CUBE8光立方制作 - 全文

　　何为CUBE8光立方

　　CUBE8是一个长、宽、高由8×8×8个LED灯组成的真实3D立方体显示器。其最大的特点，就是带给你未来3D技术的科技体验。

　　

 

　　光立方并非我的首创，在网上早有光立方的视频。许多电子爱好者，看过这些视频之后，都会被其超酷的3D显示效果所震撼，我就是其中之一，于是我也想仿制一个玩玩。在网上搜索了大量相关资料后，我却发现，网上各种版本的光立方的制作方法都很复杂，不仅需要很强的动手能力来组装512个排列整齐的LED和金属支架，还需要有足够的耐心设计一大堆单片机和驱动芯片，最后还要为硬件成品设计显示程序，好让光立方动起来。这样看来，不是高级焊接技师兼资深单片机工程师的"小菜"们，想制作出一个拿得出手的光立方，还不如直接购买我精简设计的光立方套件。对，我要为电子制作爱好者设计一款只许极少元器件、制作简单、能让初学者也可以制作出来的规范、美观的光立方套件。当我这么想的时候，我那天马行空的大脑开始运转，在想像力的世界里设计着前所未有的光立方。

　　首先这个光立方必须制作简单，简单到整机只有一个芯片。然后要保证制作美观，将动手能力导致的美观差异降到最低。在保证以上两点的情况下，如果还可以让它的功能强大，且有爱好者自由发挥的空间，那么我的光立方将会是一个完美的设计--至少我自己这样认为。

　　功能方面，它除了要能显示3D图形，还需要有多级亮度和速度调整，最好可以有音频显示功能，像DIS.MUSIC21音乐显示器一样。当然，还要为单片机爱好者设计一个用户自定义图形功能，连接普通的单片机就可以显示出爱好者自己编写的图形。这样，不仅让光立方的显示更丰富，而且从中又锻炼了爱好者的3D编程能力。最后，还要用高质量的设计、材料和生产工艺，让品质对得起硬件的精简设计。用炫酷、连贯、有节奏的图形效果，让显示效果对得起高品位要求的观众。这么经典的设计，需要一个简洁、响亮的名字，立方体的英文单词是Cube,又因为我要制作8×8×8的3D显示阵列，所以综合得名--CUBE8光立方。

　　

 

　　

 

　　黑色镜面镀金PCB板和高亮蓝光雾面LED灯

　　【特点介绍】

　　# 8×8×8LED阵列3D光立方体显示器。

　　# 独家精简设计方案，电路简洁，功能强大。

　　# 黑色镜面PCB、全镀金焊盘和LOGO,全面高端品质。

　　# 高亮蓝色雾面LED灯，达到光立方最佳视觉效果。

　　# 连贯图形显示效果，浑然一体，一气呵成。

　　# 混合式触摸电源和模式按键，操作更稳定。

　　# 电源具有常开、常关、光线自动控制方式。

　　# 显示模块有快速、中速、慢速三挡设置。

　　# 4挡亮度的夜灯模式，可营造你的室内气氛。

　　# 2种音频显示模式，可随音频同步显示，给你炫酷体验。

　　# 具有"精简I2C"接口，全开放式用户自定义操控。

　　# 创新设计的LED阵列制作模板，让LED阵列制作简单快速。

　　开始制作

　　把想像变成现实是一个漫长而艰难的过程，我的团队耗时3个月才完成了CUBE8的开发，光设计工作就花了1个月的时间。当然，哪个产品都是费时费力才完成的，所以我没有必要在文章里大述甘苦。既然我们已经完成了，那就秀一下成果吧。

　　在开始阅读和制作之前，请你做好心理准备，因为制作的过程极具创意和启发。只要你是一名狂热的电子爱好者，你的热情将会被CUBE8光立方的创新设计所激发。

　　

 

　　

 

　　

 

　　

 

　　

 

　　

 

　　所需元器件

　　序号名称型号数量说明

　　1PCB黑色镜面镀金2片底板、立板各1片

　　2LED灯高亮蓝色雾面512个扁平长引脚式

　　3单片机STC12C5A60S21片LQFP48贴片封装

　　4白光LED0805贴片1个制作呼吸灯

　　5转接针孔军品镀金128个

　　63M脚垫 6个

　　7双排排孔80PIN1条

　　8双排弯针80PIN1条

　　9MiniUSB接口贴片式1个

　　10光敏电阻5506型1个

　　11电容0.1μF1个滤波电容

　　12音频线3.5mm立体声1条1.5m长

　　13miniUSB线 1条MiniUSB转USB-A，1.5m长

　　14音频分线器*一分二1个(选配元器件，可根据实际情况选择或舍去)

　　15USB电源*5V1个(选配元器件，可根据实际情况选择或舍去)

　　

 

　　

 

　　PCB细节

　　第1步：焊接单片机

　　CUBE8采用了精简设计，所以核心电路部分只有一个单片机和一个滤波电容，我想不会有比这再简单的电路设计了吧。在制作CUBE8的过程中，首先要完成的就是核心电路部分，它的品质直接关系到整个制作。CUBE8使用的单片机是LQFP48贴片封装的，体积很小，也为焊接带来了一定的难度。焊好后，用黑色绝缘胶带把芯片和电容包好，即美观又安全。

　　

 

　　

 

　　第2步：焊接排孔

　　把套件中双排排孔插入PCB底板的正面，PCB底板的背面焊接引脚。

　　

 

　　

 

　　第3步：焊接LED呼吸灯

　　这个贴片式呼吸灯也算是CUBE8的一个创新设计了。在PCB上打一个孔，然后把贴片LED塞进去。不破坏PCB正面的整洁效果，又可以照亮孔周围的PCB,让它更漂亮。

　　

 

　　

 

　　第4步：焊接光敏电阻和miniUSB接口

　　

 

　　

 

　　第5步：焊接弯排针到立板上

　　在立板上焊接弯排针是需要一些技巧的。因为我在设计之初就希望立板的正面是不挂锡的，所以必须从背面焊接。但实际制作中发现，从立板正面焊接也是可以的，对美观的影响不大。

　　

 

　　

 

　　第6步：焊接转接针孔

　　转接针孔是为了方便LED阵列拆装而设计的，因为是重要的接插件，我特意定做了镀金材质的，正好可以和镀金的PCB相得益彰。将立板和底板共128个转接针孔插入正面，在背面加锡焊接。

　　

 

　　

 

　　第7步：贴3M脚垫

　　这里我选用的是3M高粘合度透明脚垫。大家可能感觉脚垫是一个不起眼的东西，可是不好的脚垫容易脱落，有时还会有高低不平的情况。所以脚垫的质量也要对得起整机的高品质。

　　

 

　　

 

　　第8步：将立板插到底板上

　　贴好了脚垫，就可以组合立板和底板了。将立板的正面朝前，排针、排孔对齐，插到底板上。保证两板之间不能有缝隙(或缝隙很小)，两板呈90°垂直。

　　

 

　　

 

　　第9步：使用模板制作LED阵列

　　这是CUBE8最关键的组件。我们需要8片8×8的LED阵列，可以按照图上的样式来手工制作，但是这样做出来的LED阵列很不规范，而且耗费时间。我之前说过，CUBE8一定要是规范化、简单易制的，为此我开发出一款很有创意的模板(至少用过模板的人都说有创意)。使用这个创新模板可以在5~8个小时内快速完成制作，而且完成的LED阵列都是规范统一的样子，几乎不受焊接水平的影响。

　　

 

　　

 

　　第10步：插接LED阵列

　　纵向把8片LED阵列插入转接针孔里，插好后适当地调整一下阵列间的距离。

　　

 

　　

 

　　CUBE8主体部分制作完成

　　第11步：制作音频和USB电源复用线

　　制作完CUBE8的主体部分之后，我们还需要一条混合功能的USB线。当然，如果你不想使用音频显示功能，可以直接用一条普通的miniUSB连接线来给CUBE8供电。如果想使用音频显示功能，就要跟着我做了。按照"USB接口扩展音频功能电路原理图"上的接线方法，把音频线和miniUSB线焊接在一起，用绝缘胶带包好，最后用热缩管密封。

　　

 

　　

 

　　

 

　　

 

　　

 

　　第12步：插好接口

　　把miniUSB接口接在CUBE8上，USB-A接口插在USB电源适配器或电脑的USB接口上，使用音频分线器将音频线与音响的音频输入线并联。到此为止，仅12步就完成了CUBE8的所有制作。接通电源，白色LED灯开始呼吸，轻触呼吸灯下方的电源键，CUBE8闪亮登场。

　　

 

　　

 

　　

 

　　

 

　　

 

　　呼吸灯效果

　　使用简介

　　非常好，CUBE8在运行，一个真实的3D魔方。我们可以通过2个触摸按键来操作CUBE8,使用方法非常简单。

　　开机：

　　在待机状态下(呼吸灯状态下)按下电源键(左侧)，就可以开机了。需要注意的是，CUBE8采用了混合式触摸按键技术，即电平式触摸和电容式触摸，同时检测触摸操作。这样做既解决了电平式触摸抗干扰能力差的问题，又解决了电容式触摸没有碰到就动作的问题。所以，CUBE8的混合式触摸按键需要用一点力按下去才会动作，有一点像电阻式触摸屏的感觉。

　　

 

　　

 

　　

 

　　电源键、菜单键、3号键的操作方法

　　功能选择：

　　按电源键开机，系统会先进行简易的三轴坏点扫描，然后就会弹出菜单。菜单有1(慢速图形)、2(中速图形)、3(快速图形)、A(音频显示)、N(夜灯模式)、U(用户自定义模式)共6个项目。通过按菜单键循环切换，调到欲进入的菜单项时，等待2秒钟就可以进入了。在图形显示、音频显示、夜灯模式和用户自定义模式中按菜单键，都可以跳回到菜单选择界面。需要注意的是，在CUBE8没有连接用户自定义功能板的时候，U的菜单项是隐藏的。

　　

 

　　菜单显示效果

　　图形显示模式：

　　系统自带的图形显示模式有慢、中、快三种速度，分别对应1、2、3这三个菜单项。慢速显示可以配合一些轻音乐，中速可以配合流行音乐，快速可以配合摇滚乐等。选择正确的速度、配合正确的背景音乐，可以达到非常炫酷的显示效果。如果你只是想把CUBE8当作家居的摆设来配合"静音",那我建议你用慢速显示就可以了。我实验过，效果不错。

　　CUBE8系统自带的图形可不一般哦，因为长达数分钟的图形都是连续不间断的。如果把之前网上已有的光立方显示效果比成一张张切换的图片的话，那CUBE8的图形效果就是一部电影(至少是一部小成本DV电影)。图片是突然切换的，两张之间没有任何联系--刚刚还是一个球，突然就变成方块了。CUBE8的图形带给你的是一气呵成的效果，每两个效果之间是有巧妙的转场的，使显示的节奏连贯。另外，CUBE8的显示还是由点到线、由线到面、由简单到复杂的推进过程。好像电影一样，有前奏、有高潮、有尾声。

　　

 

　　

 

　　图形显示效果

　　音频显示模式：

　　如果你想让CUBE8更直接地配合音乐，那么音频显示模式将是你的不二选择。接好音频输入线，进入到菜单A项，LED阵列的最下边的一面常亮，这是基准显示。当音乐响起，LED阵列就会以波形的方式显示音频。这时可以按3号键来切换到柱形显示方式。所谓的3号键，就是先按住菜单键不放，再去按电源键。按3号键可以在波形和柱形显示方式之间切换。CUBE8的音频显示中同样使用了DIS.MUSIC3音乐显示器程序中所使用的自动增益控制功能，不用担心音量过小而使音柱不能到顶，也不用担心音量过大而使音柱一直在顶端不下来。CUBE8会监测音量变化，自动呈现最佳显示效果。

　　夜灯模式：

　　进入到菜单N项即是夜灯模式，夜灯模式就是512个LED灯全亮，在夜间营造一种浪漫的气氛，给你的房间带来一份温馨。可以通过按3号键切换4挡的夜灯亮度。

　　用户自定义模式：

　　在连接好用户自定义板的前提下，进入到菜单U项，就可以发挥你的天才想象力，编写属于你自己的图形了。在本文的最后，我将重点介绍这一功能。

　　光控模式：

　　在待机状态下按下菜单键(右侧)，LED阵列上会流动显示"AUTO"字样，就进入了光控模式。光控模式的作用是在环境光线较暗的时候，CUBE8自动进入待机状态，而不会打扰你夜间休息。当环境光线较强时，CUBE8自动开机。光控模式采用了双临界值采样，开机和关机是2个采样值，所以不会出现在环境光不强不暗(处在临界值)时，CUBE8反复开关机的情况。在音频显示、夜灯模式下，光控是失效的，切换回图形菜单后，光控继续有效。想退出光控模式只要在任何情况下按下电源键就行了。

　　坏点测试模式：

　　坏点测试模式是专门为电子爱好者开发的一个模式，当您制作好套件之后，如何测试每一个LED灯是否有短路、断路的情况呢?答案是，在待机状态下，长按电源键8秒钟，进入到坏点测试模式。进入到此模式后，电源键无效，然后按菜单键逐帧地测试LED灯，在测试一遍后会自动退出，回到待机状态。

　　关机：

　　在图形显示、音频显示、夜灯模式、用户自定义模式状态下，都可以按下电源键来关机。LED阵列上显示"OFF"字样，然后进入待机状态。需要注意的是，为了防止误操作，在菜单切换界面、开机简易三轴坏点扫描和坏点测试模式下，按电源键是无效的。

　　属于你的自定义图形

　　CUBE8光立方实在是太酷了，虽然我不应该自卖自夸，可是我实在是忍不住要赞美它呀。把它摆在客厅里，仅用系统自带的图形显示，就能给你的家居增添几分科技气息，但是CUBE8的功能并不只限于此。在设计之初，我就决定要专门为电子爱好者设计一个开放式的平台，让CUBE8不只是一个摆设，还是一个学习编程和3D图形设计思维的工具。于是我设计了一个用户自定义功能，这是一个全开放式的自定义模式，在这里你可以任意操控每一个点，设计出任何你想要的图形效果。另外，你还可以操控LED的亮度、动画速度、全局显示和反亮显示，甚至还可以设置CUBE8内部的菜单值，任意切换到系统自带图形上。

　　设置CUBE8内部菜单值是一个很实用的设计。比如，你想把CUBE8送给你的女朋友，于是编写了一个"小雪，我爱你"的图形效果。你这样做一定会让她很开心，可是接下来就麻烦了，如果同样的图形重复显示N次，她的头顶将会出现黑色的3条竖线。可是你又不可能像我们开发人员一样，花1个月的时间来设计更多的图形。就在这个紧要关头，CUBE8内部菜单值设置将救你于水火之中。你可以在显示完你的浪漫图形之后，直接用内部菜单值设置跳转到系统自带的图形当中，在系统图形完成一个循环之后，再跳回来显示你的浪漫图形。这样不仅让她感觉新奇不断，还可能让她误以为所有图形和硬件都是你为她制作的呢。

　　CUBE8除了可以满足你的送礼需要，还可以锻炼你的编程思维。这都依赖于CUBE8的两个独特优势：图形数据表加巧妙算法的动画编程、3D立体化图形的设计。可能大家之前都玩过LCD1602、LCD12864和LED点阵屏，通过它们学懂了2D平面图形的设计、生成和编程，这一过程会让你受到启发，熟悉了一种新的编程思维。而同样的启发也会在CUBE8中得到，把你的2D思维提升到3D的思维方式。3D图形的编程也是很巧妙的事情，并不是把8个2D的图形叠加起来这么简单。设计3D图形，需要有新的思维方式，发现三维空间中点、线、面、体的算法规律，在程序中运用循环、判断语句、参数逻辑运算等方法，用最少的语句达到最佳的显示效果。