【Arduino 动手做】构建一个迷你 Las Vegas RGB LED 球体

Arduino是一个开放源码的电子原型平台，它可以让你用简单的硬件和软件来创建各种互动的项目。Arduino的核心是一个微控制器板，它可以通过一系列的引脚来连接各种传感器、执行器、显示器等外部设备。Arduino的编程是基于C/C++语言的，你可以使用Arduino IDE（集成开发环境）来编写、编译和上传代码到Arduino板上。Arduino还有一个丰富的库和社区，你可以利用它们来扩展Arduino的功能和学习Arduino的知识。

Arduino的特点是：
1、开放源码：Arduino的硬件和软件都是开放源码的，你可以自由地修改、复制和分享它们。
2、易用：Arduino的硬件和软件都是为初学者和非专业人士设计的，你可以轻松地上手和使用它们。
3、便宜：Arduino的硬件和软件都是非常经济的，你可以用很低的成本来实现你的想法。
4、多样：Arduino有多种型号和版本，你可以根据你的需要和喜好来选择合适的Arduino板。
5、创新：Arduino可以让你用电子的方式来表达你的创意和想象，你可以用Arduino来制作各种有趣和有用的项目，如机器人、智能家居、艺术装置等。

## 第 4 步：电子元件

现在我需要选择我需要的电子设备。我最初也打算制作自己的 IR 遥控器，但随着成本的增加，我决定不这样做。它会更昂贵的原因是由于购买了 PCB、按钮和微控制器。我还有旧夜灯的红外遥控器，所以我决定只使用那个。接下来，我需要我的 IR 接收器和微控制器。我决定用 VS1838B 作为我的接收器，因为我已经有一些了。如果您打算自己制作这个，您可以购买一个不同的，因为我认为（不是 100% 确定）它应该与代码一起工作。最后，我需要选择我的微控制器。我真的很喜欢使用 Arduino Nanos。我真的很喜欢 Nanos，因为它们有很多引脚，它们不会使用太多的功率、尺寸，而且设置和编码都很容易。我说它们很容易设置和编码，因为编译只需要几秒钟，而 esp32 需要 1 分钟来编译，这使得调试和测试代码真的很慢，而且它连接了一个 USB，所以我不需要把它连接到一个有 USB 连接器的微控制器。但是，由于 nano 不坚固（SRAM 和内存），我无法使用它。这导致我需要一个 Arduino Nano，因为它的 SRAM 是它的 3 倍。当我以为我已经完成了这一步时，我忘记了最后一件事。这就是我如何为它供电。

权力

Ws2812b LED 灯条需要大量功率。每个灯（R、G、B）需要 20 毫安。这意味着全白约为 60 毫安。然后，如果我每米有 160 个 LED，而我有 5 米，这意味着 48,000 毫安或 48 安培。这就是它在全亮度下可以绘制的量。虽然由于有这么多 LED，它不需要全亮度。所以，我将最大亮度更改为 25%。这将数量减少到只有 12 安培。现在，我需要在 Fusion 360 中对零件进行建模。

## 第 5 步：尺寸/型号

我首先需要弄清楚我是想把微控制器放在底座里还是藏在 LED 所在的位置。我想出了 3 种方法。我能做到这一点的第一种方法是将 LED 向上螺旋，尽管这很难做到。第二个想法是将 LED 排列成经度（水平）等。这将为布线线路提供空间，但会提供太多空间并弄乱分辨率。我的最后一个想法是将 LED 排列成纬度（垂直）等。这将消除所有空间并提供非常好的分辨率，但也会使布线更具挑战性，并且在某个方向上看起来很奇怪。例如，如果我将它绕在圆的圆周上，并从侧面有多个圆圈，它看起来会很完美，但在顶部，它看起来会有点丑陋。遗憾的是，我无法解决这个问题，尽管有一个白色的扩散器应该可以扩散大部分。这将带来我的最后一个问题，即周长。由于我将球体分成 2.7 毫米的部分（LED 宽度），因此会显着增加 LED 的长度，因为每次我上升一个部分，都会导致所需的 LED 长度几乎增加一倍。您也可以将其视为球体的表面积。

## 第 16 步：动画

要开始编写动画代码，我需要弄清楚我想要多少个。开始时，我只有 4 个按钮，所以我只能做 4 个动画。我想要的第一个是螺旋模式，它基本上会螺旋出彩虹。然后我使用第二个按钮来制作淡化动画。这将形成每个级别的彩虹。接下来，我使用第 3 个按钮来制作烟花动画。这将是我的第一个复杂动画。我希望它看起来像烟花从底部开始，在空中飞翔，然后**。我通过将每个级别中的第一个 LED 变为白色半秒钟来做到这一点。当它上升时，我让它**并使用随机功能随机打开每个级别的 LED。因此，第一层会亮起，然后第二层会亮起，依此类推。在那之后，我真的很觉得我可以编码，所以我决定编写非常流行的表情符号。首先，我在眼睛上工作。我给出了一个我希望 LED 的位置。例如，我希望它是第 100 个 LED。然后为了让它来回移动，我使用了数学运算，让它移动那个 LED。然后我开始研究第二只眼睛和微笑。由于 LED 非常小，我决定让多个 LED 充当眼睛和微笑。因此，它不是为每只眼睛激活一个 LED，而是激活 5 个以产生一个更大的圆圈。

## 第 17 步：组装

我将向您展示如何组装它以及我遇到的一些问题。

我要警告你，组装起来非常非常困难。

首先，我需要将 LED 切割成一定长度。切割时要小心，只在铜焊盘所在的地方切割。接下来，我需要获取每行上的 LED 数量。我没有单独计算每个 LED，而是在 fusion 中制作了一个模型来为您计算它们。我得到了一些尺寸，然后将其转换为 1：1 比例的图纸。一旦我打印出来（在纸上，而不是 3D 打印机上），我就得到了一个几乎完美对齐的复制品，它有多达 40 个 LED。这使得计数速度提高了一百万倍。然后，我用它们所在的行和 LED 的数量标记它们。我还建议将它们写在一张纸上。

## 第 3 步：LED 和分辨率

首先，我需要得到一个主要问题，即我应该使用什么 LED。我首先需要考虑我的约束。我希望 LED 易于编码，需要 RGB（多色）并且预算友好。我最初打算使用我这里剩下的一些 RGB 灯带，但后来我看到了这个人的视频，他使用了带有迷你 RGB LED 的柔性 PCB 板。然而，当我把成本加起来时，我意识到这太超出了我的预算。我向后靠，使用我剩下的 RGB LED 灯条单元，我了解了 Ws2812b LED 灯。这些 LED 要复杂得多，只使用 3 个引脚。它有 2 个电源引脚（正极和负极）和一个数据引脚。它还允许您单独对每个 LED 进行编码，这将为我的代码提供更大的灵活性。我还需要弄清楚电压。如果我做了 12v，它就不需要反向供电，这是 LED 使用过多电压的地方，所以你会注意到 LED 灯条末端的电压降。我决定使用 5V，因为 12V 通常用于无法反向供电的 LED 灯，而且它们要便宜得多。现在我有了我想要的条带类型，我需要弄清楚它的大小。

分辨率

LED 灯条的大小会极大地影响分辨率。如果尺寸太大，则一平方英寸内只有 5 个 LED。这将导致分辨率非常低。我发现了一些只有 2.7 毫米宽的超窄 LED 灯条！每个 LED 的尺寸为 2020 年，即 2.0 毫米 x 2.0 毫米。普通 LED 灯条的 LED 尺寸为 5050 （5mm x 5mm）。虽然它比普通的贵一点，但我只需 30 美元就可以在交易中挑选它。

嗨，我叫 Ben，今年 15 岁。
在这个 instructable 中，您将看到我是如何制作自己的迷你 - Las Vegas Sphere。我将向您展示我是如何从研究一直到最终设计的。我的主要目标是制作一个简单且经济实惠的迷你球体，它可以用作夜灯，并且至少有一个动画。这是一个出乎意料的困难得多的设计，它以新的建模和焊接方式挑战了我。
总的来说，这是一个艰巨的挑战，也可能是我最难的小项目。

## 第 1 步：背景

当我的旧夜灯坏了时，我想到了设计这个模型。我决定尝试修复它。虽然当我拆开它时，我试图更换很多零件，但当我缩小问题范围时，我意识到实际的 LED 坏了。当我打算购买替换部件时，我看到了这个挑战，并认为这将是我制作新夜灯的一种很酷的新方法。我最初计划制作一个简单的夜灯，它有一盏灯和一个看起来像行星或死星的 3D 打印外壳。然而，当我浏览 YouTube 时，我看到了这个视频，它解释了 Las Vegas Sphere 是如何运作的。这非常有趣，最后，我想制作自己的。

## 第 2 步：代码/问题

在我开始绘制设计草图之前，我需要研究如何制作它。我需要研究 4 件事。

1. LED 和分辨率

2. 电子元件

3. 尺寸/型号

4. 代码

我使用 Youtube、Google 和其他人的 instructables 对此进行了研究。

## 第 6 步：草图/建模

现在我有了草图，我不能有尺寸，因为我只需要反复试验球体需要多大。如果它太大了几毫米，那么所需的 LED 长度将显着增加。经过多次测试，我最终得到了一个 100 毫米的球体。它会有点小，但扩散器会让它看起来更大。现在我开始为我的第一张草图建模。


## 第 7 步：球体（建模）

我从对我的草图进行建模开始。我首先制作了一个直径为 100 毫米的圆。然后我创建了一条线，将圆切成两半。我还在圆圈中添加了另一个 5/8 的剪辑。然后我旋转草图以制作一个球体。最后，我用 5/8 线剪掉了底部。接下来，我需要弄清楚如何安装灯。

## 第 8 步：灯光（建模）

现在我需要弄清楚如何添加灯光。如果我只是将它们缠绕在球体上，就很难将它们保持在适当的位置，并且不会受到控制。我需要控制它，因为它看起来非常丑陋且非常难以编码。当我思考想法时，我想到创造像楼梯一样的线条。然而，当我制作时，我意识到楼梯的想法会让它看起来像一个圆锥体，而不是一个球体。那是因为球体形状是弯曲的，所以在某些部分它看起来几乎是直的，但越高，它开始向内弯曲。然后我想到了另一个想法，可以给出完美的水平线并创建一个球体。

## 第 9 步：Lights_2（建模）

要做到这一点，我需要切割球体。我计划使用构造平面，但我意识到你不能对它们进行建模，这意味着切割模型需要很多时间。这里有一个关于它的论坛。我意识到我可以使用曲面工具进行图案设计。曲面建模是 Fusion 360 中的另一种建模类型，它进行 2D 建模而不是 3D 建模。我意识到我可以将曲面建模用作构造平面。这允许我像工作平面一样对表面进行图案化。然后，我切割模型以获得球体的一小部分。

## 第 10 步：Lights_3（建模）

现在我需要挖空内部并将其与真正的球体相结合。我首先将切口挤出到我得到光滑边缘的地方。然后我对所有的切割都做了这个，最后我基本上得到了一个球体的外壳。最后，我使用剪切工具将其组合起来，它显示了我想要的结果。基本上是一个块状的球体。

造型灯总结

我基本上需要去除球体上的平滑度，以便为 LED 创建一个受控区域来包裹。我所做的是制作与球体一样光滑的物体。然后，我使用该对象从中心球体中切出，以创建一个块状且受控的球体。

我很想听听你是否对如何做到这一点有任何更好的想法，因为这可能比它需要的要复杂得多。

## 步骤 11：测量（建模）

接下来，我需要测量地球仪，看看它是否足够小。正如我在第 5 步中所说，我需要确保球体不会使用太多 LED。为此，我必须测量球体上每个圆的周长，一旦我得到所有的测量值，它加起来就略高于 5.5 米，这太多了。我决定只切掉底部的第一部分，使其下降到略小于 5 米。

## 第 12 步：最后的润色（建模）

最后，我添加了其余的内容。这包括一个圆顶和一个支架。我还挖空了球体以减少细丝浪费并留出更多空间。我为插头添加了孔，并为 IR 接收器提供了一个位置。我本来打算让 IR 接收器曝光，但我觉得这会破坏美感。我决定把它藏在里面，但要靠近外面。最后，我在顶部和底部添加了一个圆角，使其更加光滑。

## 第 13 步：代码设置

首先，我需要弄清楚我的 IR 接收器值或它发出的信号。我首先在此处使用了一些示例代码。该代码还有助于解释 IRremote 库的工作原理。现在我已经有了它为每个按钮发送的信号，然后我需要将其与 PWM 信号对齐。

接下来，我需要写下我想要的颜色。由于我们解读颜色的方式都不同，因此我想将我在控制器上看到的颜色与我希望的 LED 灯条的颜色相匹配。为此，我编写了一些代码，其中使用了 3 个控制所有 3 种颜色的电位计。因此，一个电位计将控制红色的 R，另一个电位计将控制绿色的 G，最后相同的蓝色。然后，我让 Arduino Nano 发送 PWM 信号，该信号类似于 （0,0,0），这意味着 0 红色、绿色和蓝色，然后我可以创建我想制作的任何颜色。现在我需要记录这些值。

你可以看到我是如何在顶部连接它的。

## 第 14 步：电子表格

现在我记录了我的价值观。我喜欢使用电子表格，因为它们非常有条理。我首先标记了我所有的按钮。然后我在按钮旁边写下了我的值。现在我需要记录我的 PWM 值。首先，我将控制器上看到的颜色与我想要的 LED 灯条的颜色对齐。然后我读取串行监视器以查看它显示的颜色。它显示一个像 （255,255,0） 这样的输出是黄色的，然后我把它写在电子表格上。现在是制作真实代码的时候了。

## 第 15 步：最终代码

最后，我需要制作自己的代码。

为了开始这段代码，我决定更改库，这使得编码变得更加容易。我选择了 fastLED 库，因为我看到了更多关于如何使用它的教程。我首先定义了我想要的所有变量，例如图钉。然后我定义了每行有多少个 LED。这为我提供了我想要的 LED 的捷径。如果我知道之前有多少个 LED，那么我不必计算每个 LED 的数量，那么我只需计算该行上的 LED 并将其他行相加。我还打开了我可以制作的新动画。接下来，我定义了每个 remote 值。现在我需要将其与 LED 灯条的 PWM 信号相关联。我通过使用 switch 语句来执行此作。它基本上是很多 if 语句，但要简化得多。例如，我的陈述是 “如果” 值 （变量） 正确 “然后” 做 “其他” 的事情。这是一个非常简化的用法，但还有许多其他情况可以使用它，您可以在此处找到更多详细信息。我本来打算制作没有图像的简单动画，但当我意识到编码是多么容易时，我决定添加一些。

## 第 18 步：Soldering_1（组装）

Soldering_1 (assembly)
现在我需要焊接它们。焊接它们需要很长时间，因为铜焊盘太小了，不想与焊料粘合。我焊接了 2 排正极和负极的金属丝。为了防止短路，我使用了热胶作为绝缘材料。这比电线干净得多，但花了我更长的时间，因为我正在检查短路。我建议您仅在有万用表检查短路时才这样做。您可以使用电阻模式进行检查，将一个探头放在正极上，将一个探头放在负极上，如果显示 0 或发出哔哔声，则表示您短路。我还强烈建议您在数据板上镀锡，因为我没有这样做，这使得第 2 个焊接步骤非常困难。

## 第 19 步：粘合

现在我们必须粘合 LED 灯条。我们还不打算焊接数据引脚，因为它们相距很远，但是一旦 LED 安装在球体上，LED 的数据引脚就会彼此相邻。为了粘合它，我建议使用一些带有加速器的 CA 粘合。仔细检查您是否已写入每个级别的 LED 数量，然后取下胶带。

## 第 20 步：Soldering_2（组装）

现在我们需要焊接数据引脚。首先，如果您没有 LED，请给 LED 镀锡，然后给电线镀锡。我还建议减少数据线的长度，因为我的数据线太大了，这导致了非常难看的外观。一旦你的数据线都焊接好了，你需要测试它是否有效。这意味着我们需要上传代码。

注意：

尽管焊接看起来像 2 个步骤，但我花了一整天的时间来完成焊接。如果您决定这样做，请在焊接所有东西时耐心等待。此外，要非常脆弱，因为电线会想要解开，这可能会撕裂铜垫，弄乱整个条带。

## 步骤 21：代码（程序集）

Code (assembly)
现在我们需要对其进行编码。首先，您需要确保我的 IR 遥控器值与您的值一致。要测试此作，请将代码上传到 Arduino 并按下按钮。如果你能改变颜色，你就会知道一切都正常。如果没有任何反应，您需要转到串行监视器。每次按下按钮时，它都应该显示该值。您需要更改每个值，并使其与我的值相对应。接下来，您需要设置 LED 级别。所以现在你需要输入每个级别上有多少个 LED。例如，如果 LED 的第 1 级是 50，第 2 级是 50，第 3 级是 48，那么在值中应将其写为 50、50、48。现在所有颜色都应该可以工作，并且其中 3 个动画应该可以工作。最后，如果您想要表情符号动画，则需要输入更多值。您需要输入每个指示灯的位置。因此，您将从底部开始，然后加起来得出它是什么 LED。有关详细信息，请参阅照片。

## 第 22 步：布线/3D 模型

现在我们需要完成接线。您可以按照顶部的接线图进行作。然后按照图片了解如何插入所有组件。我建议将 IR 接收器和电源连接器粘合在一起。最后，您可以将扩散器（白色圆顶）粘在底座上，但我认为您不需要这样做。