 8 Kabelstücke mit der Länge 40cm und 1 Kabelstück mit der Länge 20cm abgelängt. Da das Flachbandkabel 10 Adern hat, wir jedoch nur 8 benötigen, werden von den Kabelstücken jeweils die letzten beiden Adern entfernt.

WICHTIG: Nicht vom rötlich markierten ersten Kabel, sondern hier die Kabel 9+10 entfernen! Alle Adern werden nun abisoliert und mit Lötzinn benetzt. Nun längt man vom 0,8mm Silberdraht 144 2cm lange Stückchen ab (Verfahren aus vorhergenden Schritten bekannt) und verlötet diese mit jeweils einer Ader der 144 abisolierten Kabelenden.

Die so verlöteten Stellen schützen wir noch mit kleinen Schrumpfschläuchen, damit später auf keinen Fall ein kleiner Haardraht aus den Flachbandkabeln einen Kurzschluss verursachen kann. Ist dies erledigt werden jeweils 2 der 8 längeren Flachbandkabel an eine Doppelstiftleiste (2*10-polig) angelötet. Auf den Stiftleisten sollte mit dem rot markierten Draht begonnen werden, bis zum 8ten Draht. Die Stiftleisten sind nun jeweils mit 2 Flachbandkabeln verlötet, wobei beide Flachbandkabel mit der rot markierten Ader in die gleiche Richtung zeigen:

Nun verklebt man die 8 Anoden Flachbandkabel mit der Gehäuseplatte und verlötet alle Drähte mit den Anoden. Damit die Schubladentechnik später funktioniert bitte auf die "richtige" Seite achten. Schubladenfront ist dort wo die acht Kathodenanschlüsse sind.

Die 8 Flachbandkabel werden so verklebt, dass sich diese beim Einschub der Schublade von selbst zusammenkrümmen. Das Endergebnis sieht dann so aus: (Testen der LEDs und Kabel nicht vergessen!)

Nun sind alle Vorbereitungen für das Zusammensetzen und Verkleben des Gehäuses getroffen. Das Endergebnis sieht nun so aus:

Damit der Würfel vor Staub geschützt ist, empfiehlt es sich noch eine Haube aus Bastlerglas zu erstellen. Die Bearbeitung von Bastlerglas ist recht einfach: Es kann angeritzt und gebrochen werden. Entsprechend meiner Abmessungen habe ich mir eine Haube mit den Maßen 23cm*23cm*25cm erstellt.

Nach dem Ausbrechen der Teile werden diese dann noch leicht angeschliffen, falls doch noch kleine Überstände vom Brechen geblieben sind. Danach werden die Teile dann einfach mit Modellbaukleber/Plastikkleber verklebt:

Sobald der Kleber trocken ist nun vorsichtig die Folie abziehen und auf das Würfelgehäuse setzen:

Hinweis: Es empfiehlt sich noch kleine Holzstückchen in die Ecken der Würfelgrundplatte zu setzen, um die Schutzhaube vor dem Verrutschen zu sichern. Der Bau des Gehäuses und die Verdrahtung des Würfels sind nun abgeschlossen.

07 / Erstellung der Steuerplatinen

Dieser Post beschreibt die Erstellung der Steuerplatinen (Kathodensteuerung/Anodensteuerung). Benötigtes Material Kathodenplatine (Ebenen): Lochrasterplatine 10cm*7,5cm, Schaltdraht (starr 0,8mm) blau/schwarz/rot/gelb, Lötzinn, 1 Darlington Arrays ULN2803A, 1 Feinsicherung 5*20mm mittelträge 1,0A, Feinsicherungshalter, 1 IC Sockel 18-polig, 2 2*10 polige Buchsenleiste RM 2,54, Schrumpfschläuche

Benötigtes Material Anodenplatine: Lochrasterplatine 10cm*20cm, Schaltdraht (starr 0,8mm) blau/schwarz/rot/lila/gelb, 64 Kohleschichtwiderstände 1/4W 5% 100Ohm, 8 Schieberegister 74HC595, Lötzinn, 8 IC Sockel 16-polig, 5 2*10 polige Buchsenleiste RM 2,54 (Details siehe Teileliste) Benötigtes Werkzeug: Kreuzpinzette, Spitzzange, Seitenschneider, Rohrzange, Schraubstock, Lötstation, Permanentmarker, Abisolierzange (Details siehe Werkzeugliste) Steuerplatine Kathodensteuerung: Die Kathodenplatine dient, wie der Name schon sagt, der Ansteuerung der Kathoden. Da es sich hier um "Minus"-Strom handelt benötigt man ein Darlington-Array. Weiterhin ist diese Platine dazu da, den benötigten "Gesamtstrom" durchzuleiten und abzusichern.

Oben ist die erste Buchsenleiste angelötet. In diese wird später das Kathoden-Flachbandkabel gesteckt. Die Markierungen 1 und 8 zeigen die Richtung an, wobei 1 der rot markierten Ader entspricht. Von der Buchsenleiste aus, werden diese Anschlüsse an den IC-Sockel des Darlington Array (Ausgangskanäle) weitergeleitet. (Siehe Beispiel-Datenblatt des ULN2803A) Die Eingangskanäle des Darlington werden mit einer Buchsenleiste zum Arduino verlötet. (rechts im Bild, kurze gelbe Drähte) Im unteren Bereich des Bildes sind die vom Arduino kommenden Plus- und Minus- (GND) Leitungen zu sehen. Die Leitungen kommen von rechts vom Arduino und gehen links im Bild dann zur Anodenplatine.

Wichtig: Die Plus-Leitung UNBEDINGT mit 1A absichern, der Arduino Uno sollte keinesfalls mit mehr als 1A Stromabnehmern belastet werden! Schaltplan der Kathodensteuerung:

Steuerplatine Anodensteuerung: Die Steuerplatine zur Ansteuerung der Anoden ist ungleich (zeit-)aufwändiger und schwieriger als die Kathodenplatine. Bevor man einfach so drauf los-bestückt/-lötet, sollte man zuerst einmal grob abmessen, wieviel Platz was auf der Platine beanspruchen wird. Zentrale Elemente dieser Platine sind die mit den Vor-Widerständen (64 Stück) bestückten Ausgänge (Buchsenleisten) zu den LEDs des Würfels, sowie die IC-Sockel für die Schieberegister. Im nachfolgenden Bild ist die Aufteilung der Bauelemente auf der Platine, sowie die Einzeichnungen für die noch zu bohrenden Befestigungslöcher der Platine zu sehen:

Zu beachten ist hier: Die IC-Sockel sind abwechselnd um 180° gedreht auf die Platine gesetzt. Dies habe ich so gemacht um die Ausgänge zweier nebeneinanderliegender Shiftregister immer zwischen zwei Buchsenleisten anlöten zu können.

Alle Bauelemente werden nun mit der Platine verlötet. Die Löttemperatur kann und sollte hier auf 300°C erhöht werden. So lötet es sich sehr viel angenehmer und auch vertragen die Bauelemente die Hitze besser als die LEDs. Sind die Bauelemente verlötet sieht die Platine von unten nun wie folgt aus:

Als nächstes folgt nun die Verdrahtung der Platine. Die Schieberegister müssen verkettet und mit Strom versorgt werden. Weiterhin müssen die Ausgänge der Schieberegister mit den Vorwiderständen verknüpft werden und die Steuerleitungen vom Arduino Uno an die Register angelegt werden. An dieser Stelle empfiehlt es sich das Schieberegister und seine Funktion im Einzelnen, sowie auch in Reihe geschaltet einmal genauer hier anzusehen: bildr.org --> 74HC595

Im Bild oben ist die fertig verlötete Platine von oben zu sehen. Die nachfolgende Beschreibung gibt nicht die Reihenfolge der Verdrahtung wieder. Hier sollte sich jeder selbst einen Plan zurechtlegen, wie er am günstigsten an die benötigten Stellen der Schieberegister kommt ohne sich im Nachhinein den Zugang zu einem anderen Pin der Schieberegister zu blockieren. Die blauen Drähte gehen von den Ausgängen der Schieberegister zu den Vorwiderständen. Gut zu sehen ist, dass die Pins Qb - Qh (oder Q1-Q7) jeweils auf einer Seite eines Registers liegen, Qa (oder Q0) immer auf der gegenüberliegenden Seite.

Über den lila Draht kommen die Bits vom Arduino in das Schieberegister. Der lila Draht ist auf meiner Platine mit "SI" = Serial Input bezeichnet, in Datenblättern oder anderen Anleitungen ist aber auch die Bezeichnung SER oder DS zu finden. Die SI Leitung geht in das erste Schieberegister (im Bild links) an den Pin SI. Vom ersten Schieberegister (S1) zum zweiten Register (S2) geht der Draht vom Pin Qh' (S1) zum Pin SI (S2). Dieser Vorgang wird bis zum achten Schieberegister fortgesetzt. Der schwarze Draht verbindet die RCLK Pins der Schieberegister (Auf der Platine falsch mit SCK bezeichnet). Wie auf dem Bild zu sehen werden diese Pins von allen Schieberegistern zusammen auf einen Draht geleitet. Wird dieser Pin vom Arduino auf High gesetzt, werden die Ausgänge mit Strom versorgt, nach den in den Schieberegistern gespeicherten Werten. Der gelbe Draht verbindet die SRCLK Pins der Schieberegister (Auf der Platine falsch mit RCK bezeichnet). Wie auf dem Bild zu sehen werden diese Pins von allen Schieberegistern zusammen auf einen Draht geleitet. Wird dieser Pin vom Arduino auf High gesetzt, schalten alle Schieberegister die gespeicherten Werte eins nach rechts und der nächste Wert kann eingetragen werden (über den lila Draht). Auf der Platine ist unten noch eine Buchsenleiste angebracht, über welche die Steuerleitungen, sowie auch die Stromversorgung (kommt von der Kathodenplatine) der Platine stattfindet.

Die oben dargestellten Bilder zeigen die Rückseite der Platine. Die Plus- und Minus- (GND) Pole der Schieberegister werden jeweils alle miteinander verbunden und mit der zentralen Stromversorgung (roter und blauer Draht) des Boards verknüpft. Unten rechts im Bild sind die längeren Steuer-Drähte (schwarz/gelb/lila). Auch diese Platine ist nun fertig zum Einbau in das Gehäuse. Schaltplan der Anodensteuerung:

08 / Einbau der Platinen in das Gehäuse In diesem Post beschreibe ich den Einbau und die Verbindung der Platinen und des Arduinos in das Gehäuse. Außerdem wird der Anschluss der Stromversorgung und der Bedienelemente beschrieben. Benötigtes Material: Kantholz 1cm*1cm*50cm, Holzleim, vorbereitete Schubladenholzteile, Netzschalter, Netzteilbuchse, Steuerplatinen, Arduino, Schrauben, Lötstation, Lötzinn, Steckernetzteil 9V >1A, Netzteilstecker passend für Arduino Uno Eingang, 2 Kabelschuhe, Flachbandkabel bunt 10-adrig, Heißluftpistole, Schrumpfschläuche, Silberdraht 0,8mm, 12 kleine Schrauben, Schaltdraht 0,8mm in rot, blau, schwarz, lila und gelb (Details siehe Teileliste) Benötigtes Werkzeug: Stichsäge, Holzfeile, Schleifpapier, Lineal, Winkel, Bleistift, Akkuschrauber, Bohrer 3mm, Schraubendreher, Spannzange, Abisolierzange (Details siehe Werkzeugliste)

Zunächst legt man die zwei angefertigten Platinen und den Arduino so auf das Schubladenunterteil, dass die große Platine "hinten" ist und die kleinere und der Arduino "vorne". Nun werden mit dem Bleistift die ungefähren Positionen aller Befestigungslöcher auf den Platinen auf das Holz übertragen. Nun werden aus dem Kantholz 1cm*1cm*1,5cm lange Stücke in der benötigten Anzahl mit Hilfe der Stichsäge abgesägt. Zur Befestigung der Schubladenfront trennen wir noch ein etwa 20cm langes Stück ab. Alle Teilstücke werden nun mit der Holzfeile oder dem Schleifpapier entgratet bzw. glattgeschliffen. Weiterhin bohren wir mit dem Akkuschrauber in jedes der kleinen Stücke ein Loch zur späteren Aufnahme der Schrauben. Die kleinen Kanthölzer mit Holzleim auf die vorher gekennzeichneten Positionen geklebt und mit der Spannzange fixiert. Beim Kleben allgemein sollte man sich ein wenig Zeit nehmen. Wartet man zu kurz oder spannt nicht richtig fest, kleben die Teile nicht richtig an. Das lange Kantholz wird auf den vorderen Teil der Schublade geklebt. Sind alle Teile aufgeklebt wird die Schubladenfront mit der Unterplatte und dem Kantholz verklebt. Nun werden alle Platinen mit der Schublade verschraubt. Als nächstes werden die benötigten Verbindungs- und Stromkabel angefertigt. Stromverbindungskabel: (Versorgung der Platinen) Es werden zwei Stromverbindungskabel benötigt. Eines vom Arduino zur Kathodenplatine (Kabel S1) und eines von der Kathodenplatine zur Anodenplatine (Kabel S2). Die Herstellung der Kabel ist denkbar einfach. Es werden jeweils ein roter und ein blauer Draht benötigt. Diese werden abisoliert und mittels Schrumpfschlauch zu einem "Kabel" verbunden. Das Kabel S1 besteht aus Drähten von 10cm Länge. Das blaue Kabel kommt auf dem Arduino in den GND Pin, das rote Kabel in den 5V Pin. Auf der Kathodenplatine wird dieses Kabel an den markierten Plus (rot) und GND (schwarz) Leitungen angelötet. Das Kabel S2 besteht aus Drähten von 20cm Länge. Auf der Kathodenplatine wird dieses Kabel an der ggü. liegenden Seite mit den markierten Plus (rot) und GND (schwarz) Leitungen angelötet. Das andere Ende des Kabels wird in die passenden Pins der Eingangsbuchse (Polarität beachten) auf der Anodenplatine eingesteckt.

Bild dazu: (Kabel S1 = schwarzer Schrumpfschlauch; S2 = gelber Schrumpfschlauch)

Gesamtstromversorgung: Als Gesamtstromversorgung bezeichne ich die Eingangsbuchse für das Netzteil, den Ein/Aus-Schalter des Würfels sowie die Versorgung des Arduinos. Bei diesem Schritt sollte mit allergrößter Vorsicht gearbeitet werden! Grund: Sollte hier die Polarität vertauscht werden und das falsch gefertigte Kabel an den Arduino angeschlossen werden, muss mit großer Wahrscheinlichkeit ein neuer Arduino gekauft werden! ;-) Nun zum Aufbau: Vom 5V Netzteil, welches zum Testen der LEDs verwendet wurde, ist ein passender 2,1mm Stecker übrig geblieben. Von diesem isoliert man nun vorsichtig die Kabel ab und benetzt diese mit Lötzinn. Als nächstes stellt man zwei "Plus"-Kabel aus ca. 6cm langem Draht her, welche an beiden Enden abisoliert werden und an einem Ende jeweils ein Kabelschuh zur Verbindung mit dem Ein/Aus-Schalter angeklemmt und verlötet wird. Nun müssen die Buchse sowie der vorbereitete Stecker mit einem Netzteil und einem Messgerät ausgemessen werden, um die Polaritäten der jeweiligen Anschlüsse festzustellen. Am besten markiert man nach Feststellung die Entsprechenden Anschlüsse mit einem roten bzw. schwarzen Stift.

Nun werden alle Teile miteinander verlötet (am besten auch noch mit Schrumpfschläuchen isolieren!) und zusammengesteckt. Siehe Bild unten:

Kathodenflachbandkabel bunt: (Kathoden 1-8) Das Kathodenkabel zum Arduino hin besteht aus einem ca. 20cm langen bunten Flachbandkabel. Auch von diesem Flachbandkabel werden 2 Adern entfernt, da nur 8 benötigt werden. Das Kabel geht von der Eingangsbuchse der Kathodenplatine (Eingang zum Darlington 1-8) zum Arduino zu den (Digital-)Pins 2-9. Die Farbcodierung ist wie folgt:

Farbe Kathodenplatine-Pin Arduino-Pin

schwarz 1 2

weiß 2 3

grau 3 4

lila 4 5

blau 5 6

grün 6 7

gelb 7 8

orange 8 9

Die Enden des Flachbandkabels werden auf beiden Seiten abisoliert, etwas auseinandergezogen und mit Lötzinn benetzt. Nun werden wieder 16 1,5cm lange Silberdrähte erstellt und an die Enden angelötet. Jede einzelne Ader des Flachbandkabels wird nun wieder mit einem kurzen Schrumpfschlauch isoliert, sodass nur noch eine maximal 1cm lange Drahtspitze herausschaut.

Bild dazu:

Steuerkabel zur Anodenplatine: (SI/RCLK/SRCLK) Das Steuerkabel zur Anodenplatine besteht aus 3 ca. 15cm langen Drähten. Und geht von der Buchse auf der Anodenplatine (darauf achten wo ihr welche Farbe an der Buchse verlötet habt) aus zum Arduino an die (Digital-)Pins 10 (schwarz), 11 (lila) und 13 (gelb). Die Fertigung des Steuerkabels ist sehr einfach. Alle Enden der Drähte werden abisoliert und zusammen in einen Schrumpfschlauch (im Bild schwarz) gesteckt. An einer Seite alle Drähte festhalten und auf gleiche Höhe bringen. Nun mit der Heißluftpistole den Schlauch erwärmen bis er sich zusammenzieht. Zu guter Letzt verbinden wir nun die Kathoden- und Anodenkabel (Flachbandkabel vom Würfel kommend) mit den beiden Platinen. Die fertiggestellte Schublade sieht nun so aus:

09 / Die Arduino Software und das erste Testprogramm

Nach Abschluss der vorhergehenden Schritte ist der Würfel nun endlich komplett. ;-) Nun beginnt der "Software"-Teil der Erstellung des LED Würfels, der ihn dann endlich so richtig schön blinken lässt. Als ersten Schritt muss die Arduino Software heruntergeladen werden. Der Link der offiziellen Arduino Seite für den Download ist dieser: http://arduino.cc/en/main/software Zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Posts ist die Version 1.0.5 aktuell. Nach dem Download der Datei, diese Ausführen und in das gewünschte Verzeichnis installieren. Die Software mit Klick auf "arduino.exe" starten es sollte nun folgendes Fenster am Bildschirm erscheinen:

Nun wird der Arduino per USB-Kabel mit dem PC verbunden. Es sollte sich ein Hinweisfenster auf die Installation des Gerätetreibers öffnen:

Ist dieser Vorgang abgeschlossen, sollte sich im Programmfenster im Menü "Tools" nun ein zweiter COM-Port befinden. Dies ist der vom Arduino Uno verwendete virtuelle Com-Port.

(Bei mir ist dies COM3) Die Geräteinstallation ist nun abgeschlossen. Wie schon in meinem ersten Blogpost erwähnt habe ich mir als Vorlage diese Webseite herangezogen. Von dort ist auch der Code des ersten Testprogrammes, das auch in meinem ersten Video zum Würfel zu sehen ist (Code folgt weiter unten). Um dieses Testprogramm jedoch auf dem Arduino zum laufen zu bringen, wird noch eine Timer-Bibliothek für den Timer1 benötigt, welche hier heruntergeladen werden muss: TimerLib. Direkter Link: http://code.google.com/p/arduino-timerone/downloads/list Die "Installation" der Timer-Bibliothek ist sehr einfach. Einfach die soeben heruntergeladene Zip-Datei in den Arduino-Software Ordner unter Arduino/libraries/Timer1 entpacken. (Der Ordner libraries sollte bereits existieren!) Um die neue Bibliothek einzubinden, sollte die Arduino-Software nun einmal geschlossen und erneut geöffnet werden. Als nächstes wird nun der Code, welcher hier gespeichert ist in das Sketch-Fenster kopiert. Das sollte nun wie folgt aussehen:

Als nächstes wird der Code kompiliert. Dazu den Button mit dem Haken drücken (links oben im Fenster). Wenn ihr den Code richtig kopiert und die Timer Bibliothek richtig eingebunden habt, sollte im unteren Ausgabefenster nun folgende Meldung erscheinen:

Nun laden wir das Programm auf den Arduino. Dazu nun einfach auf den "Upload"-Button (Pfeil nach rechts) rechts neben dem Compiler Button drücken. Der Upload dauert ein paar Sekunden. Ist dieser abgeschlossen, erscheint die Meldung "Upload abgeschlossen" und im

selben Moment sollte euer Würfel nun endlich zeigen was er kann. Das Ergebnis sollte nun so aussehen:

http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=hXavlF0_cg0

Damit ist diese Anleitung zum Bau eines 8x8x8 LED Würfels mit einem Arduino Uno abgeschlossen. In den noch folgenden Posts werde ich auf Erweiterungen in der Programmierung meines Würfels hinweisen bzw. eventuell noch Links zu weiterem Code oder Videos dazu einstellen. Ich hoffe diese Anleitung hat euch beim Bau eures Würfels helfen können und ihr habt/hatte Spaß dabei euren Würfel zu bauen und nun, mit dem "Aufblitzen" eures Würfels ein Erfolgserlebnis. ;-)