基于Arduino Nano R3實(shí)現(xiàn)蠟燭燈的設(shè)計(jì)方案

前段時(shí)間我正在籌備一個(gè)項(xiàng)目，大體是如何巧妙地照亮我們的中庭房間。在秋冬季節(jié)房間變得有點(diǎn)太陰暗了，我想要比 LED 燈更自然的東西，最好是閃爍蠟燭的現(xiàn)場(chǎng)外觀。

創(chuàng)造一個(gè)逼真的人造火焰并不是一件容易的事，所以我的想法是：把燈光放在看不到“火焰”的地方，然后我們只能看到所產(chǎn)生的光，接著借此在墻上跳舞。

由于房間主要由玻璃墻制成，顯而易見(jiàn)的選擇是讓光線投射在支撐窗戶的白色光束上。我決定將燈放在水平光束的底部，將光向下投射到垂直光束上。

準(zhǔn)備和計(jì)劃

由于我希望能夠單獨(dú)控制每個(gè)“蠟燭”，因此 LED 燈的選擇很容易；它顯然應(yīng)該是一組基于 WS2812 的 LED 模塊，所以我訂購(gòu)了 100 個(gè)單獨(dú)的 LED。

正如您在上圖中所見(jiàn)，每個(gè) LED 有六個(gè)連接 - 并且背面標(biāo)有箭頭方向。

其中兩個(gè)連接標(biāo)記為5V ，兩個(gè)是GND ，然后是Din （數(shù)據(jù)輸入）和Dout （數(shù)據(jù)輸出）。兩個(gè)5V相連，兩個(gè)GND也相連。所以實(shí)際上有四個(gè)連接；5V 、GND 、Din和Dout 。

在對(duì)每個(gè)“蠟燭”不同數(shù)量的 LED 進(jìn)行了一些試驗(yàn)后，我想出了四個(gè)。這個(gè)數(shù)字使我能夠?qū)γ扛馐M(jìn)行足夠有趣的燈光操作，從而在不需要太多 LED 的情況下制作出逼真的蠟燭外觀。

注：如果我必須再做一次，我會(huì)訂購(gòu)一組 2×2 LED 模塊，以簡(jiǎn)化組裝。

控制器不需要非常先進(jìn)，我的假設(shè)是Arduino Nano就足夠了。

Arduino 的位置并不明顯。最后，我選擇將它放在水平梁本身上，在上面第一張照片中可見(jiàn)的粗柱后面（最左邊）。柱子放置在兩個(gè)玻璃墻相交的房間的角落（照片中顯示了“右”墻）。通過(guò)這種方式，我可以將 LED 安裝在兩條平行的燈串上——每堵墻一個(gè)——以最小化每個(gè)燈串的物理長(zhǎng)度?，F(xiàn)在，每根弦的總長(zhǎng)度約為 4 米（13 英尺），而不是原來(lái)的兩倍。

隱藏電纜

這一步依據(jù)我自身的情況，并沒(méi)有那么難。因?yàn)?LED 被放置在水平光束的底部，LED 模塊本身只需用強(qiáng)力雙面膠帶放置即可。

創(chuàng)建 LED 模塊

由于我不想將整個(gè)東西焊接在一根全長(zhǎng)的串上（我想象我在嘗試將東西安裝在梁的底部時(shí)會(huì)遇到電纜堵塞）我決定用連接器構(gòu)建 LED 模塊。

LED 模塊將放置在垂直光束旁邊，以便盡可能多地反射光線。我還想讓電纜靠近光束。這導(dǎo)致我有兩個(gè)版本的模塊；一個(gè)設(shè)置放在從 Arduino向右的繩子上，一個(gè)向左。

這兩個(gè)模塊版本需要兩種獨(dú)特的焊接布局，主要區(qū)別在于保持?jǐn)?shù)據(jù)流從正確的 LED 流向下一個(gè)。

由于 LED 非常小，直徑約為 9 毫米（3/8 英寸），因此焊接它們并不容易；鑒于我缺乏焊接經(jīng)驗(yàn)，結(jié)果并不是那么好和漂亮。但它確實(shí)有效。

焊接

在焊接之前，我從 2×5 的原始部分切下一個(gè) 2×2 LED 模塊。然后我將一端涂成紅色，另一端涂成黑色，以標(biāo)記靠近 5V 和 GND 的兩側(cè)。

第一步首先做一個(gè)焊接練習(xí)，在每個(gè) LED 的微小金屬島上滴一滴焊料。

下一步是連接簡(jiǎn)單的直線，靠近的連接。

然后跟隨電纜需要保持絕緣，因?yàn)樗鼈兿嗷ソ徊妗?/p>

總而言之，每個(gè)方向都有五根光束——加上角梁——總共有十一根光束。由于每個(gè) LED 模塊有四個(gè) LED，因此單個(gè) LED 的數(shù)量為 44 個(gè)。

在幾個(gè)模塊之后，我掌握了竅門(mén)，最后我可以在大約 30 分鐘內(nèi)焊接一個(gè)完整的模塊。

“短電纜技巧”

許多細(xì)小的電纜都需要絕緣層，但是當(dāng)電纜的總長(zhǎng)度不到一厘米時(shí)，很難在每一端切割出足夠的絕緣層以暴露內(nèi)芯。

然后我想出了這個(gè)（明顯的）技巧：

1.焊接電纜的一端，然后將其彎曲并切割成所需的長(zhǎng)度。

2.將絕緣層向下滑動(dòng)一點(diǎn)。

3.從釋放的絕緣層上剪下所需的長(zhǎng)度。

4.向后滑動(dòng)絕緣層，露出自由端的芯線。

這樣就可以創(chuàng)建裸露電纜芯的確切長(zhǎng)度，結(jié)果非常好：

完成 LED 模塊

最后，LED 模塊應(yīng)倒置在梁上，因此必須準(zhǔn)備好焊接的、填充電纜的背面以固定膠帶。

我開(kāi)始使用一些隨機(jī)的扁平塑料，我只是簡(jiǎn)單地切成正方形。這些只是用熱膠粘在 LED 模塊上。

這是所有完整的模塊：

完整的模塊很容易用強(qiáng)力膠帶粘在它們現(xiàn)在平坦的背面。

制作電纜

幸運(yùn)的是，我周?chē)幸痪砼f電話延長(zhǎng)線。這條電纜有四根獨(dú)立的電線，這綽綽有余，因?yàn)槲倚枰娋€（5V、GND 和數(shù)據(jù)）。

在沒(méi)有特殊壓接工具的情況下安裝母插座并不容易，但完全可行。

電纜通道很容易安裝；只需將其切成合適的長(zhǎng)度并使用預(yù)先粘貼的膠帶將其連接到水平梁上。

這是最終安裝的模塊的樣子：

自動(dòng)激活和停用

由于我不想在天黑時(shí)手動(dòng)打開(kāi)燈并在之后將其關(guān)閉，因此我放入了一個(gè)光敏電阻。

同時(shí)我不想要簡(jiǎn)單的開(kāi)/關(guān)，而是在黃昏時(shí)分逐漸改變光強(qiáng)度。出于這個(gè)原因，我需要知道我的光敏電阻在晚上決定“白天”變成“暮光”和“暮光”變成“黑暗”的時(shí)間點(diǎn)的模擬值。

在下面的圖表中，紅色曲線代表光敏電阻在一天中變化時(shí)的模擬讀數(shù)（不是下面的實(shí)際讀數(shù)，只是我的手繪圖）。兩條微弱的水平線標(biāo)志著兩個(gè)層次；頂部是“daylight”變成“twilight”的極限，而底部是“twilight”變成“darkness”的極限。所以，當(dāng)紅色曲線高于頂部水平線時(shí)，我認(rèn)為它是白天，當(dāng)它低于底部水平線時(shí)，它是夜晚。

綠色的直線是“干凈的”日光測(cè)量值，即夜間的最小值 （0.0） 和白天的最大值 （1.0），以及黃昏時(shí)的線性斜率。

為了知道實(shí)際的模擬讀數(shù)，我將四個(gè)光敏電阻連接到一個(gè) Arduino 和一個(gè) LCD 屏幕，以顯示四個(gè)電阻的電流、最小值和最大值。我使用了四個(gè)，因?yàn)槲也恢牢沂欠裼幸粋€(gè)壞的，所以如果他們中的大多數(shù)人的讀數(shù)大致相同，我知道他們會(huì)工作。顯然，我將設(shè)備放置在我打算讓 Arduino 最終驅(qū)動(dòng) LED 的同一位置。這是它的樣子：

由于 LCD 非常有限，我當(dāng)時(shí)顯示了一個(gè)光敏電阻的讀數(shù)大約五秒鐘。然后在白天我不時(shí)過(guò)去，在一張紙上寫(xiě)下數(shù)字。（顯然，我本可以將它連接到我的筆記本電腦并通過(guò)串行連接發(fā)送數(shù)字，但我白天需要筆記本電腦，不想整天坐在中庭）。

最后我決定它在“630”以下是暗的，在“800”以上是亮的。但是這些數(shù)字顯然正好適合我的光敏電阻和我串聯(lián)使用的 10 kΩ 電阻，所以這不是絕對(duì)的事實(shí)。

Arduino 源代碼

我希望能夠擁有不同類(lèi)型的燈光效果，而不僅僅是燭光。出于這個(gè)原因，我構(gòu)建了源代碼模塊化，試圖將不同的機(jī)制隔離在不同的文件中，以便于概覽。

主.ino文件非常小。我基本上只是啟動(dòng)了整個(gè)事情并調(diào)用Update（）了幾個(gè)助手類(lèi)（這反過(guò)來(lái)又起到了作用）。

目前源代碼支持兩種不同的效果：“燭光”效果和“圣誕節(jié)”效果。目前效果的選擇是硬編碼的，這意味著如果我想進(jìn)行切換，我需要重新編譯代碼。到這一步，所有需要的步驟就做完了，所以接下來(lái)讓我們拭目以待。