制作CUBE8光立方3D立方體LED顯示器

如本文題圖所示，CUBE8是一個(gè)長、寬、高由8×8×8個(gè)LED燈組成的真實(shí)3D立方體顯示器。其最大的特點(diǎn)，就是帶給你未來3D技術(shù)的科技體驗(yàn)。光立方并非我的首創(chuàng)，在網(wǎng)上早有光立方的視頻。許多電子愛好者，看過這些視頻之后，都會(huì)被其超酷的3D顯示效果所震撼，我就是其中之一，于是我也想仿制一個(gè)玩玩。在網(wǎng)上搜索了大量相關(guān)資料后，我卻發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)上各種版本的光立方的制作方法都很復(fù)雜，不僅需要很強(qiáng)的動(dòng)手能力來組裝512個(gè)排列整齊的LED和金屬支架，還需要有足夠的耐心設(shè)計(jì)一大堆單片機(jī)和驅(qū)動(dòng)芯片，最后還要為硬件成品設(shè)計(jì)顯示程序，好讓光立方動(dòng)起來。這樣看來，不是高級(jí)焊接技師兼資深單片機(jī)工程師的“小菜”們，想制作出一個(gè)拿得出手的光立方，還不如直接購買我精簡(jiǎn)設(shè)計(jì)的光立方套件。對(duì)，我要為電子制作愛好者設(shè)計(jì)一款只許極少元器件、制作簡(jiǎn)單、能讓初學(xué)者也可以制作出來的規(guī)范、美觀的光立方套件。當(dāng)我這么想的時(shí)候，我那天馬行空的大腦開始運(yùn)轉(zhuǎn)，在想像力的世界里設(shè)計(jì)著前所未有的光立方。

首先這個(gè)光立方必須制作簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)單到整機(jī)只有一個(gè)芯片。然后要保證制作美觀，將動(dòng)手能力導(dǎo)致的美觀差異降到最低。在保證以上兩點(diǎn)的情況下，如果還可以讓它的功能強(qiáng)大，且有愛好者自由發(fā)揮的空間，那么我的光立方將會(huì)是一個(gè)完美的設(shè)計(jì)——至少我自己這樣認(rèn)為。

功能方面，它除了要能顯示3D圖形，還需要有多級(jí)亮度和速度調(diào)整，最好可以有音頻顯示功能，像DIS.MUSIC21音樂顯示器一樣。當(dāng)然，還要為單片機(jī)愛好者設(shè)計(jì)一個(gè)用戶自定義圖形功能，連接普通的單片機(jī)就可以顯示出愛好者自己編寫的圖形。這樣，不僅讓光立方的顯示更豐富，而且從中又鍛煉了愛好者的3D編程能力。最后，還要用高質(zhì)量的設(shè)計(jì)、材料和生產(chǎn)工藝，讓品質(zhì)對(duì)得起硬件的精簡(jiǎn)設(shè)計(jì)。用炫酷、連貫、有節(jié)奏的圖形效果，讓顯示效果對(duì)得起高品位要求的觀眾。這么經(jīng)典的設(shè)計(jì)，需要一個(gè)簡(jiǎn)潔、響亮的名字，立方體的英文單詞是Cube，又因?yàn)槲乙谱?×8×8的3D顯示陣列，所以綜合得名--CUBE8光立方。

黑色鏡面鍍金PCB板和高亮藍(lán)光霧面LED燈，如下圖所示。

一、特點(diǎn)介紹

* 8×8×8LED陣列3D光立方體顯示器。
* 獨(dú)特的精簡(jiǎn)設(shè)計(jì)方案，電路簡(jiǎn)潔，功能強(qiáng)大。
* 黑色鏡面PCB、全鍍金焊盤和LOGO，全面高端品質(zhì)。
* 高亮藍(lán)色霧面LED燈，達(dá)到光立方出色的/卓越的/優(yōu)異的/杰出的視覺效果。
* 連貫圖形顯示效果，渾然一體，一氣呵成。
* 混合式觸摸電源和模式按鍵，操作更穩(wěn)定。
* 電源具有常開、常關(guān)、光線自動(dòng)控制方式。
* 顯示模塊有快速、中速、慢速三擋設(shè)置。
* 4擋亮度的夜燈模式，可營造你的室內(nèi)氣氛。
* 2種音頻顯示模式，可隨音頻同步顯示，給你炫酷體驗(yàn)。
* 具有“精簡(jiǎn)I2C”接口，全開放式用戶自定義操控。
* 創(chuàng)新設(shè)計(jì)的LED陣列制作模板，讓LED陣列制作簡(jiǎn)單快速。

二、開始制作

把想像變成現(xiàn)實(shí)是一個(gè)漫長而艱難的過程，我的團(tuán)隊(duì)耗時(shí)3個(gè)月才完成了CUBE8的開發(fā)，光設(shè)計(jì)工作就花了1個(gè)月的時(shí)間。當(dāng)然，哪個(gè)產(chǎn)品都是費(fèi)時(shí)費(fèi)力才完成的，所以我沒有必要在文章里大述甘苦。既然我們已經(jīng)完成了，那就秀一下成果吧。
在開始閱讀和制作之前，請(qǐng)你做好心理準(zhǔn)備，因?yàn)橹谱鞯倪^程極具創(chuàng)意和啟發(fā)。只要你是一名狂熱的電子愛好者，你的熱情將會(huì)被CUBE8光立方的創(chuàng)新設(shè)計(jì)所激發(fā)。

四、元器件清單

序號(hào)	名稱	型號(hào)	數(shù)量	說明
1	pcb	黑色鏡面鍍金	2片	底板、立板各1片
2	led燈	高亮藍(lán)色霧面	512個(gè)	扁平長引腳式
3	單片機(jī)	12c5a60s2	1片	lqfp48貼片封裝
4	白光led	0805貼片	1個(gè)	制作呼吸燈
5	轉(zhuǎn)接針孔	軍品鍍金	128個(gè)
6	3m腳墊		6個(gè)
7	雙排排孔	80pin	1條
8	雙排彎針	80pin	1條
9	miniusb接口	貼片式	1個(gè)
10	光敏電阻	5506型	1個(gè)
11	電容	0.1μf	1個(gè)	濾波電容
12	音頻線	3.5mm立體聲	1條	1.5m長
13	miniusb線		1條	miniusb轉(zhuǎn)usb-a，1.5m長
14	音頻分線器*	一分二	1個(gè)	（選配元器件，可根據(jù)實(shí)際情況選擇或舍去）
15	usb電源*	5v	1個(gè)	（選配元器件，可根據(jù)實(shí)際情況選擇或舍去）

五、制作過程

第1步：焊接單片機(jī)
CUBE8采用了精簡(jiǎn)設(shè)計(jì)，所以核心電路部分只有一個(gè)單片機(jī)和一個(gè)濾波電容，我想不會(huì)有比這再簡(jiǎn)單的電路設(shè)計(jì)了吧。在制作CUBE8的過程中，首先要完成的就是核心電路部分，它的品質(zhì)直接關(guān)系到整個(gè)制作。CUBE8使用的單片機(jī)是LQFP48貼片封裝的，體積很小，也為焊接帶來了一定的難度。焊好后，用黑色絕緣膠帶把芯片和電容包好，即美觀又安全。

第2步：焊接排孔
把套件中雙排排孔插入PCB底板的正面，PCB底板的背面焊接引腳。

第3步：焊接LED呼吸燈
這個(gè)貼片式呼吸燈也算是CUBE8的一個(gè)創(chuàng)新設(shè)計(jì)了。在PCB上打一個(gè)孔，然后把貼片LED塞進(jìn)去。不破壞PCB正面的整潔效果，又可以照亮孔周圍的PCB，讓它更漂亮。

第4步：焊接光敏電阻和miniUSB接口

第5步：焊接彎排針到立板上
在立板上焊接彎排針是需要一些技巧的。因?yàn)槲以谠O(shè)計(jì)之初就希望立板的正面是不掛錫的，所以必須從背面焊接。但實(shí)際制作中發(fā)現(xiàn)，從立板正面焊接也是可以的，對(duì)美觀的影響不大。

第6步：焊接轉(zhuǎn)接針孔
轉(zhuǎn)接針孔是為了方便LED陣列拆裝而設(shè)計(jì)的，因?yàn)槭侵匾慕硬寮姨匾舛ㄗ隽隋兘鸩馁|(zhì)的，正好可以和鍍金的PCB相得益彰。將立板和底板共128個(gè)轉(zhuǎn)接針孔插入正面，在背面加錫焊接。

第7步：貼3M腳墊
這里我選用的是3M高粘合度透明腳墊。大家可能感覺腳墊是一個(gè)不起眼的東西，可是不好的腳墊容易脫落，有時(shí)還會(huì)有高低不平的情況。所以腳墊的質(zhì)量也要對(duì)得起整機(jī)的高品質(zhì)。

第8步：將立板插到底板上
貼好了腳墊，就可以組合立板和底板了。將立板的正面朝前，排針、排孔對(duì)齊，插到底板上。保證兩板之間不能有縫隙（或縫隙很?。瑑砂宄?0°垂直。

第9步：使用模板制作LED陣列
這是CUBE8最關(guān)鍵的組件。我們需要8片8×8的LED陣列，可以按照?qǐng)D上的樣式來手工制作，但是這樣做出來的LED陣列很不規(guī)范，而且耗費(fèi)時(shí)間。我之前說過，CUBE8一定要是規(guī)范化、簡(jiǎn)單易制的，為此我開發(fā)出一款很有創(chuàng)意的模板（至少用過模板的人都說有創(chuàng)意）。使用這個(gè)創(chuàng)新模板可以在5～8個(gè)小時(shí)內(nèi)快速完成制作，而且完成的LED陣列都是規(guī)范統(tǒng)一的樣子，幾乎不受焊接水平的影響。

第10步：插接LED陣列
縱向把8片LED陣列插入轉(zhuǎn)接針孔里，插好后適當(dāng)?shù)卣{(diào)整一下陣列間的距離。

CUBE8主體部分制作完成，如下圖所示。

第11步：制作音頻和USB電源復(fù)用線
制作完CUBE8的主體部分之后，我們還需要一條混合功能的USB線。當(dāng)然，如果你不想使用音頻顯示功能，可以直接用一條普通的miniUSB連接線來給CUBE8供電。如果想使用音頻顯示功能，就要跟著我做了。按照“USB接口擴(kuò)展音頻功能電路原理圖”上的接線方法，把音頻線和miniUSB線焊接在一起，用絕緣膠帶包好，最后用熱縮管密封。

USB接口擴(kuò)展音頻功能電路原理圖如下圖所示。

備注：音頻接口與用戶自定義接口不能同時(shí)連接。

第12步：插好接口
把miniUSB接口接在CUBE8上，USB-A接口插在USB電源適配器或電腦的USB接口上，使用音頻分線器將音頻線與音響的音頻輸入線并聯(lián)。到此為止，僅12步就完成了CUBE8的所有制作。接通電源，白色LED燈開始呼吸，輕觸呼吸燈下方的電源鍵，CUBE8閃亮登場(chǎng)。

呼吸燈效果如下圖所示。

六、使用簡(jiǎn)介
非常好，CUBE8在運(yùn)行，一個(gè)真實(shí)的3D魔方。我們可以通過2個(gè)觸摸按鍵來操作CUBE8，使用方法非常簡(jiǎn)單。
開機(jī)：
在待機(jī)狀態(tài)下（呼吸燈狀態(tài)下）按下電源鍵（左側(cè)），就可以開機(jī)了。需要注意的是，CUBE8采用了混合式觸摸按鍵技術(shù)，即電平式觸摸和電容式觸摸，同時(shí)檢測(cè)觸摸操作。這樣做既解決了電平式觸摸抗干擾能力差的問題，又解決了電容式觸摸沒有碰到就動(dòng)作的問題。所以，CUBE8的混合式觸摸按鍵需要用一點(diǎn)力按下去才會(huì)動(dòng)作，有一點(diǎn)像電阻式觸摸屏的感覺。

電源鍵、菜單鍵、3號(hào)鍵的操作方法

功能選擇：
按電源鍵開機(jī)，系統(tǒng)會(huì)先進(jìn)行簡(jiǎn)易的三軸壞點(diǎn)掃描，然后就會(huì)彈出菜單。菜單有1（慢速圖形）、2（中速圖形）、3（快速圖形）、A（音頻顯示）、N（夜燈模式）、U（用戶自定義模式）共6個(gè)項(xiàng)目。通過按菜單鍵循環(huán)切換，調(diào)到欲進(jìn)入的菜單項(xiàng)時(shí)，等待2秒鐘就可以進(jìn)入了。在圖形顯示、音頻顯示、夜燈模式和用戶自定義模式中按菜單鍵，都可以跳回到菜單選擇界面。需要注意的是，在CUBE8沒有連接用戶自定義功能板的時(shí)候，U的菜單項(xiàng)是隱藏的。
菜單顯示效果如下圖所示。

圖形顯示模式：
系統(tǒng)自帶的圖形顯示模式有慢、中、快三種速度，分別對(duì)應(yīng)1、2、3這三個(gè)菜單項(xiàng)。慢速顯示可以配合一些輕音樂，中速可以配合流行音樂，快速可以配合搖滾樂等。選擇正確的速度、配合正確的背景音樂，可以達(dá)到非常炫酷的顯示效果。如果你只是想把CUBE8當(dāng)作家居的擺設(shè)來配合“靜音”，那我建議你用慢速顯示就可以了。我實(shí)驗(yàn)過，效果不錯(cuò)。
CUBE8系統(tǒng)自帶的圖形可不一般哦，因?yàn)殚L達(dá)數(shù)分鐘的圖形都是連續(xù)不間斷的。如果把之前網(wǎng)上已有的光立方顯示效果比成一張張切換的圖片的話，那CUBE8的圖形效果就是一部電影（至少是一部小成本DV電影）。圖片是突然切換的，兩張之間沒有任何聯(lián)系——?jiǎng)倓傔€是一個(gè)球，突然就變成方塊了。CUBE8的圖形帶給你的是一氣呵成的效果，每兩個(gè)效果之間是有巧妙的轉(zhuǎn)場(chǎng)的，使顯示的節(jié)奏連貫。另外，CUBE8的顯示還是由點(diǎn)到線、由線到面、由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的推進(jìn)過程。好像電影一樣，有前奏、有高潮、有尾聲。

圖形顯示效果

音頻顯示模式：
如果你想讓CUBE8更直接地配合音樂，那么音頻顯示模式將是你的不二選擇。接好音頻輸入線，進(jìn)入到菜單A項(xiàng)，LED陣列的最下邊的一面常亮，這是基準(zhǔn)顯示。當(dāng)音樂響起，LED陣列就會(huì)以波形的方式顯示音頻。這時(shí)可以按3號(hào)鍵來切換到柱形顯示方式。所謂的3號(hào)鍵，就是先按住菜單鍵不放，再去按電源鍵。按3號(hào)鍵可以在波形和柱形顯示方式之間切換。CUBE8的音頻顯示中同樣使用了DIS.MUSIC3音樂顯示器程序中所使用的自動(dòng)增益控制功能，不用擔(dān)心音量過小而使音柱不能到頂，也不用擔(dān)心音量過大而使音柱一直在頂端不下來。CUBE8會(huì)監(jiān)測(cè)音量變化，自動(dòng)呈現(xiàn)出色的/卓越的/優(yōu)異的/杰出的顯示效果。
夜燈模式：
進(jìn)入到菜單N項(xiàng)即是夜燈模式，夜燈模式就是512個(gè)LED燈全亮，在夜間營造一種浪漫的氣氛，給你的房間帶來一份溫馨?？梢酝ㄟ^按3號(hào)鍵切換4擋的夜燈亮度。
用戶自定義模式：
在連接好用戶自定義板的前提下，進(jìn)入到菜單U項(xiàng)，就可以發(fā)揮你的天才想象力，編寫屬于你自己的圖形了。在本文的最后，我將重點(diǎn)介紹這一功能。
光控模式：
在待機(jī)狀態(tài)下按下菜單鍵（右側(cè)），LED陣列上會(huì)流動(dòng)顯示“AUTO”字樣，就進(jìn)入了光控模式。光控模式的作用是在環(huán)境光線較暗的時(shí)候，CUBE8自動(dòng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，而不會(huì)打擾你夜間休息。當(dāng)環(huán)境光線較強(qiáng)時(shí)，CUBE8自動(dòng)開機(jī)。光控模式采用了雙臨界值采樣，開機(jī)和關(guān)機(jī)是2個(gè)采樣值，所以不會(huì)出現(xiàn)在環(huán)境光不強(qiáng)不暗（處在臨界值）時(shí)，CUBE8反復(fù)開關(guān)機(jī)的情況。在音頻顯示、夜燈模式下，光控是失效的，切換回圖形菜單后，光控繼續(xù)有效。想退出光控模式只要在任何情況下按下電源鍵就行了。
壞點(diǎn)測(cè)試模式：
壞點(diǎn)測(cè)試模式是專門為電子愛好者開發(fā)的一個(gè)模式，當(dāng)您制作好套件之后，如何測(cè)試每一個(gè)LED燈是否有短路、斷路的情況呢？答案是，在待機(jī)狀態(tài)下，長按電源鍵8秒鐘，進(jìn)入到壞點(diǎn)測(cè)試模式。進(jìn)入到此模式后，電源鍵無效，然后按菜單鍵逐幀地測(cè)試LED燈，在測(cè)試一遍后會(huì)自動(dòng)退出，回到待機(jī)狀態(tài)。
關(guān)機(jī)：
在圖形顯示、音頻顯示、夜燈模式、用戶自定義模式狀態(tài)下，都可以按下電源鍵來關(guān)機(jī)。LED陣列上顯示“OFF”字樣，然后進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。需要注意的是，為了防止誤操作，在菜單切換界面、開機(jī)簡(jiǎn)易三軸壞點(diǎn)掃描和壞點(diǎn)測(cè)試模式下，按電源鍵是無效的。
屬于你的自定義圖形
CUBE8光立方實(shí)在是太酷了，雖然我不應(yīng)該自賣自夸，可是我實(shí)在是忍不住要贊美它呀。把它擺在客廳里，僅用系統(tǒng)自帶的圖形顯示，就能給你的家居增添幾分科技?xì)庀?，但是CUBE8的功能并不只限于此。在設(shè)計(jì)之初，我就決定要專門為電子愛好者設(shè)計(jì)一個(gè)開放式的平臺(tái)，讓CUBE8不只是一個(gè)擺設(shè)，還是一個(gè)學(xué)習(xí)編程和3D圖形設(shè)計(jì)思維的工具。于是我設(shè)計(jì)了一個(gè)用戶自定義功能，這是一個(gè)全開放式的自定義模式，在這里你可以任意操控每一個(gè)點(diǎn)，設(shè)計(jì)出任何你想要的圖形效果。另外，你還可以操控LED的亮度、動(dòng)畫速度、全局顯示和反亮顯示，甚至還可以設(shè)置CUBE8內(nèi)部的菜單值，任意切換到系統(tǒng)自帶圖形上。
設(shè)置CUBE8內(nèi)部菜單值是一個(gè)很實(shí)用的設(shè)計(jì)。比如，你想把CUBE8送給你的女朋友，于是編寫了一個(gè)“小雪，我愛你”的圖形效果。你這樣做一定會(huì)讓她很開心，可是接下來就麻煩了，如果同樣的圖形重復(fù)顯示N次，她的頭頂將會(huì)出現(xiàn)黑色的3條豎線?？墒悄阌植豢赡芟裎覀冮_發(fā)人員一樣，花1個(gè)月的時(shí)間來設(shè)計(jì)更多的圖形。就在這個(gè)緊要關(guān)頭，CUBE8內(nèi)部菜單值設(shè)置將救你于水火之中。你可以在顯示完你的浪漫圖形之后，直接用內(nèi)部菜單值設(shè)置跳轉(zhuǎn)到系統(tǒng)自帶的圖形當(dāng)中，在系統(tǒng)圖形完成一個(gè)循環(huán)之后，再跳回來顯示你的浪漫圖形。這樣不僅讓她感覺新奇不斷，還可能讓她誤以為所有圖形和硬件都是你為她制作的呢。
CUBE8除了可以滿足你的送禮需要，還可以鍛煉你的編程思維。這都依賴于CUBE8的兩個(gè)獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：圖形數(shù)據(jù)表加巧妙算法的動(dòng)畫編程、3D立體化圖形的設(shè)計(jì)?？赡艽蠹抑岸纪孢^LCD1602、LCD12864和LED點(diǎn)陣屏，通過它們學(xué)懂了2D平面圖形的設(shè)計(jì)、生成和編程，這一過程會(huì)讓你受到啟發(fā)，熟悉了一種新的編程思維。而同樣的啟發(fā)也會(huì)在CUBE8中得到，把你的2D思維提升到3D的思維方式。3D圖形的編程也是很巧妙的事情，并不是把8個(gè)2D的圖形疊加起來這么簡(jiǎn)單。設(shè)計(jì)3D圖形，需要有新的思維方式，發(fā)現(xiàn)三維空間中點(diǎn)、線、面、體的算法規(guī)律，在程序中運(yùn)用循環(huán)、判斷語句、參數(shù)邏輯運(yùn)算等方法，用最少的語句達(dá)到出色的/卓越的/優(yōu)異的/杰出的的顯示效果。我已經(jīng)開始錄制一套視頻，專門介紹CUBE8用戶自定義圖形的編程方法，借此讓CUBE8變成學(xué)習(xí)的平臺(tái)。
CUBE8光立方，標(biāo)準(zhǔn)化、套件化、簡(jiǎn)單易制的LED陣列3D顯示器，技術(shù)和設(shè)計(jì)的創(chuàng)新讓大家改變了對(duì)光立方那復(fù)雜硬件和程序的印象。原來制作如此簡(jiǎn)單，原來自定義如此有趣。CUBE8光立方是一個(gè)炫酷的科技作品，也是提升編程思維的學(xué)習(xí)平臺(tái)，為電子愛好者提供了一個(gè)新的開始。重裝上陣，一起享受創(chuàng)新制作帶給我們的至樂之道吧！