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:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 | 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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