巧用光的三原色——用可编程电子积木和3D 打印设计制作光的三原色合成演示灯

河北省唐山市第四十九中学 解忠良

河北省唐山市开平区教育局 李慧

学校为发展创客教育，先后开设了3D打印、Scratch 创意编程、可编程电子积木（CUBIC）等创客课程。今年3 月5 日，我们以“学习雷锋同志”为主题，组织学生设计制作“光的三原色合成演示灯”，其硬件外形由3D 打印技术制成，内部为可编程电子积木，软件来自Scratch 创意编程，采用Scratch PI对可编程电子积木进行程序设计。

一、硬件部分

1.结构设计

演示灯分为底座、顶盖两部分，底座（如图1）为缺一面的六面体，长、宽、高各100 毫米。抽壳后，外径长、宽各100 毫米，内径长、宽各94 毫米，厚3 毫米。

图1 底座

顶盖（如图2）有外沿和内沿。外沿的长、宽各110 毫米，厚4 毫米，内沿的外径长、宽各93.6 毫米，内径89.6 毫米，高8 毫米，厚2 毫米。盖子高为12 毫米。

图2 顶盖

顶盖有四个小孔，一个大孔。大孔直径约为15 毫米，用以穿数据线。每个小孔的直径约为5 毫米，成矩形分布（长：孔距=48 毫米，宽：孔距=32 毫米），用于安装程控主机底座和RGB 彩灯。

2.设计思路

在设计顶盖和底座时，充分考虑到学校3D 打印机的打印精度为0.1 毫米，因此，底座的内径减去盖子内沿的外径为：94 毫米-93.6 毫米=0.4 毫米。底座的横截面是正方形，平均到两边，每个接触面之间的空隙就是0.2 毫米。只有确保打印出的底座与盖子盖合时的间隙在0.2 毫米以内，才能让顶盖在嵌入底座后啮合，如果间隙大于0.2 毫米，则不能盖紧，间隙小于0.2 毫米，则盖子不能嵌入底座。这里的0.2 毫米是顶盖的内沿嵌入到底座的内径后之间的理想间隙，也是设计底座与顶盖大小的关键。

3.外观设计

使用浮雕技术将雷锋同志的四幅图片雕刻在底座四周。

二、软件部分

可编程电子积木使用树上科技公司生产的CUBIC 基础版，使用的电子积木有：控制器1 个，RGB 全彩灯1 个，数据线1 条。数据线用于将RGB 全彩灯连接在控制器的1口；软件使用的是树上科技Scratch PI 设计。

1.灯光设计

CUBIC 的RGB 全彩灯可发出红、绿、蓝三原色光，利用光的三原色原理进行合成，形成七彩灯。

红光、绿光、蓝光可合成的色光为：红光+绿光=黄光；绿光+蓝光=青光；红光+蓝光=品红光；红光+绿光+蓝光=白光。

2.程序设计

程序设计如图3。

图3 程序设计

3.程序执行顺序

红灯亮，持续2 秒；

红灯灭，绿灯亮，持续2 秒；

绿灯灭，蓝灯亮，持续2 秒；

蓝灯灭，红灯、绿灯亮，持续2 秒；

红灯灭，蓝灯、绿灯亮，持续2 秒；

绿灯灭，蓝灯、红灯亮，持续2 秒；

红灯、绿灯、蓝灯全亮，持续2 秒；

重复执行以上程序。

三、组装与演示

学生使用3D 打印机完成底座与顶盖的打印后，通过连接销和方框梁将写入程序的核心控制器安装在顶盖上方，将RGB 全彩灯安装在顶盖下方，数据线通过顶盖的大孔，一端接入控制器的数据1 口，一端接入RGB全彩灯上，再将顶盖与底座盖紧，光的三原色合成演示灯就制作完成了。打开开关，就可以看到如图4 的演示效果。

图4 演示效果