本文分为前篇和后篇两部分，为您提供一个使用Arduino进行电子制作的新方案。这个独特的电子制作创意来自艺术家平原真，他的作品主要以“事物之间的关系”为主题。平原先生也是日本大阪艺术大学的副教授，他使用电脑和电子元器件制作了许多媒体艺术作品。近年来，他主要研究如何使用木材和石头等天然材料制作3D作品。那么，现在我们进入“用Arduino制作的太阳能电池板供电数字养殖箱”项目的【前篇】吧。

前言

大家好！我是平原。在炎热的夏日，希望在凉爽的房间享受电子制作乐趣的人应该不在少数，在本文中，我想为大家介绍一个使用太阳能的项目实例。在这个项目中，我们将制作一款由太阳能电池板供电、通过LED展现和观察生物存活情况的数字作品。首先请观看以下视频：
※此链接为Youtube视频　https://www.youtube.com/watch?v=QYFenmnMGCw

概念

不知您是否听说过“Vivarium（生态缸）”？可能很少人了解这个词。Vivarium是一种生态形式，指的是将植物和小动物放置在一个玻璃容器中，以接近自然环境的方式对其进行培育。最初，设计这种生态缸是为了再现来自遥远地区的动植物的生长环境来让它们存活。后来，它逐渐发展成为了一种观赏用的产品。

在本次要介绍的电子制作项目中，我想通过使用太阳能电池板和LED矩阵，再现“依靠外部光能让生物生存”的生态缸机制。

草在5 x 5 LED矩阵空间中一点一点地生长。动物向长得最快的草的方向移动。在移动时，它会消耗一定的体能，当体能值消耗至0时就会死亡。而当动物进入草丛并吃下食物后，其体能值会增加。如果某只动物的体能值超过了上限，就会增加相同颜色的动物。如果动物的数量增加太多，植物的数量就会减少，这意味着动物也将无法存活，因此维持生态系统的平衡至关重要。

系统结构

我们先来绘制设备的整体结构图。电源使用太阳能电池板，微控制器主板选择的是易于使用且体积小巧的Arduino Pro Mini 328，显示设备使用的是易于接线且表现力丰富的全彩串行LED灯带。另外，仅仅观赏还有点美中不足，除了显示功能，我们还需要使用加速度计来实现用手指敲击对设备进行控制。

然后，我们根据整体结构来选择相应的元器件。由于需要均衡所有部分的空间布置，我们先从选择余地小的器件开始入手。

LED

有多种形状的LED可供选择，例如炮弹型和表贴型，最后我决定使用全彩串行LED灯带，因为它易于接线、表现力极佳且易于控制。为了排列成网格状，需要将其切分成五条，然后进行拼接。

Arduino Pro Mini 328

为了使作品便于携带，我将使用一款小型Arduino，它可以和外围电路一起插入面包板。Arduino Pro Mini 328有5V和3.3V两种类型，我使用的是5V的产品，因为全彩串行LED灯带的电源电压为5V。

太阳能电池板

施加相同电压时，电流会随电池板面积的增加而增加。我从能够在电子元器件商店买到的众多产品中选择了可以提供5V以上电压（可以点亮LED）、且尺寸便于携带的太阳能电池板。

传感器

很多加速度计都是3.3V的，但是Arduino Pro Mini 328没有3.3V的输出，所以我找到了可以在5V条件下运行的产品。如果要使用3.3V的传感器，需要使用三端稳压器来降低电压。

元器件清单

元器件名称（购买网址）	数量	价格
Arduino Pro Mini 328 5V 16MHz	1个	1,243日元
全彩串行LED灯带	1条	2,970日元
FTDI USB串行转换适配器 Rev.2	1个	1,080日元
DC插座套件（DIP，兼容面包板）	1个	100日元
面包板EIC-801	1个	270日元
DC插头 内径2.1mm 外径5.5mm	1个	60日元
太阳能电池板 OPL55A27101	1枚	1,015日元
加速度计 Adafruit LIS3DH	1个	$4.95
软跳线	10根	220日元
硬跳线	10根	300日元
盘头螺钉 M2×12mm	8个	129日元
椴木板600mm x 300mm 厚度3mm	1张
半透明亚克力板120mm x 120mm 厚度1mm	1张

上表中的价格是撰写本文时的价格，而且不包含运费。

构建电路

接线图和电路图

现在我们将为该作品制作接线图和电路图。把Arduino Pro Mini 328、加速度计以及DC插座配置在面包板上。如果面包板上的直跳线采用较硬的跳线，那么这些接线看起来会比较整齐。为了将黄色和绿色跳线与Arduino Pro Mini 328的排针连接，我们需要使用公对母转接线。由于全彩串行LED灯带需要安装在外壳上，所以要使用稍长的软跳线。太阳能电池板也被用作外壳盖板，因此需要在引线上安装一个DC插头，以便于接线。

电路图是表示电路连接关系的示意图，而接线图会考虑到实际尺寸以及元器件的位置关系。在对电路图的使用还不太习惯的阶段，您可能会觉得直接按照接线图来构建电路更简单，随着电子制作经验越来越多，在自己构建电路或者采用他人的电路时，用电路图来思考会更容易理解。

步骤1：焊接排针

将附带的排针分别焊接到Arduino Pro Mini 328等电路板上。注意不要弄错安装方向。
※点击下方链接可以学习排针的焊接方法：
利用AE-BME280和Raspberry Pi读取温度、湿度和压力值

Arduino Pro Mini 328

将电路板长边一侧的12 x 2排引脚焊接到器件安装面上。短边一侧有6个引脚，SDA和SCL需要焊接在印有Logo的一侧。

加速度计

在器件安装面焊接加速度计的所有引脚。

DC插座

将排针和DC插座焊接在电路板上。要用稍多的焊料将DC插座固定到位。

步骤2：将DC插头连接到太阳能电池板上

将DC插头焊接到太阳能电池板引线的端部。拆开DC插头，将引线穿过塑料管。去除引线端部的绝缘套管并稍微蘸一下焊料。预先将焊料放在DC插头支架上。把负极（黑色）引线焊接到支架的较长端（远离中心位置），把正极（红色）引线焊接到较短端（靠近中心位置）。

步骤3：全彩串行LED灯带的临时接线

为了进行测试，将LED灯带进行临时接线。剪断跳线连接器并去除约3mm长的绝缘套管。把焊料涂在裸露的铜线上。焊接全彩串行LED灯带的末端（箭头根部）。注意不要施加过多热量，不然灯带会变形。

步骤4：组装面包板

根据接线图布置Arduino Pro Mini 328等器件。全彩串行LED灯带的接线以及连接Arduino Pro Mini 328和加速度计SDA、SCL的跳线是软的，其余的连接线采用硬线，这样看起来更美观。

工作测试

电路构建已经完成，现在我们来对每个部分的功能进行测试。

读取Arduino Pro Mini 328

本次使用的USB串口转换适配器具有切换工作电压的功能。由于使用的是电压为5V的Arduino Pro Mini 328，因此需要在5V端安装跳线针。

将USB数据线与USB串口转换适配器连接，然后连接您的电脑和Arduino Pro Mini 328。虽然连接方向可以是任意的，但是请确保USB串口转换适配器朝内。

打开Arduino IDE的菜单进入[Tools]> [Board]，选择Arduino Pro或者Pro Mini，然后进入[Tools]> [Processor]，选择ATmega328P （5V, 16MHz）。

我们来尝试写入一个示例进行测试。在菜单中打开[File]> [Sketch Example]>
[01.Basic]> [Blink]并进行写入。如果Arduino Pro Mini 328上的小LED开始闪烁，那就证明您成功了。

LED 测试

下载库文件

我们使用Adafruit提供的NeoPixel库来控制全彩串行LED灯带。请通过以下链接下载该库，并将其放在Arduino IDE的库文件夹中。
>>https://github.com/adafruit/Adafruit_NeoPixel

示例草图

现在我们来写入一个示例草图，看看它的工作情况。在菜单中打开[File]> [Sketch Example]> [Adafruit NeoPixel]> [Simple]并写入草图。从跟前的LED开始，LED一个接一个被点亮，然后在16个LED被点亮之后熄灭。

加速度计测试

下载库文件

这次使用的加速度计支持I2C或SPI输出，请从以下链接页面中下载的名为“Adafruit_LIS3DH library”和“Adafruit_Sensor”的两个库，并将它们放在Arduino IDE的库文件夹中。
>>https://learn.adafruit.com/adafruit-lis3dh-triple-axis-accelerometer-breakout/arduino

示例草图

我们使用该示例测试加速度计对敲击的检测情况。从Arduino IDE菜单中打开[File]> [Sketch Example]> [Adafruit LIS3DH]> [acceldemo]并写入草图。如果您打开串口监视器并用手指轻轻敲击面包板，应该可以看到每个轴的数值变化。

怎么样，大家喜欢这个项目吗？在【前篇】中我们对作品工作情况进行了测试，在【后篇】中我们将继续进行硬件的制作，敬请期待！

 

 

本系列连载的内容

前篇：用Arduino制作的太阳能电池板供电数字养殖箱（本文）
后篇：用Arduino制作的太阳能电池板供电数字养殖箱