构建一个智能书本，利用 3D 模型将其装订起来

我的儿子非常喜欢阅读，昨天他在图书展上挑选了四本书。不过他才刚满 10 个月大，所以我想让他对阅读的兴趣能够一直保持下去，所以我决定要为他制作一本既有趣又能让他阅读并从中学习的优秀书籍!

我想用木板和亚克力板来制作这本书，通过某种方式利用 3D 模型将其装订起来。每一页都将具有互动性，并且能帮助我的儿子学习另一项技能。

书籍结构

装订方式：通过每页上的孔洞，使用桶形铰链或芝加哥螺丝将书脊进行 3D 打印——这样可以使页面像真正的书一样旋转翻开，并且如果需要更换页面，整个装订部分都可以完全更换。封面使用带有轻微边缘的材料进行打印，以保护页面。

页面：以波罗的海桦木胶合板(经激光切割而成)作为基底，顶部覆盖有亚克力板(同样经过激光切割)以增添色彩和光泽。边缘应圆润并打磨光滑。

页面尺寸：约 6 英寸×6 英寸，非常适合小手使用——厚实且易于抓握。

第 1 页(纹理花园)使用了 3 个独立的 MPR121 通道——每个纹理区域一个——因此页面上的每一处区域都有自己的声音和 LED 颜色。同时触碰这 3 个区域会解锁一个隐藏的“花园”音效。

第 2 页(形状窗口)会在每个亚克力衬板后面直接安装一个 LED 灯，这样当触摸这些形状时，它们会发出各自特有的颜色光。音频会同时播报形状名称和颜色名称，从而每次互动都能让学生学到两方面的知识。

第 3 页(彩虹转盘)是最令人满意的——固定页面主体上的霍尔效应传感器会读取旋转轮边缘的磁铁信号。快速旋转时，LED 将随之快速闪烁。当它慢慢停止时，它会显示位于顶部的任何颜色区域。

第 4 页(柔和与硬朗)采用了两个触控区域，这两个区域的 LED 发光温度有所不同——硬朗一侧为暖白色，柔和一侧为冷蓝色——这样灯光就强化了这一概念。同时触摸两侧会触发一段名为“相反的!”的奖励短片。

第 5 页(计数形状)部分将 LED 依次连接起来进行计数——先闪烁 1 次，然后闪烁 2 次，接着闪烁 3 次——这样灯光的闪烁频率与音频同步。依次触摸所有 3 行，就会播放完整的“1、2、3!”计数序列。

第 6 页(形状分类)是最精妙的——每个槽内都装有红外线光束感应器，这样书本就能知道何时有物品被放入。将 3 个槽都填满后，整本书会以一道彩虹般的 LED 轮廓光和一阵鸣响声同时亮起，这就是每次的精彩结尾。

触摸感应——一款名为 MPR121 的电容式触摸芯片能够通过单一的 I2C 总线处理全部 6 个页面。MPR121 拥有 12 个通道，因此日后您可以为每个页面添加子区域(例如，纹理花园的不同区域触发不同的声音)。将铜带电极穿过脊柱的布线通道连接到每个页面。

LEDs — WS2812B 可寻址 LED 在这里非常适用。两条短条(每条 3 页)通过独立的数据引脚连接，因此您可以独立点亮任意一页。将它们嵌入环绕页面边缘的布线通道中或嵌入亚克力板后面——半透明的页面会发出迷人的光芒。

音频 — MAX98357A 是一款小巧的 I2S 放大器(价格约 1.5 美元)，它可以直接从 Photon 2 上获取数字音频信号，并驱动内置在机脊内的一个 3 瓦小功率扬声器。将.wav 文件存储在紧挨着 Photon 焊接的 8MB SPI 闪存芯片中——有足够的空间存储 50 多个高质量的音频片段。

电源——这款电池容量为 2000 毫安时的锂聚合物电池搭配一个 USB-C 充电板，使其具备可充电功能。在典型的婴儿游戏使用周期内，每次充电可使用 6 至 8 小时。电池、光发射器和闪光灯都集成在 3D 打印的脊状外壳内部。

带有桶形铰链系统的脊柱：

固件逻辑：

阶段 1

•绘制最终的页面布局图及尺寸(目标尺寸为 6 英寸×6 英寸)设计

•在 CAD 软件(如 Fusion 360 或 OpenSCAD)中设计 3D 脊柱模型——采用双半夹式设计风格

•将页面孔位设计成与书脊桶形铰链的槽位相匹配的设计。

•为每个页面设计规划铜带电极的布线路径

•订购所有材料：波罗的海桦木胶合板、铸型亚克力、TPU 线材、PETG 线材设计

•订购电子元件：光子 2 型、MPR121、WS2812B、MAX98357A、霍尔传感器、红外线断路器、锂聚合物电池 + 充电器、SPI闪存

阶段 2

•在硬纸板上裁切一页以检验孔的位置和尺寸，然后进行制作。

•采用激光切割技术将 6 页纸材(厚度为 6 毫米的波罗的海桦木)全部裁剪出来——包括布线通道的制作。

•用于第 2 页的激光切割亚克力形状衬垫(红色、蓝色、黄色)已制作完成

•第 6 页使用的激光切割琥珀色亚克力覆盖层制作

•将所有页面打磨至 220 目粗糙度，将所有边缘打磨成圆弧形。

•对所有木质表面涂抹食品级蜂蜡涂层

•3D 打印脊柱(PETG 材质，两部分)——在完整打印成型前先测试铰链的适配度

•3D 打印纹理部件：丝绸花朵(丝绸 PLA)、TPU 树叶垫、树皮贴片(木填充 PLA)制造

•用 3D 打印技术制作出第 2 页的凸起形状边框以及第 5 页的形状圆顶结构。

•为第 6 页制作 3D 打印形状分类部件(尺寸为 2 英寸)

•第 3 页的 3D 打印彩色旋转轮

阶段 3

•面包板测试：Photon 2 与单个 MPR121 通道配合，读取铜箔触摸板上的电子信号。

•面包板测试：Photon 2 与 WS2812B 灯带配合，在 touchelectronics 上点亮单个 LED

•面包板测试：Photon 2 与 MAX98357A 通过 SPI 闪存设备播放 WAV 文件。

•第 3 页“电子学”部分：测试霍尔效应传感器以检测旋转器磁铁的旋转情况

•测试红外线断光传感器在形状件放置时的触发情况(第 6 页)——电子设备

•将 Solder Photon 2 与背板上的所有外围接口电子元件进行焊接连接。

•锂聚合物电池 + USB-C 充电电路电子设备

•在所有页面上贴上铜带电极——用万用表电子设备测试电容值

•将每个页面电极上的细金属丝从脊柱布线通道中引出并接入电子设备。

•在每一页的线路边缘通道中安装 WS2812B 灯带电子元件

•第 3 页机身上的霍尔传感器，将磁铁粘贴到旋转器上，使用电子元件

•第 6 页各形状凹槽内的 IR 发射器和接收器组件

阶段 4

•在 VS Code 中设置粒子工作台，创建一个新的 Photon 2 项目(固件)

•录制或下载所有音频片段(WAV 格式，22kHz 单声道)，并将其加载到 SPI 闪存固件中。

•编写 MPR121 I2C 初始化和触摸中断处理程序的固件代码

•编写 WS2812B 灯带动画功能(脉冲、追逐、闪烁、彩虹效果)的固件程序

•编写 MAX98357A 基于 SPI 闪存固件的 I2S 音频播放程序

•编写每页的响应逻辑(触摸 → 各通道的 LED + 音频)固件

•编写霍尔效应自旋检测 + LED 追随速率映射(第 3 页)固件

•编写红外传感器放置检测及完成逻辑(第 6 页)的固件程序

•编写奖励互动逻辑(多区域触碰、所有水槽装满时的庆祝乐章)固件

•对闪存固件进行测试，并在面包板上单独测试每个页面(固件)

•通过粒子云进行 OTA 更新测试——确认远程闪存功能正常

阶段 5

•将 3D 打印的纹理部件粘贴到第 1 页上——在进行组装操作前需完全固化

•将环氧丙烯酸背衬材料从页面 2 的切口处从后方插入——检查光密封组件

•安装旋轮轴并测试其自由转动情况——确保无尖锐突出物存在

•嵌入式 TPU 软垫与第 4 页的路由口袋组件无缝对接。

•用细绳(防卡绳)将形状各异的部件和连接件固定在一起，形成一个整体。

•将所有电线穿过脊柱通道——用电缆扎带进行固定组装

•将脊柱部件围绕电线组装好——测试所有页面铰链是否能自由转动

•电子板安装在 + 内置锂电池的脊柱腔内组件上

•全系统测试：包括每一页、每一个触摸区域、每一个 LED 显示器以及音频响应组件在内的所有部分。

•安全检查：无锐利边缘，无超过 1.25 英寸的松动部件，无外露的电线组件。

•在组装过程中露出的任何裸露木材表面涂抹最后的蜂蜡涂层。

•充满电后进行 30 分钟的游戏测试

本文编译自hackster.io