樂高模型的發(fā)光照明改裝一直是moc愛好者之間交流的熱門話題，在今天這篇文章里，我們將介紹如何以不同方式來點(diǎn)亮你的套裝，并會(huì)結(jié)合各種模型情況給你一些提示建議。

如果你想點(diǎn)亮自己的樂高套裝甚至是moc模型，那能用到的方式其實(shí)是多種多樣的，從電子套件中的標(biāo)準(zhǔn)LED與簡(jiǎn)單開關(guān)，到專門制作的電路板，再到通過微型電腦甚至是自編程應(yīng)用來控制發(fā)光。取決于你的經(jīng)驗(yàn)、儲(chǔ)備的知識(shí)和手上的設(shè)備，這些實(shí)現(xiàn)方式難度各不相同。為了讓所有的讀者有機(jī)會(huì)自己建造一些燈光效果，文中專門介紹了一些適合初學(xué)者們的方法，而另一些則更適合有基礎(chǔ)及經(jīng)驗(yàn)的愛好者們。為了盡可能地保持文章的可讀性和趣味性，內(nèi)容主要是關(guān)于如何實(shí)現(xiàn)，較少的涉及到技術(shù)知識(shí)。

樂高與LED，兩個(gè)平行世界？

很多人可能不會(huì)想到樂高與市面上的電子元件是兼容匹配的，這兩者并不是處于平行世界，而是有著一些相似之處可以利用，避免讓你用膠水甚至鉆孔（想想就可怕...）的方式在磚塊上安放LED燈。直徑5mm的LED與樂高螺柱大小差不多，而3mm的LED則與“開口螺柱”（帶孔的螺柱）的內(nèi)徑大小相當(dāng)。這便提供了各種可能性，我們可以將小燈放置在磚塊中，從而盡可能地隱藏在建筑物中。

樂高積木與3mm（左）和5mmLED（右）的組合

除了“通孔”（通過磚塊的自帶孔位安裝）技術(shù)外，我們還將在今后的文章中介紹“表面元件”（用于在模型表面安裝的部件）技術(shù)，由于其極小的體型設(shè)計(jì)，在樂高模型中提供了許多新的可能性。

“要有光”——初學(xué)者的簡(jiǎn)單照明

首先讓我們從最簡(jiǎn)單的方法開始，來為套裝或你自己的模型加上燈光。原則上，你只需要三樣?xùn)|西：所需顏色的LED，合適的電阻和一個(gè)合適的電源。最簡(jiǎn)單的解決方案是使用家里常用的電池。如果是9V方塊大電池，可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的電池扣（夾）將這些電池集成到自己的電路中，如果是AA（五號(hào)）電池，可以用一個(gè)小的電池盒（這些X寶上或者五金店都有賣的，很便宜）。

一旦你決定好了用哪種顏色的發(fā)光二極管，那接下來設(shè)計(jì)合適的串聯(lián)電阻是必不可少的！這時(shí)你就會(huì)想，我要怎么做？每個(gè)發(fā)光二極管都有一定的使用要求，即額定電流和電壓，在這個(gè)范圍內(nèi)它才可以發(fā)揮應(yīng)有的作用。這些數(shù)值可以從LED的參數(shù)中獲得，不過大多數(shù)情況下你都可以從發(fā)光二極管名稱或商品描述中得知（比如類似：20mA 2.25V 5mm LED紅光發(fā)光二極管）。由于LED的內(nèi)部電阻很低，所以當(dāng)施加所需電壓時(shí)，會(huì)有比允許值高得多的電流流過，這將會(huì)直接燒掉發(fā)光二極管。因此，要使用一個(gè)串聯(lián)電阻將電流和電壓限制在所允許的范圍上。要計(jì)算一個(gè)LED所需的串聯(lián)電阻，從電源電壓中減去LED所需的電壓，然后將結(jié)果除以指定的電流（基礎(chǔ)物理知識(shí)啊，同學(xué)們！小學(xué)生讀者們除外...）。公式如下：

R = (U?– U) / I

如果你拿著上面提到的那個(gè)2.25V的LED，用三節(jié)AA電池來進(jìn)行操作（串聯(lián)：3 x 1.5 V = 4.5 V），你得到的電阻數(shù)值為112.5歐姆。你不會(huì)在每一次計(jì)算后都找到一個(gè)正好是這個(gè)值的組件，這也很正常，最安全的做法是選擇比這值稍高一些的電阻，所以在這個(gè)例子中，你可以選擇使用120歐姆的電阻。

許多網(wǎng)站也可以通過輸入電源和LED電壓值以及所需電流來幫助完成這一步的設(shè)計(jì)（你可以去搜搜“LED電阻計(jì)算器”）。當(dāng)然，你也可以把幾個(gè)（不同顏色）的LED并聯(lián)起來，每個(gè)都有自己合適的串聯(lián)電阻。

用樹莓派（Raspberry Pi）控制LED

小巧而功能強(qiáng)大的卡片式電腦“樹莓派”（Raspberry Pi ）多年來在業(yè)余愛好者中非常受歡迎。你們中的一些人可能已經(jīng)在家里有一臺(tái)了，而且在學(xué)?；虼髮W(xué)的項(xiàng)目中也經(jīng)常會(huì)使用到這種微型計(jì)算機(jī)。因此，我們用樹莓派來進(jìn)行我們的第一個(gè)燈光項(xiàng)目。

如果你只想點(diǎn)亮你的模型（即只是控制燈光的“開”或“關(guān)”），那你當(dāng)然可以像上面提到的只使用電池盒來供電，這比使用樹莓派既簡(jiǎn)單又便宜。然而，隨著我們的深入，我將展示一些帶變化的燈光（閃爍等）的例子，我們就需要一種簡(jiǎn)單而靈活的方式來控制它們。不過在第一個(gè)項(xiàng)目中也可以用任何電源來實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樵谶@里樹莓派只作為一個(gè)恒定的電源使用。

如果你對(duì)這個(gè)設(shè)備沒有任何使用經(jīng)驗(yàn)，你可以通過在網(wǎng)上搜索”樹莓派設(shè)置“這樣的關(guān)鍵詞來找到快速幫助，或者通過商家的入門學(xué)習(xí)文檔，讓你熟悉起來（未來酷玩潮也會(huì)持續(xù)更新相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)）。一旦操作系統(tǒng)被成功安裝，圖形用戶界面被激活，該設(shè)備就可以近似普通計(jì)算機(jī)一樣操作（盡管是以Linux作為操作系統(tǒng)）。然而，與PC不同的是，樹莓派有著所謂的GPIO引腳，GPIO（General Purpose I/O Ports）意思為通用輸入/輸出端口。因此，這些也可以用來控制連接到它們的LED。

樹莓派的GPIO引腳

正如一開始提到的，這里的重點(diǎn)應(yīng)該是照明與樂高模型的結(jié)合，所以下面將只討論與實(shí)施有關(guān)的技術(shù)細(xì)節(jié)。更深入的基礎(chǔ)知識(shí)，你可以在網(wǎng)上找到。

第一個(gè)項(xiàng)目

我們的第一個(gè)項(xiàng)目是街景建筑的照明，這樣選擇有兩個(gè)好處。首先，街景建筑內(nèi)部通常有足夠的空間來容納即便是5mm這樣的“大”LED，并能更好地將其隱藏起來；其次，街景房間里的燈通常只需要“開”的狀態(tài)。

作為測(cè)試對(duì)象，我選擇了街景系列中的樂高10264街角汽車維修站，并在每層樓上配備了相應(yīng)顏色的LED。

樂高10264街角汽車維修站帶LED版

上面兩層生活空間被照成黃色以提供舒適的居住氛圍，而底層的加油站和維修車間的內(nèi)部則發(fā)出白色的光芒，以還原店內(nèi)霓虹燈的效果。如果你使用樹莓派供電，你所需要做的就是直接通過5V輸出給LED供電。這樣一來，當(dāng)電路板被打開時(shí)，房子里的燈就會(huì)一直亮著。這里的電源也可以用其它任何方案來實(shí)現(xiàn)。然而，由于第一個(gè)項(xiàng)目也是后面更復(fù)雜照明的基礎(chǔ)，我們還將沿著這個(gè)方向逐步學(xué)習(xí)如何使用樹莓派。

為了將電源分配給所有的LED，可以從樹莓派上接出一個(gè)包括所需串聯(lián)電阻的面包板分配器，然后從該面包板上為所有LED燈提供電源線（網(wǎng)上應(yīng)該有賣帶面包板及類似功能的LED套件的，還可用于樹莓派）。樹莓派不能隨意提供電力數(shù)值，GPIO輸出可以提供最大50mA的電流，但5V引腳的功能要更強(qiáng)大一些，可以提供樹莓派的USB輸入電流（約1A），當(dāng)然要減去電路板上其它負(fù)載的消耗。但由于目前沒有連接其它負(fù)載，我們可以很輕松地使用六個(gè)LED來照亮角落車庫（約120mA），而不會(huì)超載。這樣我們可以為每層樓配備兩盞燈，并相應(yīng)地將電線剪成所需長度即可。

注意：連接到5V引腳的電纜決不能接觸到電路板上的任何其它引腳或?qū)щ妳^(qū)域，否則在最糟糕的情況下，樹莓派可能會(huì)損壞！

街角汽車維修站照明電路配置

一旦LED被連接成所需的顏色和合適的電纜長度，就必須將電纜巧妙地鋪設(shè)在建筑物內(nèi)。燈光應(yīng)該要足夠均勻和強(qiáng)烈地照亮所有房間，而且從外面看還盡可能不被發(fā)現(xiàn)。

街角汽車維修站在底層有一個(gè)后門，我用這扇門把樹莓派的兩個(gè)電路設(shè)施放到大樓里。就在進(jìn)門的后面，放置著面包板。這是用樂高積木最省空間的方式固定的，如此在樓上鋪設(shè)電纜時(shí)就不會(huì)意外地拖動(dòng)。

街角汽車維修站的底層電路板安裝

街景建筑的樓梯是鋪設(shè)通往高層的電纜的好地方。為了使電纜不那么容易通過窗戶被看到，如果可能的話，它們被放在地板上并沿著墻壁鋪設(shè)。使用你自己收藏的樂高積木，你可以在這里建立非常簡(jiǎn)單的支架，把電纜固定在你想要的地方。

用樂高積木做的“束線器”

為了給所有房間都能提供均勻照射到的燈光，我把LED主要放在建筑物的窗戶之間。同樣，可以用普通的磚塊將LED燈固定在所需的位置上。

改裝的LED燈座

街角汽車維修站-底層走線

街角汽車維修站-二樓走線

街角汽車維修站-三樓走線

在安裝LED時(shí)，我總是從底部往上走，因?yàn)橐坏╇娎|穿過樓梯間到了地板上，地板就不太容易拆除了。當(dāng)所有的電纜就位，所有的LED被放置和連接，所有的地板被重新組裝起來之后，你就可以在Octane加油站那里欣賞這令人驚嘆的美妙夜間街景了。

交通信號(hào)燈

為了給模型增加一點(diǎn)活力，還可以在照明中加入頻率變化。在適當(dāng)編程的幫助下，可以實(shí)現(xiàn)不同狀態(tài)的某些燈光序列。一個(gè)很好的例子就是交通燈電路，它將依次顯示“紅”-“紅黃”-“綠”-“黃”的狀態(tài)。

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要控制單個(gè)LED，可以使用樹莓派的GPIO引腳。具體的功能可以在樹莓派上的程序幫助下實(shí)現(xiàn)，當(dāng)然也有多種實(shí)現(xiàn)形式。在下面的例子中，我們使用了Python編程語言。要編寫一個(gè)Python程序，可以用IDE（集成開發(fā)環(huán)境）自帶工具“Thonny”。如果該程序沒有默認(rèn)安裝在你的系統(tǒng)上，可以在網(wǎng)上先搜索到安裝教程。

由于三個(gè)LED（紅、黃、綠）中的每一個(gè)都只需要少量的電流，它們可以通過適當(dāng)?shù)拇?lián)電阻直接串聯(lián)到樹莓派的GPIO引腳上。LED的陰極（“負(fù)極”）都連接到GPIO條的一個(gè)“地線”上（是否連接到同一個(gè)或三個(gè)不同的地線在這里并不重要）。LED的連接方式或多或少可以自由選擇。除了1號(hào)和2號(hào)引腳外，所有標(biāo)記為GPIO的引腳都可以使用（關(guān)于各個(gè)引腳的功能概述可以在樹莓派的說明手冊(cè)中找到）。如果硬件的線路搞定了，你就可以開始編程了。如果你想快速開始一個(gè)案例，你可以從上面的GIF圖片中演示的交通燈電路開始。公眾號(hào)后臺(tái)回復(fù)“交通燈電路”可獲得py程序源文件。

在初始化所使用的三個(gè)GPIO引腳后，程序進(jìn)入一個(gè)無限循環(huán)，以定時(shí)的方式在一個(gè)交通燈的四個(gè)狀態(tài)中循環(huán)。一旦到了終點(diǎn)，循環(huán)就會(huì)重新開始，直到程序的執(zhí)行被用戶中止。

篝火

變化的燈光已經(jīng)使一個(gè)場(chǎng)景更加生動(dòng)，但更豐富的變化，比如慢慢變亮或變暗的燈光，就使模型真正地活了起來。作為一個(gè)演示案例，我選擇了篝火，因?yàn)樗梢员徽系剿袝r(shí)代的場(chǎng)景中。

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為了點(diǎn)燃篝火，我把兩個(gè)LED，一個(gè)紅色，一個(gè)黃色，從底部放入1×2透明磚塊中。這些磚塊通過透明紅色和黃色的1×2板連接到“海灘”，如下圖所示。在這個(gè)結(jié)構(gòu)下面，還有一些空間用來放置LED針腳和與之相連的電纜。

可以將LED安裝在篝火之下

為了使篝火閃爍，LED不僅要被打開和關(guān)閉，還要以隨機(jī)頻率改變其亮度。為了改變LED的亮度，你必須改變流經(jīng)它的電流。如果你使用一個(gè)較大的串聯(lián)電阻，而不是計(jì)算出來的那個(gè)，那么LED就不會(huì)像以前那樣閃亮了。然而，要改變像樹莓派這樣的數(shù)字電路輸出端的電流，或者用可控的電阻而不是固定的串聯(lián)電阻來構(gòu)建電路，就不太容易了。因此，這里有一個(gè)被稱為“脈沖寬度調(diào)制”（PWM-Pulse width modulation）的技巧：你不是改變電流值，而是繼續(xù)使用定義的最大電流，并以非?？斓捻樞蛟俅未蜷_和關(guān)閉它。例如，如果電流在最大電流25%的時(shí)候打開，75%的時(shí)候關(guān)閉，那么LED的亮度就不會(huì)像在50%的時(shí)候打開，在50%的時(shí)候關(guān)閉那樣亮。如果這些 “開/關(guān)”循環(huán)在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生得足夠頻繁，那么眼睛就無法察覺任何變化。發(fā)光二極管的光會(huì)出現(xiàn)穩(wěn)定的變暗變亮。同樣你也可以在公眾號(hào)后臺(tái)回復(fù)“篝火電路”可獲得py程序源文件。

當(dāng)然，這樣的方法也可以用來為許多其它閃爍或不規(guī)則變化的燈光編程。例如，電視的光線透過窗戶照射出來，或者閃爍的星星。如果你想為自己的模型重新創(chuàng)造這樣的燈光，最好是玩玩PWM的參數(shù)，為你的應(yīng)用找到最合適的解決方案。

在自動(dòng)啟動(dòng)中包含燈光程序

在編寫和測(cè)試程序時(shí)，手動(dòng)運(yùn)行軟件以獲得中間結(jié)果或查看總體結(jié)果就足夠了。然而，如果你把照明建成一個(gè)更大的模型，每次都把屏幕、鍵盤和鼠標(biāo)連接到樹莓派上（或通過SSH連接）來啟動(dòng)程序運(yùn)行是不現(xiàn)實(shí)的。一個(gè)簡(jiǎn)單的方法是簡(jiǎn)單地將所需的程序列入計(jì)算機(jī)的開機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)程序中，這樣它就會(huì)在啟動(dòng)后自動(dòng)執(zhí)行。這部分內(nèi)容你可以通過在網(wǎng)上搜索“樹莓派開機(jī)運(yùn)行Python腳本”來學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)。

“通孔”組件的極限

到目前為止，所有的例子都是使用的5mmLED燈，它們作為通孔安裝的電子元件是相當(dāng)容易操作（例如在焊接方面）的，但要是結(jié)合樂高模型，就只有在有足夠的拼搭空間和隱藏場(chǎng)景的情況下，才適合使用。在這里，街景建筑明顯比圓柱狀的交通燈更適合。第二個(gè)例子中的交通燈由三塊1×1的科技磚塊組成，從正面看可能很美，但從側(cè)面看就...沒那么好看了。另一方面，通過閃爍的篝火，你可以很好地隱藏大型LED，但你要有一定高度的磚塊來作為底座。在一個(gè)有景觀或不平整地面的模型中，這可以很容易做到。

燈光交通燈的側(cè)面圖

為了照亮更小的模型，如車輛，甚至人仔的光劍，在下一篇關(guān)于“自己點(diǎn)亮樂高套裝”的文章中，我們將介紹更小的SMD LED安裝設(shè)置。

以上內(nèi)容學(xué)會(huì)了嗎？快去試著點(diǎn)亮你的模型吧！

本文參考資料：

-Stonewars（主要參考來源）

-forum-raspberrypi.de

-elinux.org