Mixly系統(tǒng)設(shè)計(jì)3：玩轉(zhuǎn)流水燈

吳俊杰

本期我們開(kāi)源項(xiàng)目的主題是常見(jiàn)的編程項(xiàng)目——流水燈。如果有兩個(gè)LED，每個(gè)LED都可以獨(dú)立控制，那么它們閃亮的形式可以分為：①一起亮。它們同步亮同步滅。②帶動(dòng)亮。一個(gè)LED亮之后帶動(dòng)后面的一個(gè)LED亮，此前的LED并不熄滅。③接力亮。一個(gè)LED亮過(guò)之后熄滅一段時(shí)間，接下來(lái)下一個(gè)LED開(kāi)始亮，就像接力比賽一樣。如果LED比較多，看上去像是一個(gè)LED在移動(dòng)一樣，這種形式更符合流水燈這個(gè)名字。④二選一亮。兩個(gè)燈每次隨機(jī)選擇任意一個(gè)LED亮。⑤隨機(jī)亮。每個(gè)LED都是隨機(jī)閃亮，兩個(gè)LED之間沒(méi)有排他關(guān)系。本次選擇的流水燈，項(xiàng)目涉及更多數(shù)目的LED，但原理是相同的。

● 制作：LED排排站，開(kāi)始點(diǎn)名了

0號(hào)口和1號(hào)口空置，將數(shù)字引腳的2號(hào)口和3號(hào)口插一個(gè)LED燈，其中2號(hào)接負(fù)極，3號(hào)接正極。接下來(lái)，依次類(lèi)推，4、6、8、10、12接LED的負(fù)極，5、7、9、11、13接LED的正極（如圖1）。LED像是一排站好隊(duì)列的士兵，通電以后，發(fā)現(xiàn)它們會(huì)像士兵報(bào)數(shù)一樣依次亮起來(lái)，產(chǎn)生流水燈的效果。

在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，我發(fā)現(xiàn)每位學(xué)生的LED閃爍的速度都不一樣，有的很快，有的很慢，因此我鼓勵(lì)他們大膽地去“觸摸”電路板（如圖2）。學(xué)生在觸摸時(shí)發(fā)現(xiàn)手指摸這個(gè)區(qū)域后，燈有時(shí)閃得很快，甚至幾乎看不到閃爍，有時(shí)又閃得很慢，這是因?yàn)橛幸粋€(gè)輸入的信息在控制LED的閃爍速度。

這個(gè)信息就是端口A0的輸入電壓轉(zhuǎn)換成了模擬輸入A0的數(shù)值，在連接上，可以使用一個(gè)10千歐電位器，將其兩端接power區(qū)的5V和GND（不分左右），中間接A0端口，此時(shí)旋轉(zhuǎn)電位器（如圖3），我們就能夠看到電位器旋鈕可以很好地控制LED的閃爍速度，旋轉(zhuǎn)到一端時(shí)，不閃爍，所有LED一直亮；旋轉(zhuǎn)到另一端時(shí)閃爍時(shí)間比較慢，間隔時(shí)間大概有兩秒。

● 改裝：認(rèn)識(shí)電位器

通過(guò)觀察我們可以判斷每一個(gè)LED持續(xù)亮的時(shí)間都是相同的，這需要使用Mixly中的“延時(shí)……毫秒”來(lái)完成，而這個(gè)命令中一定包含一個(gè)與A0輸入相關(guān)的參數(shù)。我們可以使用一個(gè)秒表來(lái)研究這一問(wèn)題，將電位器旋轉(zhuǎn)到閃爍最慢的位置，測(cè)量整組燈流水十次所需要的時(shí)間，共計(jì)112.9秒。通過(guò)相應(yīng)的計(jì)算式，我們可以得到每個(gè)燈閃亮的時(shí)間為122.9/10/6=2.048秒，換算為毫秒是2024毫秒，而旋轉(zhuǎn)到另一端以后所有LED長(zhǎng)亮說(shuō)明此時(shí)輸入值為0，通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以猜想A0數(shù)值伴隨旋鈕的變化而變化，變化范圍為0～2048。

科學(xué)研究只是改裝的一個(gè)序曲，我們可以將六個(gè)LED固定在一個(gè)盒子上，拍成一定的形狀，用旋鈕控制LED的閃爍頻率（如圖4）。

在電路的連接上，電位器的連接可以將5V和GND之間的距離拉得稍遠(yuǎn)一些，用紅色導(dǎo)線接5V，黑色導(dǎo)線接GND，藍(lán)色導(dǎo)線接A0，用排針引線，注意5V和GND處線要繞完，不要搭在外面，因?yàn)樗鼈冎g的短路會(huì)導(dǎo)致Arduino死機(jī)，有時(shí)還會(huì)造成電腦的USB端口短路，但是一般不會(huì)損傷電腦，因?yàn)榻^大部分電腦的USB端口都有短路保護(hù)功能。需要說(shuō)明的一點(diǎn)是：使用手機(jī)充電電源或者充電寶供電5V和GND，如果短路，Arduino板子上的短路保護(hù)能夠緩解這種情況對(duì)手機(jī)電源適配器或者充電寶的傷害，但是不要長(zhǎng)時(shí)間這樣做，而且也要盡可能選擇正規(guī)的帶短路保護(hù)功能的電源適配器或者充電寶（如圖5）。

此外在旋鈕的連接上，由于電位器的引腳很短，導(dǎo)致繞線容易脫落，鑒于此我們可以將導(dǎo)線先穿到電位器的小孔里再繞線這樣就不會(huì)脫落了，繞線的過(guò)程中同樣需要注意防止不同引腳上的導(dǎo)線彼此搭上（如圖6）。

最后是連接LED，可以將一組排針中相鄰的兩個(gè)彎折，呈對(duì)開(kāi)狀，3mm六棱銅柱可以作為很好的彎折排針的工具，我們?cè)趶澱酆蟮呐裴樕侠@線，可以避免短路（如圖7）。

在改裝的過(guò)程中，涉及各種各樣的工藝問(wèn)題，“工藝”就是我們常說(shuō)的制作技巧或者注意事項(xiàng)。在教學(xué)中，比較各種工藝間的優(yōu)缺點(diǎn)，探究和發(fā)現(xiàn)新的工藝常?？梢宰鳛橐粋€(gè)培養(yǎng)和考查學(xué)生能力的測(cè)量指標(biāo)，而主動(dòng)追求極致的工藝更是我們所要培養(yǎng)的“大國(guó)工匠”所需要的一種品質(zhì)。

● 玩轉(zhuǎn)：模擬量輸入揭秘

首先，6個(gè)發(fā)光二極管的負(fù)極接2、4、6、8、10、12端口，他們的電壓被程序的初始化模塊置低，相當(dāng)于一個(gè)可以通過(guò)小電流的負(fù)極，它的電壓與GND相當(dāng)，但是不能驅(qū)動(dòng)馬達(dá)等大電流設(shè)備，代碼如圖8所示。

其次，主程序被分割成6個(gè)子程序，在Mixly中，子程序的功能很強(qiáng)大，支持參數(shù)和返回值，可以有很多更為復(fù)雜的算法，但是在這里我們只用于提高程序的可讀性。下頁(yè)圖9的代碼中，z1到z6分別指點(diǎn)亮一盞燈，熄滅其他燈。

看到主程序之后，我們就清楚了之前在改裝緩解測(cè)定的最長(zhǎng)延時(shí)時(shí)間2048毫秒的意義了，原來(lái)A0端口輸入的范圍是0～1023，擴(kuò)大兩倍之后放大為0～2046，考慮到實(shí)驗(yàn)誤差，這樣的結(jié)果已經(jīng)很精確了。每個(gè)子程序的結(jié)構(gòu)類(lèi)似，都是置高一個(gè)LED正極所在引腳的電壓，置低其他引腳的LED的電壓，代碼如圖10所示。

至此，我們就完成了對(duì)程序的解讀，事實(shí)上，如果將LED的負(fù)極都連接在GND引入的一根導(dǎo)線上，可以將數(shù)字端口0～13共計(jì)14個(gè)LED都做成流水燈，但是需要注意的是0和1端口，在燒寫(xiě)程序時(shí)不能接插LED，因?yàn)檫@兩個(gè)端口在燒寫(xiě)程序時(shí)會(huì)被占用。

● 分享：獨(dú)一無(wú)二的LED燈串

流水燈的效果常用在自動(dòng)售貨機(jī)等單片機(jī)控制系統(tǒng)上，一方面它很美觀，能吸引他人的注意力，另一方面也能夠直觀地顯示出控制系統(tǒng)是否工作正常，一旦停止“接力亮”，就說(shuō)明主程序死機(jī)需要重啟。在這個(gè)項(xiàng)目的改進(jìn)過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)一個(gè)LED不夠酷，如果是一排LED項(xiàng)目就會(huì)炫酷很多，但是采用傳統(tǒng)的繞線方法將10個(gè)很密集的LED并聯(lián)非常費(fèi)時(shí)費(fèi)力，于是我們做了工藝上的改進(jìn)，發(fā)明了“銅箔膠帶法”并聯(lián)引腳，解決了這個(gè)問(wèn)題，如圖11所示。在具體使用過(guò)程中，我將有銅箔的兩部分對(duì)折，一排LED的引腳就并聯(lián)起來(lái)了。

教師在工程教育中往往希望學(xué)生把夢(mèng)想變成現(xiàn)實(shí)，而在夢(mèng)想變成現(xiàn)實(shí)的過(guò)程中，很多人都忽視了對(duì)工藝的探究。對(duì)于一名大國(guó)工匠而言，別人解決不了的問(wèn)題在很大程度上不是技術(shù)的問(wèn)題，更不是科學(xué)知識(shí)的問(wèn)題，而是怎么做得更快更巧的問(wèn)題。我們?cè)趶?qiáng)調(diào)藝術(shù)融入到工程教育的同時(shí)，不要忘記工藝本身這個(gè)“藝”字就是指出神入化的技藝，這和藝術(shù)的追求在本質(zhì)上是一致的。對(duì)工藝的探究，應(yīng)該成為一個(gè)自然的工程教育的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)目標(biāo)。而讓學(xué)生體會(huì)到追求工藝的快樂(lè)則是培養(yǎng)大國(guó)工匠的一個(gè)捷徑，就像研發(fā)帶有銅箔的膠帶一樣，如果沒(méi)有這種新工藝，估計(jì)很多人就都不得不用電焊完成這么復(fù)雜的燈了。

本案例的分享視頻將會(huì)在以下公眾號(hào)中陸續(xù)登載。