Светодиодный куб 5x5x5 на микроконтроллере PIC16F877A-I/P

В радиолюбительской литературе и Интернете можно найти немало различных описаний светодиодных кубов. Автор этой статьи предлагает ещё один несложный по схеме вариант. В нём реализованы десять сменяющихся циклически придуманных автором световых эффектов плюс поздравление с Новым годом, адресованное любимой женщине.

Устройство, управляющее свето­диодным кубом, собрано на мик­роконтроллере PIC16F877A-I/P по схеме, изображённой на рис. 1. Пи­тают его и куб от любого источника по­стоянного напряжения 9…16 В. Ток по­требления — не более 200 мА. Напря­жение +5 В для питания микроконтрол­лера DD1 получено с помощью интег­рального стабилизатора напряжения DA1, конденсаторы С2, С4, С5 — блоки­ровочные. Работа микроконтроллера синхронизирована внутренним такто­вым генератором, частота которого стабилизирована кварцевым резонато­ром ZQ1 на 4 МГц.

Рис. 1

Куб состоит из пяти горизонтальных «уровней”. В каждом из них по 25 светодиодов, размещённых квадратом 5×5. Схема пятого (верхнего) уровня показа­на на рис. 2. Остальные построены по таким же схемам и различаются только позиционными номерами светодиодов. Соединённые вместе катоды светодио­дов каждого уровня подключены к кол­лекторам транзисторов VT1—VT5. Схе­ма ключа на транзисторе VT5 отличает­ся от остальных, поскольку выход RA4 микроконтроллера, который управляет этим ключом, построен по схеме с от­крытым стоком.

Рис. 2

Аноды светодиодов, занимающих одинаковые позиции на каждом уров­не, соединены вместе и подключены к выводам портов В, С, D и выводу RA3 микроконтроллера (всего 25 выводов) через ограничивающие ток резисторы R9—R33. Светодиод HL1 подключён к микроконтроллеру через ограничитель­ный резистор R4. Резистор R1 поддер­живает на входе RA0 микроконтроллера высокий логический уровень напряже­ния, когда кнопка SB1 не нажата. Нажа­тием на эту кнопку прекращают смену световых эффектов, о чём сигнализиру­ет включение светодиода HL1. Все све­тодиоды куба при этом выключаются. С повторным нажатием на кнопку гаснет светодиод HL1, а чередование свето­вых эффектов возобновляется.

Программа микроконтроллера напи­сана на языке ассемблера. Реализация светового эффекта начинается с фор­мирования включёнными светодиода­ми куба некой геометрической фигу­ры, которая затем вращается, пере­двигается в ту или иную сторону либо деформируется. Изображение созда­ётся динамически.

Сначала по команде микроконтрол­лера открывается транзистор VT5, со­единяя с общим проводом катоды све­тодиодов HL102—HL126 первого (самого нижнего) уровня куба. В соот­ветствии с кодом, установленным в этот момент на выходах RA3, RB0— RB7, RC0—RC7, RD0—RD7, включают­ся те светодиоды этого уровня, кото­рые нужны для формирования прихо­дящейся на него части кадра изобра­жения. Спустя 2 мс транзистор VT5 закрывается, устанавливается код для светодиодов второго уровня и откры­вается транзистор VT4. За 10 мс изоб­ражение кадра формируется пол­ностью, причём за счёт инерционности зрения чередование включённых уров­ней остаётся незаметным. Далее ана­логично создаётся изображение сле­дующего кадра с новым положением геометрической фигуры и так далее до завершения эффекта.

Длительность одного светового эф­фекта — 4,3 с. Все десять записанных в памяти микроконтроллера эффектов и текстовое поздравление с Новым годом воспроизводятся по очереди. Поскольку программная память микроконтрол­лера полностью не заполнена, число световых эффектов можно увеличить, доведя его до 30—40.

Рис. 3

Устройство управления кубом со­брано на печатной плате из фольгированного с одной стороны стеклотексто­лита толщиной 1,5 мм. Чертёж печат­ных проводников платы — на рис. 3, а расположение элементов на обеих её сторонах — на рис. 4. Плата рассчитана на установку резисторов и керамиче­ских конденсаторов типоразмера 0805 для поверхностного монтажа. Оксид­ные конденсаторы С2 и С4 — обычные с проволочными выводами. Интеграль­ный стабилизатор LM7805 снабжён пластинчатым теплоотводом с площа­дью охлаждающей поверхности 6 см². Для микроконтроллера предусмотрена панель, в которую его нужно вставлять уже запрограммированным.

Рис. 4

Плата помещена в пластмассовый кор­пус Z28 размерами 119×143,3×37,4 мм. Куб из светодиодов синего цвета свече­ния установлен на верхней панели кор­пуса, а зелёный светодиод HL1, кнопка SB1 и разъём питания — на его лицевой панели (рис. 5).

Рис. 5

Для сборки куба нужно подготовить шаблон из отрезка доски, в котором по сетке с шагом 25×25 мм просверлены 25 отверстий диаметром 5 мм (по диа­метру корпуса светодиода). Нужны так­же две деревянные распорки высотой 24 мм, длиной около 140 мм и шириной около 15 мм.

Вставьте 25 светодиодов в от­верстия шаблона, отогните катодный вывод каждого из них в сторону сосед­него в ряду и спаяйте эти выводы между собой. Ряды катодных выводов соеди­ните поперечными отрезками жёсткого неизолированного провода. Получив­шийся квадрат — один уровень куба. Нужно изготовить пять таких квадратов.

В верхней панели корпуса устройст­ва просверлите с шагом 25×25 мм сетку отверстий диаметром 1… 1,5 мм и про­пустите в них анодные выводы свето­диодов квадрата, который будет ниж­ним уровнем куба. Затем положите деревянные распорки между крайними рядами светодиодов. Они нужны, чтобы строго выдержать расстояние 25 мм между уровнями. Уложите на них вто­рой квадрат и припаяйте анодный вы­вод каждого образующего его свето­диода к анодному выводу находящего­ся под ним светодиода предыдущего уровня. Выводы необходимо предвари­тельно изогнуть соответствующим об­разом, чтобы светодиоды нового уровня находились над соответствующими светодиодами предыдущего с минимальным смещением.

Перенося распорки на каждый вновь смонтированный уровень, описанным выше способом установите третий, чет­вёртый и пятый уровни. Если применён­ные светодиоды имеют недостаточно длинные для непосредственного со­единения выводы, то соединять их по горизонтали и вертикали можно отрез­ками жёсткого неизолированного про­вода, обрезав сами выводы до мини­мальной необходимой длины.

К соединённым катодам светодио­дов каждого уровня припаяйте отрезки тонкого гибкого изолированного прово­да и также пропустите их внутрь корпу­са через просверленные в его верхней панели отверстия. Остаётся присоеди­нить провода от катодных и анодных выводов светодиодов к контактным пло­щадкам печатной платы в соответствии со схемой.

Архив к проекту (файл печатной платы в формате Sprint Layout 5.0 и программа мик­роконтроллера).

Автор: В. ТУРЧАНИНОВ, г. Севастополь
Источник: журнал Радио №12, 2015