基于Arduino Uno 平臺(tái)的“光魔方”設(shè)計(jì)研究

吳健翔，蔣志恒，卓展星

（澳門(mén)大學(xué)科技學(xué)院，澳門(mén) 999078）

在日常生活中，我們可以看到各種五顏六色的霓虹燈、廣告燈箱，甚至酒店和夜總會(huì)的各種燈光，當(dāng)今時(shí)代的智能控制電子技術(shù)，給人們的生活帶來(lái)了方便和舒適，而每到晚上，五顏六色的霓虹燈則把我們的城市點(diǎn)綴得格外迷人，為人們的生活增添了不少色彩。這些景觀燈制作方法有很多種，有傳統(tǒng)的分立元件，由數(shù)字邏輯電路構(gòu)成的控制系統(tǒng)和單片機(jī)智能控制系統(tǒng)等。本文基于Arduino Uno R3嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)制作了“光魔方”，展現(xiàn)出不同的形狀和性能的燈光效果，同時(shí)通過(guò)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)，以及分析和解釋數(shù)據(jù)，對(duì)這一系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

1 Arduino Uno R3嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái) “光魔方”的設(shè)計(jì)

1.1 Arduino Uno R3 (Ch340g)板介紹

Arduino Uno是一個(gè)基于ATmega328的微控制器板。它有14個(gè)數(shù)字輸入/輸出引腳(其中6個(gè)可以用作PWM輸出)，6個(gè)模擬輸入，一個(gè)16MHz的陶瓷諧振器，一個(gè)USB接口，一個(gè)電源插口，一個(gè)ICSP頭和一個(gè)復(fù)位按鈕。只需用USB連接線將其連接到計(jì)算機(jī)上，或用交流—直流電源適配器為其供電即可啟動(dòng)。

技術(shù)規(guī)范：

微控制器：ATmega328P-AU

工作電壓：5V

輸入電壓(推薦)：7～12V

輸入電壓(限制)：6～20V

數(shù)字I/O引腳：14(其中6個(gè)提供PWM輸出)

模擬輸入引腳數(shù)：6

每I/O引腳直流電流：40mA

引腳直流電流（3.3V）：50mA

閃存：32KB，其中0.5KB用于引導(dǎo)加載程序

靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器：2KB

電可擦只讀存儲(chǔ)器：1KB

時(shí)鐘頻率：16MHz

基于Arduino Uno R3嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)“光魔方”設(shè)計(jì)系統(tǒng)原理圖如圖1所示，包括Arduino Uno R3開(kāi)發(fā)平臺(tái)、走線面包板和立方LED燈。

圖1 基于Arduino Uno R3嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái) “光魔方”設(shè)計(jì)系統(tǒng)原理圖

1.2 立體LED “光魔方”硬件設(shè)計(jì)

圖2

圖3

圖4

本立體LED “光魔方”基于面包板設(shè)計(jì)（如圖2），面包板是專為電子電路的無(wú)焊接實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)制造的。由于各種電子元器件可根據(jù)需要隨意插入或拔出，免去了焊接，節(jié)省了電路的組裝時(shí)間，而且元件可以重復(fù)使用，所以非常適合電子電路的組裝、調(diào)試和訓(xùn)練。

立體LED“光魔方”硬件設(shè)計(jì)過(guò)程如下：

（1）檢查所有LED燈是否正常工作。(驗(yàn)證LED燈亮：插入一個(gè)100Ω電阻和一個(gè)5V電源到板上檢查是否能正常照明)。

（2）如果所有LED燈工作正常，可以將其按具體尺寸放入紙板中(圖3中每條線相隔2.5cm)，并固定。將它們的“腿”分離到陽(yáng)極/陰極。每個(gè)“腿”應(yīng)彎曲到90°角。然后，使用烙鐵(與焊料)結(jié)合所有LED燈的“腿”，制作成立方體的形狀。

（3）將“腿”的位置依次用烙鐵連接，并把導(dǎo)線放在中間位置焊接。

（4）重復(fù)上述步驟四次。然后將四層LED燈堆疊起來(lái)，用烙鐵將觸點(diǎn)連接起來(lái)。

（5）確認(rèn)所有的燈都可以重新亮起來(lái)。

（6）使用面包板進(jìn)行組合。將100Ω電阻通過(guò)四個(gè)I/O引腳(A0-A3)連接到杜邦線,然后分別連接四層LED（如圖4）。

（7）將16個(gè)I/O引腳(A4,A5,0-13)與底部16個(gè)LED燈腳相連。

（8）最后，將UNO寬帶連接到計(jì)算機(jī)并進(jìn)行測(cè)試。

1.3 基于 Arduino Uno R3 (Ch340g) 平臺(tái)立體LED “光魔方”軟件設(shè)計(jì)

（1）使用Arduino IDE，將Uno板連接到計(jì)算機(jī)后，選擇Uno板的端口。在我的筆記本電腦中，端口是COM3，如圖5。

（2）定義一個(gè)LEDPin 陣列包括16 個(gè)I/O 引腳(A4,A5, 0-13)和一個(gè)PlanePin 陣列包括 4 個(gè)I/O Pin(A0 -A3)，如圖6。

（3）在空位設(shè)置中，使用循環(huán)和PinMode將pin配置為輸入或輸出模式。同時(shí)設(shè)置LEDPin I/O的初始狀態(tài)為HIGH, PlanePin I/O為L(zhǎng)OW（如圖7）。

（4）在空循環(huán)中，編寫(xiě)不同的代碼來(lái)顯示不同燈光效果，如圖8。

圖5

圖6

圖7

這是按順序點(diǎn)亮LED燈的程序，可以用來(lái)測(cè)試燈是否工作良好。

圖8

（5）為L(zhǎng)ED立方體設(shè)計(jì)的空循環(huán)代碼。

程序代碼

int LEDPin[] = {A4, A5, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7,8, 9, 10, 11, 12, 13};

int PlanePin[] = {A0 , A1, A2, A3};

void setup()

{

for (int i = 0; i ＜ 16; i++)

{

pinMode(LEDPin[i], OUTPUT);

digitalWrite(LEDPin[i], HIGH);

}

for (int i = 0; i ＜ 4; i++)

{

pinMode(PlanePin[i], OUTPUT);

digitalWrite(PlanePin[i], HIGH);

}

}

void loop()

{

for (int i = 0; i ＜ 16; i++)

{

digitalWrite(LEDPin[i], LOW);

delay(100);

}

for (int i = 0; i ＜ 16; i++)

{

digitalWrite(LEDPin[16-i], HIGH);

delay(50);

}

digitalWrite(LEDPin[0], LOW);

delay(100);

digitalWrite(LEDPin[1], LOW);

delay(100);

digitalWrite(LEDPin[2], LOW);

delay(100);

digitalWrite(LEDPin[3], LOW);

delay(100);

digitalWrite(LEDPin[7], LOW);

delay(100);

digitalWrite(LEDPin[11], LOW);

delay(100);

digitalWrite(LEDPin[15], LOW);

delay(100);

digitalWrite(LEDPin[14], LOW);

delay(100);

digitalWrite(LEDPin[13], LOW);

delay(100);

digitalWrite(LEDPin[12], LOW);

delay(100);

digitalWrite(LEDPin[8], LOW);

delay(100);

digitalWrite(LEDPin[4], LOW);

delay(100);

digitalWrite(LEDPin[5], LOW);

delay(100);

digitalWrite(LEDPin[6], LOW);

delay(100);

digitalWrite(LEDPin[10], LOW);

delay(100);

digitalWrite(LEDPin[9], LOW);

delay(100);

}

2 效果展示及試驗(yàn)分析

該產(chǎn)品是由Arduino操作的LED立方體，圖3展示了總體結(jié)果。

圖3

在焊接過(guò)程中，焊料容易接觸到燈泡的正極和負(fù)極。這可能會(huì)導(dǎo)致光亮不穩(wěn)定，或者閃爍位置與代碼的命令不匹配。因此，焊接時(shí)要仔細(xì)觀察，盡量避免焊料對(duì)正負(fù)極的干擾。

3 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)構(gòu)思設(shè)計(jì)，制作組裝了“光魔方”的外觀，然后使用不同的代碼創(chuàng)造各種燈光效果。在將來(lái)有機(jī)會(huì)能將它應(yīng)用在家庭和娛樂(lè)場(chǎng)所（露營(yíng)、夜總會(huì)等）的裝飾中，也可以應(yīng)用于廣告牌。除了這些傳統(tǒng)的應(yīng)用，還可以進(jìn)行一些創(chuàng)新設(shè)計(jì)，比如制作貪吃蛇游戲、立體時(shí)鐘和3D動(dòng)畫(huà)文本，增加了實(shí)用性和可玩性。