文/上海市靜安區(qū)青少年活動(dòng)中心 高一學(xué)生 邵如吉 指導(dǎo)老師/周俊

一、設(shè)計(jì)背景

在測(cè)電壓的時(shí)候，人們一般都是使用電壓表或者萬(wàn)用表，但是這種儀器并不是每戶人家都會(huì)有，平常若是有類似遙控板一類的小型用電器沒反應(yīng)了，沒辦法確認(rèn)是電池沒電，或者只是電路接觸不好，只能換新的電池。

在學(xué)習(xí)Arduino編程的時(shí)候，我發(fā)現(xiàn)如果使用模擬端口，可以實(shí)現(xiàn)測(cè)電壓的功能。加上學(xué)過用CAXA做3D打印的設(shè)計(jì)，因此想到可以設(shè)計(jì)一個(gè)既能方便測(cè)量電壓，又能有美觀裝飾作用的電池測(cè)量?jī)x。

二、設(shè)計(jì)方案——軟硬件介紹

1.Arduino UNO R3

Arduino UNO是Arduino USB接口系列的最新版本，作為Arduino平臺(tái)的參考標(biāo)準(zhǔn)模板。UNO的處理器核心是ATmega328，同時(shí)具有14路數(shù)字輸入/輸出口（其中6路可作為PWM輸出），6路模擬輸入，一個(gè)16MHz晶體振蕩器，一個(gè)USB口，一個(gè)電源插座，一個(gè)ICSP header和一個(gè)復(fù)位按鈕。

2.3 D打印技術(shù)

3D打印（3DP)即快速成型技術(shù)的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。

3D打印通常是采用數(shù)字技術(shù)材料打印機(jī)來實(shí)現(xiàn)的。常在模具制造、工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域被用于制造模型，后逐漸用于一些產(chǎn)品的直接制造，已經(jīng)有使用這種技術(shù)打印而成的零部件。

基本工作原理：

（1）通過計(jì)算機(jī)建模軟件建模；

（2）將建成的三維模型“分區(qū)”成逐層的截面，即切片；

（3）3D打印機(jī)逐層打印，疊加在一起后完成最終的作品。

3.CAXA

CAXA實(shí)體設(shè)計(jì)是唯一集創(chuàng)新設(shè)計(jì)、工程設(shè)計(jì)、協(xié)同設(shè)計(jì)于一體的新一代3D CAD系統(tǒng)解決方案。易學(xué)易用、快速設(shè)計(jì)和兼容協(xié)同是其最大的特點(diǎn)。它包含三維建模、協(xié)同工作和分析仿真等各種功能，無可匹敵的易操作性和設(shè)計(jì)速度，幫助工程師將更多的精力用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)本身，而不是軟件使用的技巧。

該電池電壓測(cè)量?jī)x使用CAXA完成了小房子的大體形狀。如下圖所示。

CAXA設(shè)計(jì)小房子界面圖

4.3D Studio Max

3D Studio Max，常簡(jiǎn)稱為3d Max或3ds MAX，一款基于PC系統(tǒng)的三維動(dòng)畫渲染和制作軟件。其首先開始被運(yùn)用在電腦游戲中的動(dòng)畫制作，后更進(jìn)一步開始參與影視片的特效制作，例如《X戰(zhàn)警II》《最后的武士》等。

該電池電壓測(cè)量?jī)x使用3d Max完成了細(xì)節(jié)上的處理，并且在小房子上做出了動(dòng)漫人物海賊王的造型。如下圖所示。

3DMAX設(shè)計(jì)海賊王圖案圖

5.74HC595移位寄存器集成電路

74HC595具有8位移位寄存器和一個(gè)存儲(chǔ)器，三態(tài)輸出功能。

移位寄存器和存儲(chǔ)器有相互獨(dú)立的時(shí)鐘。移位寄存器有一個(gè)串行移位輸入（Ds），一個(gè)串行輸出（Q7’），一個(gè)異步的低電平復(fù)位；存儲(chǔ)寄存器有一個(gè)并行8位的，具備三態(tài)的總線輸出，當(dāng)使能OE時(shí)（為低電平），存儲(chǔ)寄存器的數(shù)據(jù)輸出到總線。將串行輸入的8位數(shù)字，轉(zhuǎn)變?yōu)椴⑿休敵龅?位數(shù)字，例如控制一個(gè)8位數(shù)碼管，將不會(huì)有閃爍。

該電池電壓測(cè)量?jī)x使用74HC595控制兩個(gè)共陰極的7段數(shù)碼管，以達(dá)到穩(wěn)定顯示數(shù)據(jù)的目的。

三、項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)與測(cè)試

1.組件拼裝及電路連接

分別通過CAXA和3DMAX進(jìn)行內(nèi)部構(gòu)造和外觀細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì)后，通過3D打印機(jī)便可以輕松打印出各個(gè)分零件。組裝完成內(nèi)部黑色構(gòu)架后，裝入Arduino UNO R3板。

2.關(guān)鍵代碼

（1）自動(dòng)燈光變化關(guān)鍵代碼

（2）電池電壓測(cè)量關(guān)鍵代碼：（電池電壓測(cè)量測(cè)試圖）

當(dāng)電壓為1.4v＜V＜=1.8v時(shí)，LED亮綠燈（如圖1）；

當(dāng)電壓為1v＜V＜=1.4v時(shí)，LED亮藍(lán)燈（如圖2）；

當(dāng)電壓為0v＜V＜=1.4v時(shí)，LED亮紅燈（如圖3）；

若不滿足以上任何一種情況，則不亮燈。

四、項(xiàng)目總結(jié)

項(xiàng)目完成了一個(gè)美觀家用電池測(cè)量?jī)x的制作，用來測(cè)量5號(hào)電池的電壓，完成了LED變色裝飾及測(cè)量電壓共兩個(gè)任務(wù)，確保了項(xiàng)目既有美觀意義，又有實(shí)用價(jià)值。本項(xiàng)目的實(shí)施成本低且效果好，測(cè)量過程簡(jiǎn)單方便，結(jié)果準(zhǔn)確穩(wěn)定。希望本項(xiàng)目能夠在未來?yè)碛休^大市場(chǎng)。

五、未來展望

家里常用的電池還有7號(hào)電池和1號(hào)電池等，而該電池電壓測(cè)量?jī)x只能測(cè)量5號(hào)電池，另外這兩種電池電壓還是需要使用萬(wàn)用表測(cè)量。

希望能夠以后做出一款測(cè)量?jī)x改良版，小房子多添兩層，并做出適當(dāng)?shù)某绦蛐薷?，使它能分別測(cè)量這3種不同型號(hào)的電池的電壓，這是項(xiàng)目需要進(jìn)一步完善的地方。

1 亮綠燈

2 亮藍(lán)燈

3 亮紅燈