项目1 按钮台灯

第1节 概述

智能硬件有意思，现在市场上有很多针对普通消费者的智能硬件。例如，智能灯泡、智能插座、智能电子秤，甚至无人飞行器。抛开这些智能设备实现的功能不谈，它们的实现原理都是大同小异：通过手机的蓝牙（或者wifi网络），连接智能硬件上的蓝牙模块，向蓝牙模块发送各种控制命令，让硬件工作起来。

也许你只是个普通的软件开发者，对硬件毫无概念，也不要着急，我们向纯软件开发者推荐一个很好的智能硬件入门平台Arduino，以此为基础，逐步熟悉智能硬件开发。

万事开头难，本章将从最简单的智能LED灯开始，向大家介绍一个智能硬件是如何设计并实现的。

当本章完成之后，大家将会得到一个按钮控制开启关闭的台灯。如下图的作品，

并且可以通过手机控制LED灯的明暗强弱。

在开始以前，假设做好如下准备：

• Arduino开发板；
• 一根连接电脑和Arduino开发板的数据线；
• 一个LED显示灯；
• 一个按钮开关；
• 一个旋钮电位器；
• 若干积木零件；
• 完成基础课程中的部分内容，以及LED灯、按钮、旋钮电位器等外接传感器的基本使用方法；

1.1 功能定义

LED灯的功能很简单，

1. LED灯有个实体的开关，能够打开关闭LED灯；
2. LED灯上有一个旋钮，可以用它调节灯的亮度；
3. LED灯的外观要简洁实用；

1.2 硬件功能

Arduino开发板有多种型号，这里我们选择Arduino UNO或者MEGA开发板作为智能硬件的控制板。

开发板外接的LED灯模块大同小异，都是3个引脚，需要将它们连接到Arduino开发板上。

如果使用的是其他类型的LED灯也没有关系，它们大同小异，观察下引脚就可以了。

开发板要外接一个按钮开关，用来控制LED灯的开关。

旋钮电位器用来调节LED灯的亮度，它可以检测旋转的角度，角度不同，输出的数值大小也不同，

为了在开发板上同时接入多个传感器器件，需要使用扩展板，

或者

1.3 硬件结构

硬件组装好以后，需要为它设计一个简洁实用的外壳，将开发板、连接线、LED灯包裹起来。

作为个人设计的智能硬件，一定是个性化的产品。开发者可以采用3D模型软件设计一个精巧的外形，然后通过3D打印机将它变成现实，再和我们之前的智能硬件组合起来。

但是3D建模也是需要花费一定时间和精力学习的。这里我们准备采用积木拼接的方式搭建一个LED灯的外部结构。积木颗粒众多，可以随意插入和拆卸，可定制性很高，各位开发者也可以根据自己的创意随意的修改外形，设计成世界上独一无二的智能LED灯。

第2节 硬件端的开发

现在，我们开始实现智能LED灯硬件相关部分的设计。

2.1 硬件连接

选择了Arduino开发板 、旋转电位器、LED灯模块和三引脚按钮开关以后，就需要把它们组合起来，为我们所用了。

因为同一个开发板要连接多个外接硬件，这时就需要Arduino扩展板出场了。

将Arduino开发板和扩展板上下插入后，引脚就扩展出来了，

LED灯模块有3个引脚需要与开发板连接。这里我们选择UNO板的D9引脚作为LED灯的PWM控制引脚（当然可以选择任何其它具有PWM功能的引脚），

旋转模块有3个引脚需要与开发板连接。这里我们选择UNO板的D4引脚作为调光输入的模拟引脚（当然可以选择任何其它模拟引脚），

最后，将按钮开关接入Arduino UNO开发板的D5引脚，

全部组装好后，如下图，

2.2 代码实现

1. 初始化时，在setup()函数中，```cpp //定义按钮开关使用的引脚编号， //这里使用的是数字引脚5， const int BUTTON_PIN = 5;

//定义LED灯模块使用的引脚编号， //这里使用的是数字引脚9， //这是一个具有PWM功能的引脚 const int LED_PIN = 9;

//定义旋转电位器模块使用的引脚编号， //这里使用的是模拟引脚4， const int ROLLING_SWITCHER = 4;

//初始情况下，按钮是没有按下的，所以是HIGH电平 int oldButtonState = HIGH;

//初始情况下，灯是关闭的 bool isLightOn = false;

void setup() { Serial.begin(9600);

//设置按钮的引脚为输入 pinMode(BUTTON_PIN, INPUT); //设置旋转电位器的引脚为输入 pinMode(ROLLING_SWITCHER, INPUT); //设置LED灯的引脚为输出 pinMode(LED_PIN, OUTPUT); //设置LED灯的初始状态为关闭 isLightOn = false; }

2. 增加对按钮开关的逻辑控制，```cpp
void loop() {
  int buttonState = digitalRead(BUTTON_PIN);
  if(buttonState == LOW && oldButtonState == HIGH)
  {
    //  当前被按下（LOW），之前没有被按下（HIGH），
    //  说明使用者按下了按钮
    Serial.println("button press down");
    oldButtonState = buttonState;
  }
  else if(buttonState == HIGH && oldButtonState == LOW)
  {
    //当前没有被按下（HIGH），之前被按下（LOW），
    //说明使用者松开了按钮
    //此时需要对灯灯开关状态做设置：以前是开启状态，说明要关闭；以前是关闭状态，说明要开启
    Serial.println("button press up");
    oldButtonState = buttonState;
    isLightOn = !isLightOn;
    Serial.println(isLightOn);
  }
  if(isLightOn) {
    //如果灯是开启的，那么需要从电位器获取数值，设置灯的亮度
    int value = analogRead(ROLLING_SWITCHER);
    value = map(value,0,1023,0,255);
    analogWrite(LED_PIN, value);
  } else {
    //如果灯是关闭的，直接这是亮度为0
    analogWrite(LED_PIN, 0);
  }
}

1. 将程序部署到Arduino UNO/MEGA开发板上。

第3节 LED灯的外形结构

设计外形结构的时候，可以选择3D建模，然后用3D打印机打印出来的设计方式，也可以简单的使用积木拼接。我们选择用拼接积木的方式，给LED灯搭建外形。

结构设计是一个很有意思的事情。给自己开发的智能硬件做一个个性化的外形十分的令人激动。

3.1 设计软件

LEGO Digital Designer是一款操作简单的、乐高积木设计软件。我们可以用它来进行智能硬件外观的设计，设计完成后把它拼接出来。

这是一款免费的软件，可以在乐高的官网这里根据自己使用的电脑操作系统下载。

3.2 软件使用

打开软件开始，创建新文件，开始设计外形，

拖动左边区域中的零件，摆放到右边底板上，开始模型到设计，

下图就是我们给出的一个可能的设计方案。

3.3 实际效果

如果你有兴趣自己设计，那么可以将它搭建成如下灯样子，

如果你更加喜欢自己设计台灯，可以使用更多的积木组件进行搭建。

第4节 改进方向

简单的LED按钮灯就设计完了。相信大家看到这个完全由自己打造的硬件玩具一定充满了成就感。

虽然这只是个功能上还比较阳春的智能硬件原型，但是你可以根据自己在实际使用中的感受，给它加入更多实用的功能。例如，

1. 给它加上红色、绿色、蓝色的灯泡，让LED灯能呈现出更多的色彩；
2. 同时增加手机端控制软件的功能，设定不同的场景，让LED灯能在不同的场景下变幻不同的灯光颜色和亮度；
3. 使用声控开关，用声音来控制台灯的开启；
4. 用积木拼出更多形状有特点的LED灯；

附件

整个项目的连线方式：

整个项目的代码：

//定义按钮开关使用的引脚编号，
//这里使用的是数字引脚5，
const int BUTTON_PIN = 5;
//定义LED灯模块使用的引脚编号，
//这里使用的是数字引脚9，
//这是一个具有PWM功能的引脚
const int LED_PIN = 9;
//定义旋转电位器模块使用的引脚编号，
//这里使用的是模拟引脚4，
const int ROLLING_SWITCHER = 4;
//初始情况下，按钮是没有按下的，所以是HIGH电平
int oldButtonState = HIGH;
//初始情况下，灯是关闭的
bool isLightOn = false;
void setup() {
  Serial.begin(9600);
  //设置按钮的引脚为输入
  pinMode(BUTTON_PIN, INPUT);
  //设置旋转电位器的引脚为输入
  pinMode(ROLLING_SWITCHER, INPUT);
  //设置LED灯的引脚为输出
  pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
  //设置LED灯的初始状态为关闭
  isLightOn = false;
}
void loop() {
  int buttonState = digitalRead(BUTTON_PIN);
  if(buttonState == LOW && oldButtonState == HIGH)
  {
    //  当前被按下（LOW），之前没有被按下（HIGH），
    //  说明使用者按下了按钮
    Serial.println("button press down");
    oldButtonState = buttonState;
  }
  else if(buttonState == HIGH && oldButtonState == LOW)
  {
    //当前没有被按下（HIGH），之前被按下（LOW），
    //说明使用者松开了按钮
    //此时需要对灯灯开关状态做设置：以前是开启状态，说明要关闭；以前是关闭状态，说明要开启
    Serial.println("button press up");
    oldButtonState = buttonState;
    isLightOn = !isLightOn;
    Serial.println(isLightOn);
  }
  if(isLightOn) {
    //如果灯是开启的，那么需要从电位器获取数值，设置灯的亮度
    int value = analogRead(ROLLING_SWITCHER);
    value = map(value,0,1023,0,255);
    analogWrite(LED_PIN, value);
  } else {
    //如果灯是关闭的，直接这是亮度为0
    analogWrite(LED_PIN, 0);
  }
}