如何使用步进电机设置两个旋转的汽车环

这是作为我“物理计算实验室”(PCL)课程的一个项目而设计的。其相关要求为：

•它必须与“培育光芒”这一主题有所关联。

•它必须配备步进电机或伺服电机来实现运动。

•它必须配备能够根据您从互联网获取的数据进行响应的灯光。

我们的想法

这是我的 PCL 课程和雕塑课程的交叉课程。我们被分成了小组，然后需要各自发挥专业特长来共同完成一个项目。佐伊(我的搭档)做了很多很棒的视觉设计工作，这些作品你可能会在图片中看到，不过在这份文档中，我主要会重点讲述该项目的电气部分。

我们的构想是设置两个旋转的汽车环，它们在城市中旋转，其中一个装的是燃油车，另一个装的是电动汽车。这些汽车的速度会随着通用汽车的股价或特斯拉的股价而变化。背景中的太阳会随着通用汽车股价的上涨而变得越来越暗淡，这代表着污染程度的增加。虽然股票价格与污染排放量之间的直接关系最多也只是微弱的关联，但我还是要请您发挥一下想象力。

车辆轮换

汽车的旋转操作对我来说是最具挑战性的部分。最终，你和我都会感叹：“哇，这真是太简单了。我当然会立刻想到这个办法。”但事实上，我没有想到这一点。而且在找到看似简单的解决方案之前，我还经历了悲伤的五个阶段，试图想出解决办法。这些问题：

•有两圈相互逆向行驶的车辆，这些车辆的底部需要安装照明装置。

•在这些环形结构的中间需要留出空间，以便能够放置一根固定的支柱。

•这些环的重量不可能很重，因为它们是通过步进电机来旋转的。

如果你不关心我解决问题的过程，那就直接跳过这部分吧。如果你想和我一起经历这个过程，那就继续往下读。

滑环

滑环是一种组件，用于将固定电线与旋转的电线连接起来。这类装置唯一的缺点是，如果将非旋转部件放置在其旁边，当电线旋转时，就会因受到摩擦力而损坏支撑结构。可以这样理解：

他们确实会制作中间带有孔的滑环，这样你就可以将固定电线或支撑物穿过其中。不过，我需要两个这样的滑环(因为一个滑环只能朝一个方向旋转，而两个相互旋转的车轮滑环就需要两个滑环)，这价格并不便宜，而且这些孔的尺寸也远没有我想要的(直径约 130 厘米)。所以基本上，我得自己制作滑环了!

我的计划是让 LED 环自身随着模型车一起旋转，而这些模型车只是简单地放置在上面即可。比如这样：

我没有将它们垂直排列，而是制作了一个定制的水平方向的滑环。其工作原理是：会有铜线环与 LED 灯环上的刷子保持持续接触。当步进电机旋转时，这些铜线环会拖动铜线，从而为所有组件提供电流。铜线与光子设备相连。请看下面的图片，这样应该更容易理解了。

然而，LED 线与铜线之间的接触并不紧密，因此这些 LED 无法点亮。此外，3D 打印过程中线材缠绕过多，导致 LED 线最终卡住并发生跳动。从理论上讲，整个装置是可行的，但在实际操作中却是一场灾难。需要特别指出的是，这个概念的设计与实施大约耗时 3 周(时间太长了)。

解决方案

为何要费心处理那些旋转电线带来的种种麻烦呢?我完全可以只让汽车旋转，而不用灯。我移动车辆时不需要灯发出的光线来照亮车辆，车辆本身只要移动就行。所以，总的来说，我只是重新设计了方案，打印出了供车辆旋转使用的环形部件，然后将这些环粘贴在底部。这样就简单多了，而且也更可靠了。

照明

汽车下方的环形灯已经讨论得很充分了。建筑物内的灯只是由四根 NeoPixel 灯带组成的小条状灯带，它们都通过相同的引脚连接在一起工作。建筑物是空心的，灯就直接安装在内部照明位置。其他建筑物的照明方式相同，但使用的是一个连续的灯带，而且这个灯带被塞得比较紧。

这颗“太阳”其实只是一个普通的发光二极管，它通过一个脉宽调制引脚进行控制，从而根据股票价格来改变亮度。

需要明白的是，汽车指示灯、高楼建筑灯以及小型建筑灯的亮度始终不变，均为 100%的亮度，且颜色为白色。因此，需要进行大量的粗略焊接，将所有的电源、接地和信号引脚都连接到一根导线上，这样我就能通过一个引脚来控制数百个灯的并行操作。这大大简化了面包板本身的设计，但需要注意的是，要用绝缘胶带包裹连接处，以防止出现意外的短路。

“Motors”

起初，我打算使用 L298N 电机控制器来控制汽车的两个轮子。然而，这些电机本身的尺寸太大，而且扭矩不够，无法驱动轮子转动(这很奇怪，因为车轮的惯性或摩擦力其实并不大)。在为此浪费了大量时间之后，我转而使用了两台 28BYJ-48 步进电机和 ULN2003 驱动器 SY2526。

这些电机是简单的步进电机，由 AccelStepper 类进行控制，从而能够实现单独的速度调节。它们通过一个简单的旋转齿轮系统与车辆进行交互，该系统略微低于人造地面。它们是不可见的，但其中一辆位于圆圈内部供内部车辆使用，另一辆则位于外部。

电力

我不得不意外地面临的一个问题是电力不足。我原本使用的电源是 5V/1A 的，但这个功率根本不足以同时为大量的灯具、电机和光子设备供电。每当光子设备连接到网络时，就会出现电流峰值，使电源超过 1A，导致一切进入永久性的重启循环。起初这让我感到很害怕，因为电力不足是一种可能的情况，但绝不是唯一的解决办法。幸运的是，换成 5V/5A 的电源解决了问题，无需做任何更改。

不过，一定要适当增加 LED 二极管的电阻值，否则会导致二极管烧毁。

这些汽车只是利用免费的特斯拉车型以及网上下载的皮卡车型制作而成的。我添加了一些孔洞，用 3D 打印机打印出来，然后进行了上色。它们是空心的，应该在前后都有小孔作为车头灯，但由于尺寸和打印机的限制，这些孔洞实际上并不能按照预期那样发挥作用。

结论

总的来说，这些组件使用起来相当简单，但其复杂性和数量却给我们在非常紧张的时间限制内克服一系列难题带来了乐趣。代码本身比较容易理解，但如果有很多人希望我对其进行详细解释的话，我可以进行深入说明。

本文编译自hackster.io