巧用光的三原色
——用可編程電子積木和3D 打印設(shè)計(jì)制作光的三原色合成演示燈

河北省唐山市第四十九中學(xué) 解忠良

河北省唐山市開平區(qū)教育局 李慧

學(xué)校為發(fā)展創(chuàng)客教育，先后開設(shè)了3D打印、Scratch 創(chuàng)意編程、可編程電子積木（CUBIC）等創(chuàng)客課程。今年3 月5 日，我們以“學(xué)習(xí)雷鋒同志”為主題，組織學(xué)生設(shè)計(jì)制作“光的三原色合成演示燈”，其硬件外形由3D 打印技術(shù)制成，內(nèi)部為可編程電子積木，軟件來自Scratch 創(chuàng)意編程，采用Scratch PI對(duì)可編程電子積木進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。

一、硬件部分

1.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

演示燈分為底座、頂蓋兩部分，底座（如圖1）為缺一面的六面體，長(zhǎng)、寬、高各100 毫米。抽殼后，外徑長(zhǎng)、寬各100 毫米，內(nèi)徑長(zhǎng)、寬各94 毫米，厚3 毫米。

圖1 底座

頂蓋（如圖2）有外沿和內(nèi)沿。外沿的長(zhǎng)、寬各110 毫米，厚4 毫米，內(nèi)沿的外徑長(zhǎng)、寬各93.6 毫米，內(nèi)徑89.6 毫米，高8 毫米，厚2 毫米。蓋子高為12 毫米。

圖2 頂蓋

頂蓋有四個(gè)小孔，一個(gè)大孔。大孔直徑約為15 毫米，用以穿數(shù)據(jù)線。每個(gè)小孔的直徑約為5 毫米，成矩形分布（長(zhǎng)：孔距=48 毫米，寬：孔距=32 毫米），用于安裝程控主機(jī)底座和RGB 彩燈。

2.設(shè)計(jì)思路

在設(shè)計(jì)頂蓋和底座時(shí)，充分考慮到學(xué)校3D 打印機(jī)的打印精度為0.1 毫米，因此，底座的內(nèi)徑減去蓋子內(nèi)沿的外徑為：94 毫米-93.6 毫米=0.4 毫米。底座的橫截面是正方形，平均到兩邊，每個(gè)接觸面之間的空隙就是0.2 毫米。只有確保打印出的底座與蓋子蓋合時(shí)的間隙在0.2 毫米以內(nèi)，才能讓頂蓋在嵌入底座后嚙合，如果間隙大于0.2 毫米，則不能蓋緊，間隙小于0.2 毫米，則蓋子不能嵌入底座。這里的0.2 毫米是頂蓋的內(nèi)沿嵌入到底座的內(nèi)徑后之間的理想間隙，也是設(shè)計(jì)底座與頂蓋大小的關(guān)鍵。

3.外觀設(shè)計(jì)

使用浮雕技術(shù)將雷鋒同志的四幅圖片雕刻在底座四周。

二、軟件部分

可編程電子積木使用樹上科技公司生產(chǎn)的CUBIC 基礎(chǔ)版，使用的電子積木有：控制器1 個(gè)，RGB 全彩燈1 個(gè)，數(shù)據(jù)線1 條。數(shù)據(jù)線用于將RGB 全彩燈連接在控制器的1口；軟件使用的是樹上科技Scratch PI 設(shè)計(jì)。

1.燈光設(shè)計(jì)

CUBIC 的RGB 全彩燈可發(fā)出紅、綠、藍(lán)三原色光，利用光的三原色原理進(jìn)行合成，形成七彩燈。

紅光、綠光、藍(lán)光可合成的色光為：紅光+綠光=黃光；綠光+藍(lán)光=青光；紅光+藍(lán)光=品紅光；紅光+綠光+藍(lán)光=白光。

2.程序設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)如圖3。

圖3 程序設(shè)計(jì)

3.程序執(zhí)行順序

紅燈亮，持續(xù)2 秒；

紅燈滅，綠燈亮，持續(xù)2 秒；

綠燈滅，藍(lán)燈亮，持續(xù)2 秒；

藍(lán)燈滅，紅燈、綠燈亮，持續(xù)2 秒；

紅燈滅，藍(lán)燈、綠燈亮，持續(xù)2 秒；

綠燈滅，藍(lán)燈、紅燈亮，持續(xù)2 秒；

紅燈、綠燈、藍(lán)燈全亮，持續(xù)2 秒；

重復(fù)執(zhí)行以上程序。

三、組裝與演示

學(xué)生使用3D 打印機(jī)完成底座與頂蓋的打印后，通過連接銷和方框梁將寫入程序的核心控制器安裝在頂蓋上方，將RGB 全彩燈安裝在頂蓋下方，數(shù)據(jù)線通過頂蓋的大孔，一端接入控制器的數(shù)據(jù)1 口，一端接入RGB全彩燈上，再將頂蓋與底座蓋緊，光的三原色合成演示燈就制作完成了。打開開關(guān)，就可以看到如圖4 的演示效果。

圖4 演示效果