基于Arduino的太阳能电池板数字生态箱(第1部分)

这篇文章来源于DevicePlus.com英语网站的翻译稿。

在今天的文章中,我们将提供一个使用Arduino构建电子套件的新方案,本文分为第1部分和第2部分。这个独特的电子套件创意来自艺术家平原真,他的作品主要以“关系”为主题。大阪艺术大学副教授平原先生使用电脑和电子设备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,现在我们来开始探索今天的内容吧。

简介

在本文中,我想要介绍一个使用太阳能的实例。通过这个例子,您可以观察到由太阳能电池板供电,并通过LED展现外观的数字生物。首先请观看以下视频。绿色光点代表的是草,由太阳能供电产生,其他光点代表吃草的动物。动物在吃饱时会自我繁殖,或者您可以通过敲击设备来生成这些光点。


该数字生态箱是一个虚拟的饲养箱。它利用背面的太阳能电池板来产生电力。动物可进行移动并吃草,吃饱后进行繁殖。当您敲击盒子时,也会有新的动物产生。

概念

不知您是否听说过Vivarium?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,设计这种生态箱是为了复制来自偏远地区的动植物的生长环境来让它们存活。后来,它成为了一种流行的装饰品。

Vivarium

在本次要介绍的电子套件中,我想通过使用太阳能电池板和LED矩阵,再现依靠外部光能保证生物生存的生态箱机制。草在5 x 5 LED矩阵中一点一点地生长。动物向长得最快的草的方向移动。在移动时,它会消耗一定的生命值,在生命值消耗至0时就会死亡。而进入草丛并吃掉食物后,动物的体能会增加。如果某只动物的体能超过了上限,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。

ecosystem

创意草图

系统结构

我们从设备的整体结构图开始。
电源使用太阳能电池板,微控制器主板选择的是易于使用的小型Arduino Pro Mini 328,显示设备使用的是易于接线的全彩串行LED灯带。此外,除了显示功能,我们还需要使用加速度计来实现用手指对设备进行控制。

power supply uses solar panels

根据整体结构对其中的各个元器件进行选择。由于需要均衡所有部分的空间布置,我们将选择占用空间小的元器件。

LED

有多种形状的LED可供选择,例如炮弹型和表贴型,最后我们决定使用全彩串行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,请将其切成五块,然后进行拼接。

full-color serial LED tape

全彩串行LED灯带

Arduino Pro Mini 328

为了便于携带,我们将使用一个小型Arduino,它可以插入带有外围电路的面包板。Arduino Pro Mini 328有两种类型,5V和3.3V,我们将使用5V类型,因为全彩串行LED灯带的电源电压为5V。

Arduino Pro Mini 328

Arduino Pro Mini 328(5V 16MHz}

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。我们选择了可以提供5V及其以上电压(可以点亮LED),且尺寸便于携带的太阳能电池板。

solar panel

OPL55A27101(5.5V 270mA)

传感器

许多加速度计都是3.3V,但是Arduino Pro Mini 328没有3.3V输出,所以我找到了可以在5V下运行的加速度计。当使用3.3V传感器时,需要使用三端稳压器来降低电压。

accelerometer

Adafruit LIS3DH 三轴加速度计

元器件清单

 

元器件型号(购买网址) 元器件数量 价格
Arduino Pro Mini 328 5V 16MHz 1x $9.95
全彩串行LED灯带 1x $24.95
FTDI USB 串行转换适配器 1x $14.00
DC 插座(兼容面包板) 1x $0.95
面包板 1x $5.90
DC插头内径2.1mm外径5.5mm 1x $9.99
太阳能电池板 1x $5.95
加速度计 Adafruit LIS3DH 1x $4.95
软跳线 10x $4.99
硬跳线 10x $10.99
盘头螺钉 M2×12mm 8x
椴木胶合板600mm x 300mm 直径3mm 1x
半透明亚克力板120mm x 120mm 直径1mm 1x

该价格不包含运费。

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较硬,那么这些接线将会比较整齐。为了将黄色和绿色跳线连接到Arduino Pro Mini 328排针,我们使用公对母转接线。使用长的软跳线在外部连接一个全彩串行LED灯带。由于太阳能电池板也被用作外部盖板,因此需要在引线上安装一个DC插头,以便于连接。
电路图显示了电路连接原理,而接线图会考虑到实际尺寸以及元器件的位置关系。如果您对此感觉不习惯,可能会觉得直接按照电路图来创建接线图更简单,但是当您之后对制作自己的电路或者构建别人的电路更加熟练时,就会很容易理解这种接线图了。

circuit diagram

接线图

circuit diagram

电路图

步骤1:焊接排针
将附带的排针焊接到Arduino Pro Mini 328等电路板上。注意不要弄错安装方向。

Arduino Pro Mini 328
将电路板长边一侧的12 x 2排引脚焊接到元件安装面上。短边一侧有6个引脚,SDA和SCL焊接在印有logo的一侧。

Arduino Pro Mini 328

加速度计
焊接元件安装面的所有引脚。

Accelerometer

DC插座
将排针和DC插座焊接到电路板上。要用更多的焊料将DC插座固定到位。

DC jack

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尖端。拆开DC插头,将引线穿过塑料管。去除引线尖端的薄膜并稍微浸泡一下焊料。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),正极(红色)引线焊接到较短端(靠近中心位置)。

attaching DC jack to solar panel

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3毫米的涂层。把焊料涂在裸露的铜线上。焊接全彩串行LED灯带的末端(箭头底部)。注意不要施加过多热量,不然灯带会发生变形。

Temporary Wiring for Full Color Serial LED tape

步骤4:组装面包板套件
根据接线图布置Arduino Pro Mini 328。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,其余的连接线为硬线。

assemble the breadbox

操作测试

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,因此在5V端安装跳线针。

USB serial conversion adapter

将USB数据线连接到USB串行转换适配器,然后连接您的PC和Arduino Pro Mini 328。虽然连接方向可以是任意的,但是请确保USB串行转换适配器部分朝内。

make the connections

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)。

Arduino IDE menu

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

small LED on Arduino Pro Mini 328 is flashing

LED 测试

下载库
使用Adafruit提供的NeoPixel库来控制全彩串行LED灯带。使用以下链接下载该库,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,看看它是如何工作的。在菜单中打开[File]> [Sketch Example]> [Adafruit NeoPixel]> [Simple]。前面的LED一个接一个被点亮,然后在16个LED被点亮之后熄灭。

front LED switches on

加速度计测试

下载库
这次要测试的是加速度计,从以下页面中下载I2C或SPI的名为“Adafruit_LIS3DH library”和“Adafruit_Sensor”的两个库,并将其放在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。从Arduino IDE菜单中打开[File]> [Sketch Example]> [Adafruit LIS3DH]> [acceldemo]并写入草图。如果您打开串行监视器并用手指点击面包板,您可以看到每个轴的变化值。

Arduino IDE menu

Arduino IDE 菜单

DevicePlus 编辑团队
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