如何利用樹莓派Pico做一個(gè)鋼鐵俠反應(yīng)爐？

在本教程中，我們將使用樹莓派 Pico 來控制 31 個(gè)單獨(dú)可尋址的 LED 燈，它們安裝在兩片亞克力塑料圓盤之間。其中一片圓盤上涂有膠粘鏡片，另一片圓盤上貼有單向鏡膜；這樣可以給 LED 燈帶制造出 3D 無限效果。

不過，樹莓派目前還沒有自己的”等離子聚變能源”，所以我們還得用充電電池，然后把所有東西封裝在一個(gè) 3D 打印的外殼中。

組件清單

樹莓派 Pico
柔性條形彩色像素 LED 燈帶（通常以 1 米長度出售；我們使用了144 個(gè) WS2812B 的燈帶，并將其切割為 31 個(gè) LED 的長度，剩余的部分可以用于其他項(xiàng)目）
3mm 厚的亞克力板材，足夠切割兩塊直徑為 70mm 的圓盤
自粘式柔性鏡片瓦（不是玻璃）
單向鏡自粘膜（用于阻擋太陽的窗貼式膜片）
USB-C 5V 1A TP4506 充電板（或者使用 Micro USB 接口的等效充電板）
可充電的 3.7V 1100mAh 603449 鋰離子電池
2 位 3P SPDT 面板安裝微型滑動(dòng)開關(guān)，鎖定開關(guān)
約 100cm 的 26AWG 硅膠絕緣銅線（或類似線材）
強(qiáng)力膠水
3D 打印的外殼零件（STL 設(shè)計(jì)文件可以文末免費(fèi)獲?。?/p>

在初始設(shè)置過程中，你還需要：一臺(tái)電腦，一根 Micro USB 線和焊接設(shè)備和材料（本項(xiàng)目中的焊接量很少，所以如果你不擅長或者不會(huì)焊接，也不用擔(dān)心）。

安裝固件

樹莓派為樹莓派 Pico 提供了詳細(xì)的文檔，不過在這一步，非常簡單，我們只需要拖動(dòng)固件到Pico上就行（就像把文件拷貝到 U 盤上一樣）。

在你的計(jì)算機(jī)上

下載適用于最新版本 Pico MicroPython 固件的 UF2 文件。MicroPython 是一種針對微控制器優(yōu)化的 Python 實(shí)現(xiàn)，適合各種水平的程序員。

如果你的 Pico 還沒有顯示為 RPI-RP2 驅(qū)動(dòng)器，你需要檢查一下你的電腦是否已正確安裝了 Pico 的驅(qū)動(dòng)程序。

你可以按住 Pico 上的 BOOTSEL 按鈕（位于 USB 插口旁邊的小按鈕），同時(shí)將連接了 Pico 的 Micro USB 插入到電腦上來將 Pico 設(shè)置為啟動(dòng)器模式。

然后，Pico 將會(huì)顯示為一個(gè)名為 RPI-RP2 的驅(qū)動(dòng)器，如下所示（以 macOS 為例）：

給 Pico 編程

下載、安裝并打開一個(gè)名為 Thonny 的 Python 集成開發(fā)環(huán)境（IDE）。后面我們會(huì)用這個(gè)給Pico編程。確認(rèn) Pico 仍然連接著，并且 Thonny 的界面應(yīng)該是這樣的：

如果你在 Shell 窗口中看到 >>>，那么你已經(jīng)成功連接到 Pico 并啟用了交互式會(huì)話，準(zhǔn)備開始編程。如果你沒有看到這個(gè)提示，那么你需要檢查 Thonny 的設(shè)置是否正確。

點(diǎn)擊 Thonny 窗口的右下角，確保選擇了 MicroPython（Raspberry Pi Pico）解釋器；如果沒有選擇，請選擇它。

如果由于某種原因沒有成功地刷寫固件，Thonny 可能會(huì)提示你在這個(gè)階段安裝它；在這種情況下，嘗試重新刷寫固件。如果Pico 仍然沒有顯示為連接狀態(tài)，那需要斷開連接并重新連接，然后按下 Thonny 頂部菜單欄的紅色停止標(biāo)志來重置一下。

然后，你應(yīng)該就可以在 Shell 窗口中看到 >>> 提示了，說明我們已經(jīng)連接成功。

將以下代碼復(fù)制粘貼到空白且尚未保存的 Thonny 程序窗口中：

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 的界面現(xiàn)在看起來是這樣的：

使用 MicroPython 的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它的很多代碼都是用可讀性強(qiáng)的英語編寫的。比如，在這個(gè)程序的開頭，我們可以看到 Pico 將通過引腳 28 控制 31 個(gè) LED，以最大亮度顯示（亮度為 0-1 的比例，其中 0.5 表示 50% 的亮度）。

這個(gè)程序的剩余部分會(huì)指示 Pico 重復(fù)顯示圖案和顏色。

點(diǎn)擊 File 然后選擇 Save as…

組裝硬件

3D 打印的部件

需要四個(gè) 3D 打印的零件來容納所有的組件：背板、主體、Pico 支架和前蓋。我們只需要將它們粘在一起組裝成完整的裝置就行。

你可以在文末免費(fèi)下載這些 3D 打印文件。建議使用易于打印的材料，比如 PLA 或 PETG 塑料絲材料來打印。

切割和準(zhǔn)備亞克力圓盤

對于這個(gè)項(xiàng)目，我們需要兩塊厚度為 3mm，直徑為 70mm 的亞克力圓盤，其中一塊圓盤需要在中央鉆一個(gè)直徑約為 5mm 的孔，用于通過導(dǎo)線。

如果你可以使用激光切割機(jī)，制作這些部件很簡單?；蛘吣憧梢哉页瞿愕呐f文具盒，找到圓規(guī)。使用木工鋸切割出一個(gè)直徑為 70mm 的圓形，然后用砂紙或銼刀修整邊緣。最終的圓盤不需要完全無瑕疵，因?yàn)楹罄m(xù)的步驟會(huì)遮蓋這些小瑕疵。

其中一塊圓盤在中心鉆一個(gè)直徑為 5mm 的孔，用于以后通過導(dǎo)線。

在柔性粘性鏡片上標(biāo)記一個(gè)70mm的圓，在單向鏡自粘膜上標(biāo)記另一個(gè)同樣大的圓。使用剪刀剪裁出圓形，而且可以剪得非常圓。

確保從亞克力圓片上撕掉了所有的保護(hù)層，然后依次撕掉鏡片背面的粘性支撐層。

把鏡片貼到帶有孔的圓片上，這個(gè)圓片會(huì)被用于安裝我們的Pico，然后將一片單向鏡膜貼到另一個(gè)圓片上。

布線和焊接電子器件

反應(yīng)爐底部將會(huì)包含可充電電池、開關(guān)和 USB-C 充電板，這些我們需要將它們粘合到 3D 打印切割件內(nèi)部的適配插槽中。

在這個(gè)階段，我們需要進(jìn)行一些電線的剪切、剝離和焊接工作。

根據(jù)下面的照片，確保將電池的正負(fù)極線連接到正確的 USB-C 充電板正負(fù)極輸入上，并將板的正輸出線焊接到滑動(dòng)開關(guān)的中間引腳上。

開關(guān)的正極線可以焊接到兩個(gè)外側(cè)開關(guān)引腳的任意一個(gè)上：

接下來，將另外三根導(dǎo)線直接焊接到 Pico 的背面。這些導(dǎo)線的長度應(yīng)該足夠完成后面組裝過程中的連線電路：大約 20cm 的長度應(yīng)該足夠了。

為了給 Pico 提供電源，還需要將紅色和黑色導(dǎo)線分別連接到標(biāo)有 VBUS 和 GND 的引腳上。

我們需要第三根導(dǎo)線（藍(lán)色），在上面的照片中顯示，在藍(lán)色導(dǎo)線上將它焊接到標(biāo)有 GP28 的引腳上。我們的 MicroPython 腳本中指定的是 Pico 用來與 LED 進(jìn)行通信的引腳

LED 燈帶通常已經(jīng)預(yù)先布線，但它們的連接點(diǎn)通常較大，我們需要自制一個(gè)布線束。使用剪刀，將任何現(xiàn)有的布線都剪掉，然后切割出一條 31 個(gè) LED 的燈帶，確保剪切沿每個(gè) LED 之間的縫隙進(jìn)行：

燈帶上也標(biāo)有箭頭，用于顯示正確的電流方向，”+”符號(hào)代表正線，”0″代表數(shù)據(jù)線，”G”代表負(fù)線或接地線。在切割時(shí)，確保沿著每個(gè)焊盤中間切開；如果不小心的話，很容易導(dǎo)致焊接線接觸不良。

在上面的照片中，像這樣焊接另外三根導(dǎo)線，長度也約為 20cm：紅色正線、藍(lán)色數(shù)據(jù)線和黑色地線。在焊接到焊盤時(shí)，你可能會(huì)發(fā)現(xiàn)從燈帶后面進(jìn)行焊接會(huì)更方便一些。

組裝

將連接到你的樹莓派Pico的三根線穿過小型3D打印的Pico底座。然后將線通過鏡子圓板的孔，將底座粘在你的Pico底部和圓板的反光面。確保Pico在底座上坐立于鏡子表面之上。

這樣，我們就可以實(shí)現(xiàn)我們的目標(biāo)，獲得一個(gè) 3D 無限效果

現(xiàn)在將帶單向膜的圓盤放入 3D 打印的主體中，并將前環(huán)粘合到主體上。由于圓盤是由前環(huán)固定的，所以可以隱藏一些形狀方面的細(xì)微缺陷。

將 31 個(gè) LED 的燈帶粘貼在 3D 打印的主體的內(nèi)部，確保布線和連接與主體的間隙對齊，這樣你可以輕松地將導(dǎo)線穿過安裝 Pico 的圓盤的一側(cè)。

大多數(shù) LED 燈帶都有自粘背面，這有助于使這個(gè)過程變得簡單。

將已經(jīng)粘合到鏡面圓盤上的 Pico 與裝有 LED 的主體和單向鏡組成一個(gè)完整的裝置，并與包含電池、充電板和開關(guān)的底座配對。

確保你的所有導(dǎo)線尾部都穿過到了反應(yīng)爐底座上。將兩根藍(lán)色數(shù)據(jù)線焊接在一起，將三根紅色正線焊接在一起，將三根黑色負(fù)線焊接在一起，根據(jù)需要修剪任何多余長度的線材?？梢允褂脽峥s套管或膠帶絕緣我們的連接點(diǎn)。

最后檢查
在將所有部件粘合在一起之前，檢查一切是否按預(yù)想的工作。通過滑動(dòng)開關(guān)檢查 LED 是否點(diǎn)亮；使用 USB-C 手機(jī)充電器或 USB 充電寶測試充電板的功能；充電時(shí)，LED指示燈將亮起。

現(xiàn)在，我們只需要將部件粘合在一起就ok了。

升級(jí)

升級(jí)！每個(gè)人都喜歡升級(jí)，尤其是鋼鐵俠。其實(shí)我們還可以使用樹莓派 Pico W 運(yùn)行一個(gè) web 服務(wù)器，從手機(jī)瀏覽器上無線控制 LED。

或者也可以加一些涂料，在反應(yīng)爐背面粘貼一些魔術(shù)貼，這樣我們就可以將它像托尼·斯塔克那樣佩戴在胸前了。

審核編輯：劉清