[DIY專案] 4x4x4 LED 立方體：Arduino Mega2560 結合聲音感測器與 PIR 人體感測器

🌏 English version: 4×4×4 LED Cube with Arduino Mega2560: Sound- and Motion-Reactive Multiplexing

本 DIY 專案為「4×4×4 共 64 顆 LED 的互動式立方體」：以 Arduino Mega2560 作為控制核心，外接聲音感測器與 PIR 人體感測器，燈光圖案隨環境聲音與周遭人員的移動而變化。

完成品運轉中的動畫（2024 年 5 月）

製作立方體：雷射切割焊接治具

LED 立方體最困難的部分並非電路，而是讓 64 顆 LED 排成筆直、等距的格子。徒手焊接容易歪斜，因此以雷射切割 MDF 板製作簡易治具：板上開有 4×4 的孔位，間距與 LED 間距相同。每層 16 顆 LED 倒插入孔中，彎折接腳後焊接相連，完成的一層取出後即保持方正。四層相同的結構再堆疊接合。

雷射切割 MDF 治具：依 LED 間距排列的 4×4 孔位

治具與立方體插接的擴充板

電路組成

• 控制器：Arduino Mega2560，搭配 RobotWolf Group 的插接式擴充板，立方體直接安裝於擴充板上
• LED：64 顆藍色 LED，排列為 4×4×4
• 感測器：聲音感測模組、PIR 人體感測器

立方體安裝於 Mega2560 上，含 PIR 感測器（白色圓罩）與聲音感測模組

暗室中點亮的效果

採用多工而非直接佔用 64 個腳位的原因

64 顆 LED 若各自佔用一個 IO，需要 64 個腳位。LED 立方體的標準解法是多工掃描（multiplexing）：同一垂直柱上 4 顆 LED 的陽極焊接在一起（共 16 柱），同一水平層 16 顆 LED 的陰極焊接在一起（共 4 層）。任一瞬間只點亮一層，由 16 條柱線決定該層哪些 LED 亮起；將 4 層每秒輪流掃描數百次，人眼的視覺暫留即讀成「64 顆同時亮」——與螢幕逐行刷新的原理相同。

因此腳位需求由 64 降至 16＋4＝20，Mega2560 仍保留充足腳位可接感測器。實務上需注意兩點：

• 電流：一層最多同時流過 16 顆 LED 的電流，超出單一 IO 腳位可承受的範圍。常見解法是每層加一顆電晶體（或採用 ULN2003 驅動陣列），由電晶體將該層接地。
• 亮度：每層只有 1/4 的時間點亮，多工驅動的亮度低於直接驅動。可略微調低柱線的限流電阻作為補償。

範例程式：層掃描結合聲音與人體感測

以下為示範此技巧的範例程式（層掃描＋兩種感測器），供製作類似立方體時參考，並非原始專案的程式碼。腳位編號僅為示意，請依實際接線調整。

/*
 * 4x4x4 LED 立方體：層掃描 + 聲音感測器 + PIR（範例程式）
 *   16 柱（陽極）→ COL_PIN[]，各串一顆限流電阻
 *   4 層（陰極）→ 電晶體／ULN2003，由 LAYER_PIN[] 控制
 *   聲音感測器類比輸出 → A0
 *   PIR 感測器輸出     → D2（偵測到移動時為 HIGH）
 */
const uint8_t COL_PIN[16]  = {22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37};
const uint8_t LAYER_PIN[4] = {38,39,40,41};   // HIGH = 該層導通
const uint8_t PIR_PIN = 2;

bool cube[4][16];          // cube[層][柱]
uint8_t layer = 0;

void setup() {
  for (uint8_t c = 0; c < 16; c++) pinMode(COL_PIN[c], OUTPUT);
  for (uint8_t z = 0; z < 4; z++)  pinMode(LAYER_PIN[z], OUTPUT);
  pinMode(PIR_PIN, INPUT);
}

void updatePattern() {
  static uint32_t last = 0;
  uint32_t now = millis();
  if (now - last < 30) return;         // 每 30ms 更新一次圖案
  last = now;

  int sound = analogRead(A0);
  uint8_t level = constrain(map(sound, 300, 700, 0, 4), 0, 4);  // 依模組實際讀值校正
  bool motion = digitalRead(PIR_PIN);
  uint32_t t = now / 150;

  for (uint8_t z = 0; z < 4; z++)
    for (uint8_t c = 0; c < 16; c++) {
      if (motion)  cube[z][c] = ((c + z + t) % 4 == 0);   // 偵測到人：流動的波紋
      else         cube[z][c] = (z < level);              // 其餘時間：音量柱
    }
}

void loop() {
  updatePattern();

  // 掃描：先關閉目前的層，再設定柱線，最後開啟下一層
  digitalWrite(LAYER_PIN[layer], LOW);
  layer = (layer + 1) & 3;
  for (uint8_t c = 0; c < 16; c++) digitalWrite(COL_PIN[c], cube[layer][c] ? HIGH : LOW);
  digitalWrite(LAYER_PIN[layer], HIGH);
  delayMicroseconds(500);              // 4 層 x 0.5ms = 每幀 2ms（約 500 fps）
}

此範例有兩個值得保留的習慣：切換柱線之前先關閉目前的層，可避免「殘影」（前一層圖案的微弱重影）；感測改為定時執行，而非每次進入 loop() 都讀取，較慢的 analogRead 便不會拉長某一層的點亮時間而造成閃爍。

調試時常見的問題

• 隨機閃爍：幾乎都是立方體、驅動電晶體與感測器之間未共地。
• 肉眼可見的閃爍：4 層完整掃描一輪須遠低於 20ms（高於 50Hz），掃描路徑中不應放入耗時的工作。
• 整柱或整層不亮：檢查該柱或該層的焊點——64 顆 LED 之中，一處冷焊就是最常見的原因。
• PIR 一直維持觸發：多數 PIR 模組板上設有調整靈敏度與保持時間的可變電阻；保持時間過長，立方體便顯得反應遲鈍。

結語

LED 立方體一次涵蓋電子學的三項核心：多工、電流、時序。64 顆 LED 依靠掃描速度而非腳位數量運作——人眼無法分辨每秒數百次的層掃描，感受到的是一個完整的立體圖案。雷射切割治具則是整個專案中最有價值的一環：少了治具，格子不可能排得筆直。