基于Arduino Uno 平臺的“光魔方”設計研究

吳健翔，蔣志恒，卓展星

（澳門大學科技學院，澳門 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，甚至酒店和夜總會的各種燈光，當今時代的智能控制電子技術，給人們的生活帶來了方便和舒適，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，有傳統的分立元件，由數字邏輯電路構成的控制系統和單片機智能控制系統等。本文基于Arduino Uno R3嵌入式開發平臺設計制作了“光魔方”，展現出不同的形狀和性能的燈光效果，同時通過設計和實驗，以及分析和解釋數據，對這一系統進行優化。

1 Arduino Uno R3嵌入式開發平臺 “光魔方”的設計

1.1 Arduino Uno R3 (Ch340g)板介紹

Arduino Uno是一個基于ATmega328的微控制器板。它有14個數字輸入/輸出引腳(其中6個可以用作PWM輸出)，6個模擬輸入，一個16MHz的陶瓷諧振器，一個USB接口，一個電源插口，一個ICSP頭和一個復位按鈕。只需用USB連接線將其連接到計算機上，或用交流—直流電源適配器為其供電即可啟動。

技術規范：

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

數字I/O引腳：14(其中6個提供PWM輸出)

模擬輸入引腳數：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用于引導加載程序

靜態隨機存儲器：2KB

電可擦只讀存儲器：1KB

時鐘頻率：16MHz

基于Arduino Uno R3嵌入式開發平臺“光魔方”設計系統原理圖如圖1所示，包括Arduino Uno R3開發平臺、走線面包板和立方LED燈。

圖1 基于Arduino Uno R3嵌入式開發平臺 “光魔方”設計系統原理圖

1.2 立體LED “光魔方”硬件設計

圖2

圖3

圖4

本立體LED “光魔方”基于面包板設計（如圖2），面包板是專為電子電路的無焊接實驗設計制造的。由于各種電子元器件可根據需要隨意插入或拔出，免去了焊接，節省了電路的組裝時間，而且元件可以重復使用，所以非常適合電子電路的組裝、調試和訓練。

立體LED“光魔方”硬件設計過程如下：

（1）檢查所有LED燈是否正常工作。(驗證LED燈亮：插入一個100Ω電阻和一個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”分離到陽極/陰極。每個“腿”應彎曲到90°角。然后，使用烙鐵(與焊料)結合所有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，并把導線放在中間位置焊接。

（4）重復上述步驟四次。然后將四層LED燈堆疊起來，用烙鐵將觸點連接起來。

（5）確認所有的燈都可以重新亮起來。

（6）使用面包板進行組合。將100Ω電阻通過四個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I/O引腳(A4,A5,0-13)與底部16個LED燈腳相連。

（8）最后，將UNO寬帶連接到計算機并進行測試。

1.3 基于 Arduino Uno R3 (Ch340g) 平臺立體LED “光魔方”軟件設計

（1）使用Arduino IDE，將Uno板連接到計算機后，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LEDPin 陣列包括16 個I/O 引腳(A4,A5, 0-13)和一個PlanePin 陣列包括 4 個I/O Pin(A0 -A3)，如圖6。

（3）在空位設置中，使用循環和PinMode將pin配置為輸入或輸出模式。同時設置LEDPin I/O的初始狀態為HIGH, PlanePin I/O為LOW（如圖7）。

（4）在空循環中，編寫不同的代碼來顯示不同燈光效果，如圖8。

圖5

圖6

圖7

這是按順序點亮LED燈的程序，可以用來測試燈是否工作良好。

圖8

（5）為LED立方體設計的空循環代碼。

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 效果展示及試驗分析

該產品是由Arduino操作的LED立方體，圖3展示了總體結果。

圖3

在焊接過程中，焊料容易接觸到燈泡的正極和負極。這可能會導致光亮不穩定，或者閃爍位置與代碼的命令不匹配。因此，焊接時要仔細觀察，盡量避免焊料對正負極的干擾。

3 結語

經過構思設計，制作組裝了“光魔方”的外觀，然后使用不同的代碼創造各種燈光效果。在將來有機會能將它應用在家庭和娛樂場所（露營、夜總會等）的裝飾中，也可以應用于廣告牌。除了這些傳統的應用，還可以進行一些創新設計，比如制作貪吃蛇游戲、立體時鐘和3D動畫文本，增加了實用性和可玩性。