设计构建一款数学运算型 LED 时钟

在一个一切都为了追求速度的世界里，就连时间也成了我们无需思考就能理解的概念。匆匆一瞥，然后继续前行。但倘若有一个时钟能够让你放慢脚步——慢到足以让你停下来思考呢?

这就是这款“PiTime”——一款数学式 LED 时钟的创意所在。它不再使用传统的数字，而是将每个小时用一个数学表达式来代替。你不仅能看到时间，还要去解这些表达式。起初看起来复杂的内容很快就会变得有趣起来，每一次的注视都变成了一次小小的、令人满足的挑战。

该时钟基于树莓派 Pico 2 设计而成，将数学、设计和嵌入式电子技术集于一体，形成一个紧凑的单一系统。一个 PCF8563 实时时钟模块即使在断电情况下也能保证时间的准确性，而 12 个 RGB 灯则取代了传统的指针——通过颜色清晰简洁地表示小时、分钟以及它们的重叠部分。

整个设计被安置在一个定制的 3D 打印圆形外壳内，被精心划分为 12 个部分，每个部分都刻有独特的方程式。它由可充电的 18650 电池供电，完全不使用电线，只专注于重要的内容。甚至特意留出了几秒钟的空白时间——以保持体验的平静、简单且不受干扰。

这不仅仅是一个时钟——它代表着我们体验时间方式的一次小小转变。它将逻辑与创意相结合，将平凡的事物转化为具有互动性、富有思考性且更加有趣的东西。在这里，数学与制作相结合，创造出的时钟不是你仅仅用来阅读的——而是你能够解决的。

步骤 1：计算机辅助设计与 3D 打印

在开始这个项目时，我使用 Fusion 360 软件设计了 PiTime。我们的目标是让其设计简洁、紧凑且易于组装，同时还要保持其外观的整洁和现代感。

该装置完全可以通过 3D 打印技术制造出来，其布局呈圆形，被划分为 12 个部分，每个部分都代表一个数学表达式。从发光二极管到控制器和电池，所有部件的设计都十分紧凑，使得组装过程简单明了，适合初学者操作。

步骤 2：灯带组装

首先将 LED 灯带剪成独立的段落。每个段落应包含一个 RGB 灯珠，总共 12 个灯珠——每个灯珠对应一个小时的位置。

一旦所有部件都准备就绪，就将它们沿着圆形路径放置在 3D 打印的主体内部。要确保它们均匀排列，使每个 LED 都与前面对应的数学表达式对齐。

在安装这些灯时，请注意每个 LED 上标注的数据流向(DIN → DOUT)。在一条链路上，所有 LED 的方向都应保持一致，否则它们将无法正常工作。

第 3 步：充电模块组装

在这一环节，我们添加了充电模块。我使用的是我自己设计的一款紧凑型电池充电板。它体积小巧、效率高，能完美地嵌入外壳之中。如果您想要自行构建或对其进行修改，可以在此处找到所有的源文件(PCB、原理图、物料清单)链接。

将充电模块放入 3D 打印机身的侧槽中。确保 USB Type-C 接口与切口对齐，以便从外部也能轻松触及。对齐完成后，用少量胶水将其固定好，以确保其稳固。

第 4 步：连接

现在是时候将所有部件仔细地连接起来了。按照顺序操作以避免出错，您也可以查看提供的电路图以更好地理解。

第 5 步：电池组装

取出您的 18650 电池，并将其放入包装盒内设计好的电池座中。该电池座能确保电池稳固且居中放置，因此电池会摆放得十分整齐，不会四处晃动。

第 6 步：安装 MicroPython 固件

这一步骤就像是在你的“皮科”设备上安装操作系统一样。你只需要做这件事一次即可。

•请按住您的皮克设备上的“BOOTSEL”按钮并持续保持按压状态。

•在握住它的同时，将 USB 数据线插入您的电脑上。

•松开按钮

•一种名为 RPI-RP2 的新驱动器将会问世。

•将.uf2 文件拖放到此驱动器上

•驱动程序将自动消失——这意味着 MicroPython 已成功安装。

第 7 步：安装 Thonny 软件开发环境

要将代码写入并上传至 Pico，我们将使用 Thonny IDE，它操作简便且对初学者友好。该软件自带 Python 功能，因此您无需进行任何额外设置。

•下载并安装 Thonny

•前往(Thonny)

•下载最新版本

•像安装普通软件那样进行安装即可。

•将Thonny连接到皮科

•将皮科设备插入您的电脑(这次无需按下启动按钮)

•打开托尼(软件)

•点击：工具 → 选项 → 解释器

•选择：微Python(树莓派 Pico)

•保持“端口”选项为“尝试自动检测”

•点击“确定”

第 8 步：上传代码

从 PiTime 的 GitHub 仓库中获取主代码和可直接使用的.uf2 文件。

•打开代码

•从 Github 仓库下载 main.py 文件。

•在 Thonny 中：文件 → 打开 → 当前计算机

•选择 main.py 文件

•保存至 Pico

•点击：文件 → 保存为

•选择：树莓派 Pico

•保存为：main.py

•文件名必须命名为“main.py”，这样就能确保小精灵在每次开机时都会自动运行您的代码。

第 9 步：设置实时时钟时间

RTC 模块初始时并不知道当前时间——您必须进行一次设置。

•打开外壳

•在 Thonny 中点击“停止(⛔)”按钮

•请等到你看到：>>>

•导入功能

•类型：

•设置当前时间

•使用 24 小时制格式：

示例：

•上午 9 点 05 分 → rtc_set_time(9, 5

•下午 12:30 → rtc_set_time(12, 30

•下午 3 点 45 分 → rtc_set_time(15， 45)

•晚上 8 点 → rtc_set_time(20, 0

第 10 步：组装

将 Raspberry Pi Pico 2 放入外壳的中间插槽中。它应该能紧密地插入专用插槽内。接下来，在 Pico 上的可用空间中放置 RTC 模块。要使其平整且位置恰当，以确保布线保持整洁且长度较短。

将这两个组件整齐地放置在中心区域内，确保它们不会与 LED 区域重叠。这样做有助于使设计更加紧凑，并避免在关闭外壳时出现任何干扰。如果需要，可以用少量胶水固定这些组件。

第 11 步：顶部组装

取下顶部盖子(带有数学符号的那一面)，将其仔细盖在底部之上。在关闭之前，请确保所有电线都排列整齐，LED 与它们所在的区域对齐正确。轻轻地将顶部盖子按压到位。这种设计采用了卡扣式连接，它应该会自动卡入位置。

第 12 步：测试

现在我们的时钟已经完全组装完毕并可以正常使用了。首先您会看到一个启动动画，然后时钟就会开始显示时间。每个 LED 都代表时钟上的一个位置(比如 1 到 12)。

• 红色 LED 灯显示小时数

• 绿色指示灯显示时间(以 5 分钟为单位，每 5 分钟显示一次)

• 如果时针和分针都指向同一位置，就会点亮蓝色指示灯。

例如：

如果时间大约是 6 点 50 分，

→ 6 点的 LED 灯亮着红色(表示时间)

→ 10 点的 LED 发出绿色光芒(持续一分钟)

一旦你明白了这一点，读取时间就会变得迅速且直观。首次使用时，请通过 Type-C 接口为电池充电，直至充满。这样能确保性能稳定且使用时间更长。之后，利用背面的壁挂槽将时钟固定在墙上。务必确保其固定牢固且位置正确。

本文编译自hackster.io