要有光!点亮你的乐高套装!新手照明DIY入门及街景灯光改装教学

乐高模型的发光照明改装一直是moc爱好者之间交流的热门话题,在今天这篇文章里,我们将介绍如何以不同方式来点亮你的套装,并会结合各种模型情况给你一些提示建议。

如果你想点亮自己的乐高套装甚至是moc模型,那能用到的方式其实是多种多样的,从电子套件中的标准LED与简单开关,到专门制作的电路板,再到通过微型电脑甚至是自编程应用来控制发光。取决于你的经验、储备的知识和手上的设备,这些实现方式难度各不相同。为了让所有的读者有机会自己建造一些灯光效果,文中专门介绍了一些适合初学者们的方法,而另一些则更适合有基础及经验的爱好者们。为了尽可能地保持文章的可读性和趣味性,内容主要是关于如何实现,较少的涉及到技术知识。

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乐高与LED,两个平行世界?

很多人可能不会想到乐高与市面上的电子元件是兼容匹配的,这两者并不是处于平行世界,而是有着一些相似之处可以利用,避免让你用胶水甚至钻孔(想想就可怕…)的方式在砖块上安放LED灯。直径5mm的LED与乐高螺柱大小差不多,而3mm的LED则与“开口螺柱”(带孔的螺柱)的内径大小相当。这便提供了各种可能性,我们可以将小灯放置在砖块中,从而尽可能地隐藏在建筑物中。

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乐高积木与3mm(左)和5mmLED(右)的组合

除了“通孔”(通过砖块的自带孔位安装)技术外,我们还将在今后的文章中介绍“表面元件”(用于在模型表面安装的部件)技术,由于其极小的体型设计,在乐高模型中提供了许多新的可能性。


“要有光”——初学者的简单照明

首先让我们从最简单的方法开始,来为套装或你自己的模型加上灯光。原则上,你只需要三样东西:所需颜色的LED,合适的电阻和一个合适的电源。最简单的解决方案是使用家里常用的电池。如果是9V方块大电池,可以用一个简单的电池扣(夹)将这些电池集成到自己的电路中,如果是AA(五号)电池,可以用一个小的电池盒(这些X宝上或者五金店都有卖的,很便宜)。

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一旦你决定好了用哪种颜色的发光二极管,那接下来设计合适的串联电阻是必不可少的!这时你就会想,我要怎么做?每个发光二极管都有一定的使用要求,即额定电流和电压,在这个范围内它才可以发挥应有的作用。这些数值可以从LED的参数中获得,不过大多数情况下你都可以从发光二极管名称或商品描述中得知(比如类似:20mA 2.25V 5mm LED红光发光二极管)。由于LED的内部电阻很低,所以当施加所需电压时,会有比允许值高得多的电流流过,这将会直接烧掉发光二极管。因此,要使用一个串联电阻将电流和电压限制在所允许的范围上。要计算一个LED所需的串联电阻,从电源电压中减去LED所需的电压,然后将结果除以指定的电流(基础物理知识啊,同学们!小学生读者们除外…)。公式如下

R = (UV – ULED) / ILED

如果你拿着上面提到的那个2.25V的LED,用三节AA电池来进行操作(串联:3 x 1.5 V = 4.5 V),你得到的电阻数值为112.5欧姆。你不会在每一次计算后都找到一个正好是这个值的组件,这也很正常,最安全的做法是选择比这值稍高一些的电阻,所以在这个例子中,你可以选择使用120欧姆的电阻。

许多网站也可以通过输入电源和LED电压值以及所需电流来帮助完成这一步的设计(你可以去搜搜“LED电阻计算器”)。当然,你也可以把几个(不同颜色)的LED并联起来,每个都有自己合适的串联电阻。

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用树莓派(Raspberry Pi)控制LED

小巧而功能强大的卡片式电脑“树莓派”(Raspberry Pi )多年来在业余爱好者中非常受欢迎。你们中的一些人可能已经在家里有一台了,而且在学校或大学的项目中也经常会使用到这种微型计算机。因此,我们用树莓派来进行我们的第一个灯光项目。

如果你只想点亮你的模型(即只是控制灯光的“开”或“关”),那你当然可以像上面提到的只使用电池盒来供电,这比使用树莓派既简单又便宜。然而,随着我们的深入,我将展示一些带变化的灯光(闪烁等)的例子,我们就需要一种简单而灵活的方式来控制它们。不过在第一个项目中也可以用任何电源来实现,因为在这里树莓派只作为一个恒定的电源使用。

如果你对这个设备没有任何使用经验,你可以通过在网上搜索”树莓派设置“这样的关键词来找到快速帮助,或者通过商家的入门学习文档,让你熟悉起来(未来酷玩潮也会持续更新相关的基础知识)。一旦操作系统被成功安装,图形用户界面被激活,该设备就可以近似普通计算机一样操作(尽管是以Linux作为操作系统)。然而,与PC不同的是,树莓派有着所谓的GPIO引脚,GPIO(General Purpose I/O Ports)意思为通用输入/输出端口。因此,这些也可以用来控制连接到它们的LED。

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树莓派的GPIO引脚

正如一开始提到的,这里的重点应该是照明与乐高模型的结合,所以下面将只讨论与实施有关的技术细节。更深入的基础知识,你可以在网上找到。


第一个项目

我们的第一个项目是街景建筑的照明,这样选择有两个好处。首先,街景建筑内部通常有足够的空间来容纳即便是5mm这样的“大”LED,并能更好地将其隐藏起来;其次,街景房间里的灯通常只需要“开”的状态。

作为测试对象,我选择了街景系列中的乐高10264街角汽车维修站,并在每层楼上配备了相应颜色的LED。

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乐高10264街角汽车维修站带LED版

上面两层生活空间被照成黄色以提供舒适的居住氛围,而底层的加油站和维修车间的内部则发出白色的光芒,以还原店内霓虹灯的效果。如果你使用树莓派供电,你所需要做的就是直接通过5V输出给LED供电。这样一来,当电路板被打开时,房子里的灯就会一直亮着。这里的电源也可以用其它任何方案来实现。然而,由于第一个项目也是后面更复杂照明的基础,我们还将沿着这个方向逐步学习如何使用树莓派。

为了将电源分配给所有的LED,可以从树莓派上接出一个包括所需串联电阻的面包板分配器,然后从该面包板上为所有LED灯提供电源线(网上应该有卖带面包板及类似功能的LED套件的,还可用于树莓派)。树莓派不能随意提供电力数值,GPIO输出可以提供最大50mA的电流,但5V引脚的功能要更强大一些,可以提供树莓派的USB输入电流(约1A),当然要减去电路板上其它负载的消耗。但由于目前没有连接其它负载,我们可以很轻松地使用六个LED来照亮角落车库(约120mA),而不会超载。这样我们可以为每层楼配备两盏灯,并相应地将电线剪成所需长度即可。

注意:连接到5V引脚的电缆决不能接触到电路板上的任何其它引脚或导电区域,否则在最糟糕的情况下,树莓派可能会损坏!

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街角汽车维修站照明电路配置

一旦LED被连接成所需的颜色和合适的电缆长度,就必须将电缆巧妙地铺设在建筑物内。灯光应该要足够均匀和强烈地照亮所有房间,而且从外面看还尽可能不被发现

街角汽车维修站在底层有一个后门,我用这扇门把树莓派的两个电路设施放到大楼里。就在进门的后面,放置着面包板。这是用乐高积木最省空间的方式固定的,如此在楼上铺设电缆时就不会意外地拖动。

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街角汽车维修站的底层电路板安装

街景建筑的楼梯是铺设通往高层的电缆的好地方。为了使电缆不那么容易通过窗户被看到,如果可能的话,它们被放在地板上并沿着墙壁铺设。使用你自己收藏的乐高积木,你可以在这里建立非常简单的支架,把电缆固定在你想要的地方。

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用乐高积木做的“束线器”

为了给所有房间都能提供均匀照射到的灯光,我把LED主要放在建筑物的窗户之间。同样,可以用普通的砖块将LED灯固定在所需的位置上。

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改装的LED灯座

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街角汽车维修站-底层走线

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街角汽车维修站-二楼走线

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街角汽车维修站-三楼走线

在安装LED时,我总是从底部往上走,因为一旦电缆穿过楼梯间到了地板上,地板就不太容易拆除了。当所有的电缆就位,所有的LED被放置和连接,所有的地板被重新组装起来之后,你就可以在Octane加油站那里欣赏这令人惊叹的美妙夜间街景了。

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交通信号灯

为了给模型增加一点活力,还可以在照明中加入频率变化。在适当编程的帮助下,可以实现不同状态的某些灯光序列。一个很好的例子就是交通灯电路,它将依次显示“红”-“红黄”-“绿”-“黄”的状态。

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要控制单个LED,可以使用树莓派的GPIO引脚。具体的功能可以在树莓派上的程序帮助下实现,当然也有多种实现形式。在下面的例子中,我们使用了Python编程语言。要编写一个Python程序,可以用IDE(集成开发环境)自带工具“Thonny”。如果该程序没有默认安装在你的系统上,可以在网上先搜索到安装教程。

由于三个LED(红、黄、绿)中的每一个都只需要少量的电流,它们可以通过适当的串联电阻直接串联到树莓派的GPIO引脚上。LED的阴极(“负极”)都连接到GPIO条的一个“地线”上(是否连接到同一个或三个不同的地线在这里并不重要)。LED的连接方式或多或少可以自由选择。除了1号和2号引脚外,所有标记为GPIO的引脚都可以使用(关于各个引脚的功能概述可以在树莓派的说明手册中找到)。如果硬件的线路搞定了,你就可以开始编程了。如果你想快速开始一个案例,你可以从上面的GIF图片中演示的交通灯电路开始。公众号后台回复“交通灯电路”可获得py程序源文件。

在初始化所使用的三个GPIO引脚后,程序进入一个无限循环,以定时的方式在一个交通灯的四个状态中循环。一旦到了终点,循环就会重新开始,直到程序的执行被用户中止。


 

篝火

变化的灯光已经使一个场景更加生动,但更丰富的变化,比如慢慢变亮或变暗的灯光,就使模型真正地活了起来。作为一个演示案例,我选择了篝火,因为它可以被整合到所有时代的场景中。

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为了点燃篝火,我把两个LED,一个红色,一个黄色,从底部放入1×2透明砖块中。这些砖块通过透明红色和黄色的1×2板连接到“海滩”,如下图所示。在这个结构下面,还有一些空间用来放置LED针脚和与之相连的电缆。

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可以将LED安装在篝火之下

为了使篝火闪烁,LED不仅要被打开和关闭,还要以随机频率改变其亮度。为了改变LED的亮度,你必须改变流经它的电流。如果你使用一个较大的串联电阻,而不是计算出来的那个,那么LED就不会像以前那样闪亮了。然而,要改变像树莓派这样的数字电路输出端的电流,或者用可控的电阻而不是固定的串联电阻来构建电路,就不太容易了。因此,这里有一个被称为“脉冲宽度调制”(PWM-Pulse width modulation)的技巧:你不是改变电流值,而是继续使用定义的最大电流,并以非常快的顺序再次打开和关闭它。例如,如果电流在最大电流25%的时候打开,75%的时候关闭,那么LED的亮度就不会像在50%的时候打开,在50%的时候关闭那样亮。如果这些 “开/关”循环在短时间内发生得足够频繁,那么眼睛就无法察觉任何变化。发光二极管的光会出现稳定的变暗变亮。同样你也可以在公众号后台回复“篝火电路”可获得py程序源文件。

当然,这样的方法也可以用来为许多其它闪烁或不规则变化的灯光编程。例如,电视的光线透过窗户照射出来,或者闪烁的星星。如果你想为自己的模型重新创造这样的灯光,最好是玩玩PWM的参数,为你的应用找到最合适的解决方案。


 

在自动启动中包含灯光程序

在编写和测试程序时,手动运行软件以获得中间结果或查看总体结果就足够了。然而,如果你把照明建成一个更大的模型,每次都把屏幕、键盘和鼠标连接到树莓派上(或通过SSH连接)来启动程序运行是不现实的。一个简单的方法是简单地将所需的程序列入计算机的开机自动启动程序中,这样它就会在启动后自动执行。这部分内容你可以通过在网上搜索“树莓派开机运行Python脚本”来学习实现。


“通孔”组件的极限

到目前为止,所有的例子都是使用的5mmLED灯,它们作为通孔安装的电子元件是相当容易操作(例如在焊接方面)的,但要是结合乐高模型,就只有在有足够的拼搭空间和隐藏场景的情况下,才适合使用。在这里,街景建筑明显比圆柱状的交通灯更适合。第二个例子中的交通灯由三块1×1的科技砖块组成,从正面看可能很美,但从侧面看就…没那么好看了。另一方面,通过闪烁的篝火,你可以很好地隐藏大型LED,但你要有一定高度的砖块来作为底座。在一个有景观或不平整地面的模型中,这可以很容易做到。

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灯光交通灯的侧面图

为了照亮更小的模型,如车辆,甚至人仔的光剑,在下一篇关于“自己点亮乐高套装”的文章中,我们将介绍更小的SMD LED安装设置。

以上内容学会了吗?快去试着点亮你的模型吧!

本文参考资料:

-Stonewars(主要参考来源)

-forum-raspberrypi.de

-elinux.org

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