用树莓派 Pico 做一个钢铁侠反应炉

2023年8月16日 Pico 实验室 树莓派 Pico 0

在本教程中，我们将使用树莓派 Pico 来控制 31 个单独可寻址的 LED 灯，它们安装在两片亚克力塑料圆盘之间。其中一片圆盘上涂有胶粘镜片，另一片圆盘上贴有单向镜膜；这样可以给 LED 灯带制造出 3D 无限效果。
不过，树莓派目前还没有自己的”等离子聚变能源”，所以我们还得用充电电池，然后把所有东西封装在一个 3D 打印的外壳中。

组件清单

树莓派 Pico
柔性条形彩色像素 LED 灯带（通常以 1 米长度出售；我们使用了144 个 WS2812B 的灯带，并将其切割为 31 个 LED 的长度，剩余的部分可以用于其他项目）
3mm 厚的亚克力板材，足够切割两块直径为 70mm 的圆盘
自粘式柔性镜片瓦（不是玻璃）
单向镜自粘膜（用于阻挡太阳的窗贴式膜片）
USB-C 5V 1A TP4506 充电板（或者使用 Micro USB 接口的等效充电板）
可充电的 3.7V 1100mAh 603449 锂离子电池
2 位 3P SPDT 面板安装微型滑动开关，锁定开关
约 100cm 的 26AWG 硅胶绝缘铜线（或类似线材）
强力胶水
3D 打印的外壳零件（STL 设计文件可以文末免费获取）
在初始设置过程中，你还需要：一台电脑，一根 Micro USB 线和焊接设备和材料（本项目中的焊接量很少，所以如果你不擅长或者不会焊接，也不用担心）。

安装固件

树莓派为树莓派 Pico 提供了详细的文档，不过在这一步，非常简单，我们只需要拖动固件到Pico上就行（就像把文件拷贝到 U 盘上一样）。

在你的计算机上，从这里：https://micropython.org/download/rp2-pico/

下载适用于最新版本 Pico MicroPython 固件的 UF2 文件。MicroPython 是一种针对微控制器优化的 Python 实现，适合各种水平的程序员。

如果你的 Pico 还没有显示为 RPI-RP2 驱动器，你需要检查一下你的电脑是否已正确安装了 Pico 的驱动程序。你可以按住 Pico 上的 BOOTSEL 按钮（位于 USB 插口旁边的小按钮），同时将连接了 Pico 的 Micro USB 插入到电脑上来将 Pico 设置为启动器模式。然后，Pico 将会显示为一个名为 RPI-RP2 的驱动器，如下所示（以 macOS 为例）：

给 Pico 编程

下载、安装并打开一个名为 Thonny 的 Python 集成开发环境（IDE）。后面我们会用这个给Pico编程。确认 Pico 仍然连接着，并且 Thonny 的界面应该是这样的：

如果你在 Shell 窗口中看到 >>>，那么你已经成功连接到 Pico 并启用了交互式会话，准备开始编程。如果你没有看到这个提示，那么你需要检查 Thonny 的设置是否正确。点击 Thonny 窗口的右下角，确保选择了 MicroPython（Raspberry Pi Pico）解释器；如果没有选择，请选择它。如果由于某种原因没有成功地刷写固件，Thonny 可能会提示你在这个阶段安装它；在这种情况下，尝试重新刷写固件。如果Pico 仍然没有显示为连接状态，那需要断开连接并重新连接，然后按下 Thonny 顶部菜单栏的红色停止标志来重置一下。然后，你应该就可以在 Shell 窗口中看到 >>> 提示了，说明我们已经连接成功。

将以下代码复制粘贴到空白且尚未保存的 Thonny 程序窗口中：

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import array, time
from machine import Pin
import rp2
 
# Configure the number of WS2812 LEDs.
NUM_LEDS = 31
PIN_NUM = 28
brightness = 1
 
@rp2.asm_pio(sideset_init=rp2.PIO.OUT_LOW, out_shiftdir=rp2.PIO.SHIFT_LEFT, autopull=True, pull_thresh=24)
def ws2812():
    T1 = 2
    T2 = 5
    T3 = 3
    wrap_target()
    label("bitloop")
    out(x, 1)               .side(0)    [T3 - 1]
    jmp(not_x, "do_zero")   .side(1)    [T1 - 1]
    jmp("bitloop")          .side(1)    [T2 - 1]
    label("do_zero")
    nop()                   .side(0)    [T2 - 1]
    wrap()
 
 
# Create the StateMachine with the ws2812 program, outputting on pin
sm = rp2.StateMachine(0, ws2812, freq=8_000_000, sideset_base=Pin(PIN_NUM))
 
# Start the StateMachine, it will wait for data on its FIFO.
sm.active(1)
 
# Display a pattern on the LEDs via an array of LED RGB values.
ar = array.array("I", [0 for _ in range(NUM_LEDS)])
 
##########################################################################
def pixels_show():
    dimmer_ar = array.array("I", [0 for _ in range(NUM_LEDS)])
    for i,c in enumerate(ar):
        r = int(((c >> 8) & 0xFF) * brightness)
        g = int(((c >> 16) & 0xFF) * brightness)
        b = int((c & 0xFF) * brightness)
        dimmer_ar[i] = (g<<16) + (r<<8) + b
    sm.put(dimmer_ar, 8)
    time.sleep_ms(10)
 
def pixels_set(i, color):
    ar[i] = (color[1]<<16) + (color[0]<<8) + color[2]
 
def pixels_fill(color):
    for i in range(len(ar)):
        pixels_set(i, color)
 
def color_chase(color, wait):
    for i in range(NUM_LEDS):
        pixels_set(i, color)
        time.sleep(wait)
        pixels_show()
    time.sleep(0.2)
 
def wheel(pos):
    # Input a value 0 to 255 to get a color value.
    # The colours are a transition r - g - b - back to r.
    if pos < 0 or pos > 255:
        return (0, 0, 0)
    if pos < 85:
        return (255 - pos * 3, pos * 3, 0)
    if pos < 170:
        pos -= 85
        return (0, 255 - pos * 3, pos * 3)
    pos -= 170
    return (pos * 3, 0, 255 - pos * 3)
 
 
def rainbow_cycle(wait):
    for j in range(255):
        for i in range(NUM_LEDS):
            rc_index = (i * 256 // NUM_LEDS) + j
            pixels_set(i, wheel(rc_index & 255))
        pixels_show()
        time.sleep(wait)
 
BLACK = (0, 0, 0)
RED = (255, 0, 0)
YELLOW = (255, 150, 0)
GREEN = (0, 255, 0)
CYAN = (0, 255, 255)
BLUE = (0, 0, 255)
PURPLE = (180, 0, 255)
WHITE = (255, 255, 255)
COLORS = (BLACK, RED, YELLOW, GREEN, CYAN, BLUE, PURPLE, WHITE)
 
 
while True:
 
    print("fills")
    for color in COLORS:
        pixels_fill(color)
        pixels_show()
        time.sleep(0.2)
 
    print("chases")
    for color in COLORS:
        color_chase(color, 0.01)
 
    print("rainbow")
    rainbow_cycle(0)

Thonny 的界面现在看起来是这样的：

使用 MicroPython 的一个优点是它的很多代码都是用可读性强的英语编写的。比如，在这个程序的开头，我们可以看到 Pico 将通过引脚 28 控制 31 个 LED，以最大亮度显示（亮度为 0-1 的比例，其中 0.5 表示 50% 的亮度）。这个程序的剩余部分会指示 Pico 重复显示图案和颜色。

点击 File 然后选择 Save as…

组装硬件

3D 打印的部件

需要四个 3D 打印的零件来容纳所有的组件：背板、主体、Pico 支架和前盖。我们只需要将它们粘在一起组装成完整的装置就行。

你可以在文末免费下载这些 3D 打印文件。建议使用易于打印的材料，比如 PLA 或 PETG 塑料丝材料来打印。

切割和准备亚克力圆盘

对于这个项目，我们需要两块厚度为 3mm，直径为 70mm 的亚克力圆盘，其中一块圆盘需要在中央钻一个直径约为 5mm 的孔，用于通过导线。

如果你可以使用激光切割机，制作这些部件很简单。或者你可以找出你的旧文具盒，找到圆规。使用木工锯切割出一个直径为 70mm 的圆形，然后用砂纸或锉刀修整边缘。最终的圆盘不需要完全无瑕疵，因为后续的步骤会遮盖这些小瑕疵。其中一块圆盘在中心钻一个直径为 5mm 的孔，用于以后通过导线。

在柔性粘性镜片上标记一个70mm的圆，在单向镜自粘膜上标记另一个同样大的圆。使用剪刀剪裁出圆形，而且可以剪得非常圆。确保从亚克力圆片上撕掉了所有的保护层，然后依次撕掉镜片背面的粘性支撑层。把镜片贴到带有孔的圆片上，这个圆片会被用于安装我们的Pico，然后将一片单向镜膜贴到另一个圆片上。

布线和焊接电子器件

反应炉底部将会包含可充电电池、开关和 USB-C 充电板，这些我们需要将它们粘合到 3D 打印切割件内部的适配插槽中。

在这个阶段，我们需要进行一些电线的剪切、剥离和焊接工作。根据下面的照片，确保将电池的正负极线连接到正确的 USB-C 充电板正负极输入上，并将板的正输出线焊接到滑动开关的中间引脚上。开关的正极线可以焊接到两个外侧开关引脚的任意一个上：

接下来，将另外三根导线直接焊接到 Pico 的背面。这些导线的长度应该足够完成后面组装过程中的连线电路：大约 20cm 的长度应该足够了。为了给 Pico 提供电源，还需要将红色和黑色导线分别连接到标有 VBUS 和 GND 的引脚上。我们需要第三根导线（蓝色），在上面的照片中显示，在蓝色导线上将它焊接到标有 GP28 的引脚上。我们的 MicroPython 脚本中指定的是 Pico 用来与 LED 进行通信的引脚：

LED 灯带通常已经预先布线，但它们的连接点通常较大，我们需要自制一个布线束。使用剪刀，将任何现有的布线都剪掉，然后切割出一条 31 个 LED 的灯带，确保剪切沿每个 LED 之间的缝隙进行：

灯带上也标有箭头，用于显示正确的电流方向，”+”符号代表正线，”0″代表数据线，”G”代表负线或接地线。在切割时，确保沿着每个焊盘中间切开；如果不小心的话，很容易导致焊接线接触不良。

在上面的照片中，像这样焊接另外三根导线，长度也约为 20cm：红色正线、蓝色数据线和黑色地线。在焊接到焊盘时，你可能会发现从灯带后面进行焊接会更方便一些。

组装

将连接到你的树莓派Pico的三根线穿过小型3D打印的Pico底座。然后将线通过镜子圆板的孔，将底座粘在你的Pico底部和圆板的反光面。确保Pico在底座上坐立于镜子表面之上。

这样，我们就可以实现我们的目标，获得一个 3D 无限效果：

现在将带单向膜的圆盘放入 3D 打印的主体中，并将前环粘合到主体上。由于圆盘是由前环固定的，所以可以隐藏一些形状方面的细微缺陷。

将 31 个 LED 的灯带粘贴在 3D 打印的主体的内部，确保布线和连接与主体的间隙对齐，这样你可以轻松地将导线穿过安装 Pico 的圆盘的一侧。大多数 LED 灯带都有自粘背面，这有助于使这个过程变得简单。参考下面的图示，查看所有组件如何组装在一起：

将已经粘合到镜面圆盘上的 Pico 与装有 LED 的主体和单向镜组成一个完整的装置，并与包含电池、充电板和开关的底座配对。确保你的所有导线尾部都穿过到了反应炉底座上。将两根蓝色数据线焊接在一起，将三根红色正线焊接在一起，将三根黑色负线焊接在一起，根据需要修剪任何多余长度的线材。可以使用热缩套管或胶带绝缘我们的连接点。

最后检查
在将所有部件粘合在一起之前，检查一切是否按预想的工作。通过滑动开关检查 LED 是否点亮；使用 USB-C 手机充电器或 USB 充电宝测试充电板的功能；充电时，LED指示灯将亮起。

现在，我们只需要将部件粘合在一起就ok了。

升级

升级！每个人都喜欢升级，尤其是钢铁侠。其实我们还可以使用树莓派 Pico W 运行一个 web 服务器，从手机浏览器上无线控制 LED。或者也可以加一些涂料，在反应炉背面粘贴一些魔术贴，这样我们就可以将它像托尼·斯塔克那样佩戴在胸前了。

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