基于Arduino Uno 平台的“光魔方”设计研究

吴健翔，蒋志恒，卓展星

（澳门大学科技学院，澳门 999078）

在日常生活中，我们可以看到各种五颜六色的霓虹灯、广告灯箱，甚至酒店和夜总会的各种灯光，当今时代的智能控制电子技术，给人们的生活带来了方便和舒适，而每到晚上，五颜六色的霓虹灯则把我们的城市点缀得格外迷人，为人们的生活增添了不少色彩。这些景观灯制作方法有很多种，有传统的分立元件，由数字逻辑电路构成的控制系统和单片机智能控制系统等。本文基于Arduino Uno R3嵌入式开发平台设计制作了“光魔方”，展现出不同的形状和性能的灯光效果，同时通过设计和实验，以及分析和解释数据，对这一系统进行优化。

1 Arduino Uno R3嵌入式开发平台 “光魔方”的设计

1.1 Arduino Uno R3 (Ch340g)板介绍

Arduino Uno是一个基于ATmega328的微控制器板。它有14个数字输入/输出引脚(其中6个可以用作PWM输出)，6个模拟输入，一个16MHz的陶瓷谐振器，一个USB接口，一个电源插口，一个ICSP头和一个复位按钮。只需用USB连接线将其连接到计算机上，或用交流—直流电源适配器为其供电即可启动。

技术规范：

微控制器：ATmega328P-AU

工作电压：5V

输入电压(推荐)：7～12V

输入电压(限制)：6～20V

数字I/O引脚：14(其中6个提供PWM输出)

模拟输入引脚数：6

每I/O引脚直流电流：40mA

引脚直流电流（3.3V）：50mA

闪存：32KB，其中0.5KB用于引导加载程序

静态随机存储器：2KB

电可擦只读存储器：1KB

时钟频率：16MHz

基于Arduino Uno R3嵌入式开发平台“光魔方”设计系统原理图如图1所示，包括Arduino Uno R3开发平台、走线面包板和立方LED灯。

图1 基于Arduino Uno R3嵌入式开发平台 “光魔方”设计系统原理图

1.2 立体LED “光魔方”硬件设计

图2

图3

图4

本立体LED “光魔方”基于面包板设计（如图2），面包板是专为电子电路的无焊接实验设计制造的。由于各种电子元器件可根据需要随意插入或拔出，免去了焊接，节省了电路的组装时间，而且元件可以重复使用，所以非常适合电子电路的组装、调试和训练。

立体LED“光魔方”硬件设计过程如下：

（1）检查所有LED灯是否正常工作。(验证LED灯亮：插入一个100Ω电阻和一个5V电源到板上检查是否能正常照明)。

（2）如果所有LED灯工作正常，可以将其按具体尺寸放入纸板中(图3中每条线相隔2.5cm)，并固定。将它们的“腿”分离到阳极/阴极。每个“腿”应弯曲到90°角。然后，使用烙铁(与焊料)结合所有LED灯的“腿”，制作成立方体的形状。

（3）将“腿”的位置依次用烙铁连接，并把导线放在中间位置焊接。

（4）重复上述步骤四次。然后将四层LED灯堆叠起来，用烙铁将触点连接起来。

（5）确认所有的灯都可以重新亮起来。

（6）使用面包板进行组合。将100Ω电阻通过四个I/O引脚(A0-A3)连接到杜邦线,然后分别连接四层LED（如图4）。

（7）将16个I/O引脚(A4,A5,0-13)与底部16个LED灯脚相连。

（8）最后，将UNO宽带连接到计算机并进行测试。

1.3 基于 Arduino Uno R3 (Ch340g) 平台立体LED “光魔方”软件设计

（1）使用Arduino IDE，将Uno板连接到计算机后，选择Uno板的端口。在我的笔记本电脑中，端口是COM3，如图5。

（2）定义一个LEDPin 阵列包括16 个I/O 引脚(A4,A5, 0-13)和一个PlanePin 阵列包括 4 个I/O Pin(A0 -A3)，如图6。

（3）在空位设置中，使用循环和PinMode将pin配置为输入或输出模式。同时设置LEDPin I/O的初始状态为HIGH, PlanePin I/O为LOW（如图7）。

（4）在空循环中，编写不同的代码来显示不同灯光效果，如图8。

图5

图6

图7

这是按顺序点亮LED灯的程序，可以用来测试灯是否工作良好。

图8

（5）为LED立方体设计的空循环代码。

程序代码

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 效果展示及试验分析

该产品是由Arduino操作的LED立方体，图3展示了总体结果。

图3

在焊接过程中，焊料容易接触到灯泡的正极和负极。这可能会导致光亮不稳定，或者闪烁位置与代码的命令不匹配。因此，焊接时要仔细观察，尽量避免焊料对正负极的干扰。

3 结语

经过构思设计，制作组装了“光魔方”的外观，然后使用不同的代码创造各种灯光效果。在将来有机会能将它应用在家庭和娱乐场所（露营、夜总会等）的装饰中，也可以应用于广告牌。除了这些传统的应用，还可以进行一些创新设计，比如制作贪吃蛇游戏、立体时钟和3D动画文本，增加了实用性和可玩性。