4×4×4 LED 光立方製作：材料清單與程式入門指南

硬體材料清單 (BOM)

接線架構概念

1. 層選擇 (Layer/Plane)：4 個 MOSFET/ULN2803 控制 4 層共陽/共陰，同一時間只啟用 1 層 (掃描)。
2. 列資料 (Column Data)：4×4=16 列，由 4 顆 74HC595 串聯輸出 32 bit (若 RGB 則 48 bit)，移位暫存器鎖存後輸出高/低電位。
3. 掃描頻率：每層 ≥ 400 Hz，整體 ≥ 1.6 kHz，人眼無閃爍。

核心程式邏輯

// 影像緩衝：4 層 × 16 列 (單色)
uint16_t frame[4] = {0};

void refresh() {
    for (uint8_t layer = 0; layer < 4; layer++) {
        // 1. 關閉所有層
        digitalWrite(LAYER_PINS[0], LOW); ... // 或 ULN2803 全低
        // 2. 移出該層 16 bit 資料到 595
        shiftOut(DATA_PIN, CLK_PIN, MSBFIRST, frame[layer] >> 8);
        shiftOut(DATA_PIN, CLK_PIN, MSBFIRST, frame[layer] & 0xFF);
        digitalWrite(LATCH_PIN, HIGH); digitalWrite(LATCH_PIN, LOW);
        // 3. 開啟當前層
        digitalWrite(LAYER_PINS[layer], HIGH);
        delayMicroseconds(250); // 約 1kHz/層
    }
}

// 設定單一體素
void setVoxel(uint8_t x, uint8_t y, uint8_t z, bool on) {
    if (on) frame[z] |= (1 << (y*4 + x));
    else    frame[z] &= ~(1 << (y*4 + x));
}

進階功能建議

• 動畫表格化：將幀資料存在 PROGMEM/Flash，播放器輪播。
• PC 上位機：Python + PySerial 發送幀資料，支援即時互動。
• RGB 版本：改用 WS2812B (NeoPixel) 串聯 64 顆，單線控制，無需 595/MOSFET，程式用 FastLED 或 Adafruit_NeoPixel。

學習資源

• GitHub 關鍵字：4x4x4 led cube arduino、led cube 74hc595
• 經典教學：Instructables 4x4x4 LED Cube
• 中文社區：B站 4x4x4 光立方教學

從單色 74HC595 版本入手最易上手，熟悉掃描原理後再升級 RGB 或更大尺寸 (8×8×8)。